ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΕΤΑΛΛΕΙΩΝ ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΓΕΩΛΟΓΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ Υ ΡΟΓΕΩΛΟΓΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΑ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ Ι ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΙΑΛΕΞΕΩΝ 9Η ΙΑΛΕΞΗ Γενικές Αρχές Γεωλογίας Υπογείων Έργων Β ΑΘΗΝΑ 2005
ΓΕΩΛΟΓΙΑ ΥΠΟΓΕΙΩΝ ΕΡΓΩΝ ΚΥΡΙΑ ΓΕΩΛΟΓΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΠΡΟΣ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ Τα κύρια θέµατα που πρέπει να διερευνηθούν κατά το στάδιο της γεωλογικής-γεωτεχνικής έρευνας είναι: Οι γεωλογικές και γεωµηχανικές συνθήκες των πετρωµάτων Οι υδρογεωλογικές συνθήκες της ευρύτερης περιοχής Οι συνθήκες διάτρησης και εκσκαφής του έργου Η επίδραση των εργασιών διάνοιξης του υπόγειου έργου, στο περιβάλλον
ΒΡΑΧΩ Η ΠΕΤΡΩΜΑΤΑ Ηδιαφορετική απόκριση των βραχωδών πετρωµάτων κατά την διάνοιξη µιας σήραγγας οφείλεται : στις ιδιοµορφίες της δοµής των πετρωµάτων που διαπερνά (στρωσιγένεια, σχιστότητα, βαθµός διάρρηξης, διεύθυνση και κλίση ασυνεχειών, σύγκλινα και αντίκλινα, ρήγµατα) στην ανακατανοµή των πιέσεων κατά την διάνοιξη στην υδροστατική πίεση των υπερκειµένων σχηµατισµών στις υπολειµµατικές τάσεις των περιβαλλόντων πετρωµάτων Σήραγγα διχοτοµούµενη από το αξονικό επίπεδο αντικλίνου, οι κατακόρυφες πιέσεις εκτονώνονται στην επένδυση, πρόκειται για την περίπτωση µε τις ελάχιστες πιέσεις Σήραγγα διχοτοµούµενη από το αξονικό επίπεδο σύγκλινου, αύξηση των πιέσεων, πρόκειται για την περίπτωση µε τις µεγαλύτερες πιέσεις Σήραγγα στο πλευρό ενός αντικλίνου, πρόκειται για την περίπτωση όπου εντοπίζονται µεγαλύτερες πιέσεις από δεξιά
Πιέσεις περίπου οµοιόµορφες και κατακόρυφες ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΣΤΡΩΣΗΣ Ηδιάταξη των στρώσεων του πετρώµατος που διασχίζει η σήραγγα έχει ως αποτέλεσµα την διαφορετική κατανοµή των πιέσεων Σήραγγα διασχίζει συνέχεια τα ίδια πετρώµατα Οάξονας της σήραγγας είναι κάθετος στη διεύθυνση των κεκλιµένων στρωµάτων Οάξονας της σήραγγας είναι κάθετος στη διεύθυνση των κατακόρυφων στρωµάτων
Ισχυρή πίεση εξασκείται στο θόλο ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΣΤΡΩΣΗΣ Ηδιάταξη των στρώσεων του πετρώµατος που διασχίζει η σήραγγα έχει ως αποτέλεσµα την διαφορετική κατανοµή των πιέσεων Οάξονας της σήραγγας είναι παράλληλος προς τη διεύθυνση κατακόρυφων στρωµάτων Οι πιέσεις συγκεντρώνονται από την µια πλευρά της σήραγγας Οάξονας της σήραγγας είναι λοξός προς τη διεύθυνση των κεκλιµένων στρωµάτων Οάξονας της σήραγγας είναι παράλληλος ως προς τη διεύθυνση των κατακόρυφων στρωµάτων
ΑΞΟΝΑΣ ΣΗΡΑΓΓΑΣ & ΑΞΟΝΑΣ ΠΤΥΧΗΣ Άξονες παράλληλοι µεταξύ τους, η σήραγγα διασχίζει τα ίδια πετρώµατα Άξονες κάθετοι µεταξύ τους Άξονες που ανήκουν στο ίδιο επίπεδο αλλά δεν είναι παράλληλοι, αξονικός κεκλιµένη πτυχή Άξονες λοξοί µεταξύ τους
ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΡΗΓΜΑΤΑ, ΖΩΝΕΣ ΙΑΡΡΗΞΕΙΣ Όταν η σήραγγα συναντά ένα ενεργό ρήγµα, η προστασία της κατασκευής είναι αδύνατη (α) (α) Η σήραγγα διασχίζει συνέχεια το ρήγµα, αυξηµένα προβλήµατα (β) Η σήραγγα διασχίζει το τέµαχος που υπόκεινται του επιπέδου του ρήγµατος (β) Τα ρήγµατα γενικά προκαλούν ανοµοιόµορφη κατανοµή των πιέσεων στη σήραγγα (γ) (γ) Η σήραγγα διασχίζει το τέµαχος που υπέρκεινται του επιπέδου του ρήγµατος (δ) Η σήραγγα διασχίζει το ρήγµα κάθετα προς τη διεύθυνσή του (δ)
ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΡΗΓΜΑΤΑ, ΖΩΝΕΣ ΙΑΡΡΗΞΕΙΣ Η πρόβλεψη συναντήσεως ρήγµατος ή εξαλλοιωµένης ζώνης βασίζεται σε γεωµετρική ερµηνεία στοιχείων που ενδεχοµένως εντοπίστηκαν στην επιφάνεια (ε) (ε) Η σήραγγα δεν διασχίζει το ρήγµα αλλά αποµακρύνεται από αυτό (στ) Η σήραγγα διασχίζει λοξά το επίπεδο του ρήγµατος (στ) Εµφάνιση ενδείξεων, όπως: αύξηση των παροχών των υπόγειων νερών, εξαλλοίωση των πετρωµάτων, ωθήσεις και πιέσεις στα πλευρά της σήραγγας
ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΥΠΟΓΕΙΑ ΝΕΡΑ Ηπαρουσία υπόγειων νερών κατά την κατασκευή µιας σήραγγας δηµιουργεί συχνά τις πιο σοβαρές δυσκολίες εξαιτίας: της απότοµης και απρόβλεπτης εισροής µεγάλων ποσοτήτων νερού της µείωση της ποιότητας των πετρωµάτων των προβληµάτων αντλήσεων ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ Σηµαντικές καθυστερήσεις και υψηλό κόστος κατασκευής Αναγκαία θεωρείται η απογραφή των σηµείων αναβλύσεως υπόγειων νερών που θα πρέπει να περιλαµβάνει: Υπόγεια νερά τη θέση τη παροχή τη πίεση τη θερµοκρασία τη χηµική σύσταση
ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΥΠΟΓΕΙΑ ΝΕΡΑ Αυξηµένες αφίξεις υδάτων εντός των σηράγγων µπορεί να προέρχονται εξαιτίας της παρουσίας: ρωγµών και ρηγµάτων διαπερατών πετρωµάτων µεγάλης µεταβαστικότητας καρστικών αγωγών και έγκοιλων (α) (α) Υδροπερατά στρώµατα εξαιτίας διαρρήξεως, εισροές καθ όλο το µήκος της σήραγγας σε τυχαίες θέσεις (β) Εισροή νερού µόνο στο τµήµα όπου η σήραγγα διασχίζει το υδροφόρο στρώµα (β) (γ) (γ) Υδροφόρο στρώµα καθ όλο το µήκος της σήραγγας, εισροές σε όλο το µήκος της (δ) Συνεχής ροή νερού από την υδροφόρα ενδιάστρωση (δ)
ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΥΠΟΓΕΙΑ ΝΕΡΑ Μέθοδοι βελτιώσεως των δυσµενών συνθηκών υπεδαφικών ζωνών εξαιτίας της παρουσίας νερού Στερεοποίηση και στεγανοποίηση µε τσιµεντενέσεις Υποβιβασµός του υδροφόρου ορίζοντα µε αποστράγγιση ή άντληση Ψύξη, εισπίεση αέρα Σύστηµα στερεοποίηση, στεγανοποίησης µε τσιµεντενέσεις Σύστηµα αντλήσεως υδάτων Σκαρίφηµα της τεχνικής ψύξεως
ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΦΥΣΙΚΑ ΑΕΡΙΑ Κατά τη γεωλογική µελέτη θα πρέπει να γίνεται διερεύνηση των υφιστάµενων γεωλογικών συνθηκών µε σκοπό τη διατύπωση πρόβλεψης συναντήσεως φυσικών αερίων. Αέρια αναµένονται σε περιοχές µε ηφαιστειακή δραστηριότητα, σε περιοχές όπου εµφανίζονται θερµές πηγές, σε περιοχές όπου τα πετρώµατα περιέχουν οργανικές αποθέσεις κάρβουνο ή βιτουµένια, σχιστόλιθους, πετρέλαιο, άλατα όπου τα αέρια είναι δυνατό να θεωρηθούν ιδιαίτερα εκρηκτικά ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ / ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ προβλήµατα ασφαλείας στους χώρους εργασίας, αυξηµένες απαιτήσεις αερισµού, καθυστερήσεις για εκτέλεση µετρήσεων, εφαρµογή ειδικών διατάξεων για µεταφορά και επεξεργασία των παραγόµενων προϊόντων Σύστηµα αερισµού
ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΥΨΗΛΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ Στις βαθιές σήραγγες οι υψηλές θερµοκρασίες καθιστούν την εργασία δύσκολη, όπου σε συνδυασµό µε τις υψηλές πιέσεις δηµιουργούν οριακές συνθήκες για την διάνοιξη των σηράγγων από τα διάφορα µηχανήµατα εκρηκτικές ύλες ΤΕΧΝΗΤΑ ΑΙΤΙΑ από την ανθρώπινη παρουσία ΥΨΗΛΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ΦΥΣΙΚΑ ΑΙΤΙΑ οξειδώσεις ορυκτολογικών συστατικών γεωθερµική βαθµίδα τεκτονικές διεργασίες µεταφορά από το έδαφος
ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΥΠΕΡΒΑΣΗ ΕΞΟΡΥΞΗΣ Το ποσοστό της υπέρβασης εξόρυξης επηρεάζεται σε µικρό ποσοστό από τη φύση των πετρωµάτων ή τις διαστάσεις της σήραγγας Σε πετρώµατα πολύ ανισότροπα (εναλλαγές µαλακών και σκληρών πετρωµάτων), µε στρώση ή σχιστότητα, το µέγεθος της υπέρβασης εξόρυξης εξαρτάται από τη συνοχή µεταξύ των διαδοχικών στρωµάτων και από τη διεύθυνση της σήραγγας σε σχέση µε τη διεύθυνση στρώσεως ή σχιστότητας Οι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν την υπέρβαση εξόρυξης θεωρούνται: Η πυκνότητα των επιφανειών ασυνέχειας και ο προσανατολισµός τους σε σχέση µε τον άξονα της σήραγγας Η µέθοδος εξόρυξης Η εφαρµοζόµενη µέθοδος υποστύλωσης
ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΣΕΙΣΜΙΚΗΣ ΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΑΣ Σε χαλαρά εδάφη οι σεισµικές δονήσεις µπορεί να προκαλέσουν µη αντιστρεπτές µετατοπίσεις και καµιά φορά ρευστοποίηση του εδάφους Οσεισµικός κίνδυνος σε µια υπόγεια κατασκευή επηρεάζεται από τα υλικά και το βάθος κατασκευής Ησεισµική επικινδυνότητα των βαθειών σηράγγων είναι σηµαντικά µικρότερη από εκείνη των επιφανειακών
ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ Ε Α ΩΝ ΚΑΙ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Τα συστήµατα ταξινόµησης της βραχόµαζας σε συνδυασµό µε τις αναλυτικές µεθόδους και παρατηρήσεις πεδίου παρέχουν µια ολοκληρωµένη παρουσίαση της κατάστασης της βραχόµαζας, που θα επιτρέψει την ασφαλέστερη εκτίµηση των σχεδιαστικών παραµέτρων Σύστηµα ταξινόµησης Βραχόµαζας Terzaghi Κατάσταση Βραχόµαζας Ύψος φορτίου Hp, σε ft Παρατηρήσεις 1 Συµπαγή σκληρή 0 Επένδυση µονάχα εξαιτίας φαινοµένων εκτινάξεων - εκρήξεων 2 Σκληρή µεστρώµατα ή σχιστόλιθο 0 έως 0.5 Β Ελαφριά υποστήριξη, για προστασία έναντι εκτινάξεων - εκρήξεων 3 Συµπαγής, µέτρια διακλασµένη 0 έως 0.25 Β Καθόλου πλευρική πίεση 4 Μέτρια διακλασµένη 0.25 Βέως0.35 (Β + Ht) 5 Πολύ διακλασµένη, στρωµατώδες 6 Πλήρως θραυζµένη, χηµικώς σταθερή 7 Συνθλιβόµενη, σε µέσο βάθος 8 Συνθλιβόµενη, σε µεγάλο βάθος (0.35 έως 1.10) (B + Ht) Λίγη ή καθόλου πλευρική πίεση 1.10 (B + Ht) Σηµαντική πλευρική πίεση (1.10 έως 2.10) (Β + Ht) (2.10 έως 4.50) ( B + Ht) Μεγάλη πλευρική πίεση Πηγή: Engineering Rock Mass Classifications Z.T. Bieniawski 9 ιογκούµενη Πάνω από 250 ft, ανεξάρτητα από την τιµήτου(b + Ht) Αντιστήριξη δακτυλίου
ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ Ε Α ΩΝ ΚΑΙ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Τα συστήµατα ταξινόµησης σε συνδυασµό µε τις αναλυτικές µεθόδους και παρατηρήσεις πεδίου παρέχουν µια ολοκληρωµένη παρουσίαση της κατάστασης του σχηµατισµού, που θα επιτρέψουν την ασφαλέστερη εκτίµηση των σχεδιαστικών παραµέτρων κατά τον σχεδιασµό ενός υπόγειου έργου Σύστηµα ταξινόµησης βραχόµαζας του Lauffer (1958) Σχέση µεταξύ χρόνου αυτοϋποστήριξης ανυποστήρικτου ανοίγµατος Πηγή: Underground Excavations in Rock E. Hoek & E.T. Brown
ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ Ε Α ΩΝ ΚΑΙ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Ποιότητα Πετρώµατος RQD, Rock Quality Designation Οδείκτης RQD, προσδιορίζεται ως το ποσοστό ανάκτησης πυρήνος το οποίο περιλαµβάνει µονάχα τα κοµµάτια του πυρήνα τα οποία είναι 100 mm ή και µεγαλύτερα σε µήκος. Για τον προσδιορισµό του δείκτη, η ιεθνής Ένωση Μηχανικής Πετρωµάτων (International Society for Rock Mechanics) προτείνει την χρήση δειγµάτων διαµέτρου NX, 54.7 mm, που πάρθηκαν από διπλού τύπου δειγµατολήπτη. Συσχέτιση δείκτη RQD και µέτρων υποστήριξης για σήραγγα πλάτους 6m Ερευνητές Χωρίς υποστήριξης Αγκύρια Χαλύβδινα πλαίσια Κατηγορίες βραχόµαζας µε βάση τον δείκτη RQD RQD % Ποιότητα βραχόµαζας < 25 Πολύ φτωχή 25 50 Φτωχή 50 75 Μέτρια 75 90 Καλή 90 100 Εξαιρετική Deere et al 1970 RQD 75-100 RQD 50 75 1.5 1.8 µ απόσταση RQD 25 50 0.9 1.5 µ απόσταση RQD 50 75, ελαφρά υποστήριξη 1.5 1.8 µ απόσταση εναλλακτικά των αγκυρίων RQD 25 50, ελαφρά έως µέση υποστήριξη 0.9 1.5 µ απόσταση εναλλακτικά των αγκυρίων RQD 0 25, µέση έως βαριά κυλινδρικά πλαίσια µε 0.6 0.9 µ απόσταση Πηγή: Engineering Rock Mass Classifications Z.T. Bieniawsk Ησχέση που δίνει τον δείκτη RQD για µια βραχόµαζα που δεν περιέχει αργιλικό υλικό είναι η εξής: Cecil 1970 RQD 82 100 RQD 52 82, εναλλακτικά 40 60 µµ σκυροδέµατος RQD 0 52, πλαίσια ή ενισχυµένο σκυρόδεµα RQD = max[10,min{110,115-3,3 Jv }], όπου Jv είναι το άθροισµα του αριθµού των διακλάσεων ανά κυβικό µέτρο. Merritt 1972 RQD 72 100 RQD 23 72 1.2 1.8 µ απόσταση RQD 0-23
ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ Ε Α ΩΝ ΚΑΙ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Το σύστηµα RMR (Rock Mass Rating), αναπτύχθηκε από τον Bieniawski 1972-1973 και τροποποιήθηκε τα επόµενα χρόνια καθώς όλο και περισσότερες περιπτώσεις µελετήθηκαν (Bieniawski, 1979). Οι παρακάτω 6 παράµετροι χρησιµοποιήθηκαν στο σύστηµα RMR: Μονοαξονική θλιπτική τάση της βραχόµαζας. είκτης RQD Απόσταση των ασυνεχειών Κατάσταση των ασυνεχειών Κατάσταση των υδάτων Προσανατολισµός των ασυνεχειών Ταξινόµηση βραχόµαζας και βαθµολογία της Ι II III IV V Κατηγορία Χαρακτηρισµός Πολύ Καλή Καλή Μέτρια Πτωχή Πολύ πτωχή Βαθµολογία 100 90 90 70 70 50 50 25 < 25 Πηγή: Bieniawski et al 1974
ΣΗΡΑΓΓΕΣ & ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ Ε Α ΩΝ ΚΑΙ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Το σύστηµα Q αναπτύχθηκε στο Νορβηγικό Γεωτεχνικό Ινστιτούτου NGI από τους Barton, Lien & Lunde το 1974 µε σκοπό τον εµπειρικό σχεδιασµό των µέτρων άµεσης υποστήριξης σηράγγων που διανοίγονται µε τη µέθοδο NATM. Το σύστηµα Q βασίζεται στην αριθµητική ανάλυση της ποιότητας της βραχόµαζας χρησιµοποιώντας 6 παραµέτρους: RQD = δείκτης κερµατισµού της βραχόµαζας Jn = δείκτης του αριθµού των συστηµάτων των ασυνεχειών Jr = βαθµός τραχύτητας των επιφανειών των ασυνεχειών Ja = βαθµός εξαλλοίωσης των επιφανειών των ασυνεχειών Jw = κατάσταση υδάτων SRF = συντελεστής αποµείωσης λόγω υψηλών τάσεων Η µέθοδος βασίζεται στον υπολογισµό του δείκτη Q από τη σχέση : Q RQD J = J n J r a J w SRF Οι τιµές του Q κυµαίνονται από 0.001 για εξαιρετικά φτωχής ποιότητας πέτρωµα έως 1000 για εξαιρετικά καλής ποιότητα πέτρωµα που είναι πρακτικά συµπαγές.