ΕΠΟΠΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ ΔΙΑΛΕΞΕΩΝ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ «ΕΙΔΙΚΑ ΓΕΩΤΕΧΝΙΚΑ ΕΡΓΑ - Γεωτεχνική Σηράγγων» 9ο Εξ. ΠΟΛ. ΜΗΧ. - Ακαδ. Ετος 2005-06 ΔΙΑΛΕΞΗ 3 Μέθοδοι ανάλυσης σηράγγων 25.08.2005 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΡΩΝ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΣΗΡΑΓΓΩΝ 1. Διάνοιξη και προσωρινή υποστήριξη Σκοπός: προσωρινή ευστάθεια της διατομής και περιορισμός των παραμορφώσεων (σύγκλιση τοιχώματος, καθιζήσεις εδάφους) 2. Τελική επένδυση Σκοπός: ανάληψη μακροχρόνιων και υδραυλικών φορτίων, στεγανότητα και αισθητική του εσωρραχίου
ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΕΛΙΚΗΣ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ Συνήθως θεωρείται ότι τα μέτρα προσωρινής υποστήριξης παύουν να αναλαμβάνουν φορτία με την πάροδο του χρόνου μετά την κατασκευή της τελικής επένδυσης, επειδή : 1. Το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα της προσωρινής υποστήριξης έχει μεγαλύτερο ερπυσμό από το έγχυτο σκυρόδεμα της τελικής επένδυσης 2. Τα χαλύβδινα πλαίσια συνήθως δεν έχουν την απαραίτητη επικάλυψη και διαβρώνονται 3. Τα αγκύρια διαβρώνονται και έρπουν λόγω παρεμπόδισης της μετακίνησης της κεφαλής τους Αρχές σχεδιασμού της τελικής επένδυσης σηράγγων : 1. Η τελική επένδυση αναλαμβάνει μέρος (ή τοσύνολο) των φορτίων της περιβάλλουσας βραζόμαζας (συνήθως θεωρείται ότι η προσωρινή υποστήριξη καθίσταται ανενεργή στην μόνιμη κατάσταση της σήραγγας) 2. Η τελική επένδυση συνήθως κατασκευάζεται μετά την ολοκλήρωση της διάνοιξης και άμεσης υποστήριξης του συνόλου του μήκους της σήραγγας αλλά οπωσδήποτε αφού η σήραγγα ισορροπήσει με την άμεση υποστήριξη ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΗΣ ΤΕΛΙΚΗΣ ΕΠΕΝΔΥΣΗΣ (συνέχεια) Η τελική επένδυση σχεδιάζεται να αναλάβει τα εξής φορτία: 1. Το φορτίο των προσωρινών αγκυρίων (σε βραχόμαζα με έντονα ερπυστική συμπεριφορά, ή πιθανότητα διάβρωσης των αγκυρίων) 2. Το φορτίο των χαλύβδινων πλαισίων σε περίπτωση που έχουν ανεπαρκή επικάλυψη και μπορούν να διαβρωθούν 2. Το φορτίο του εκτοξευόμενου σκυροδέματος σε περίπτωση που έχει έντονο ερπυσμό (π.χ. λόγω των προσμίκτων) 3. Μέρος του φορτίου του εκτοξευόμενου σκυροδέματος, ώστε το απομένον φορτίο του εκτοξευόμενου σκυροδέματος να ικανοποιεί τις απαιτήσεις ασφαλείας μονίμου έργου (κατά την άμεση υποστήριξη της σήραγγας το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα μπορεί να λειτουργεί με μειωμένο συντελεστή ασφαλείας) 4. Τυχόν αυξημένα μακροχρόνια φορτίατηςβραχόμαζαςλόγωερπυσμού 5. Τυχόν υδατικές πιέσεις λόγω πλημμελούς αποστράγγισης ή απρόβλεπτης απόφραξης του συστήματος αποστράγγισης 6. Τυχόν φορτία από μελλοντικές κατασκευές που φορτίζουν τη σήραγγα 7. Τυχόν σεισμική επιφόρτιση της σήραγγας
ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΝΟΙΞΗΣ ΚΑΙ ΑΜΕΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΣΗΡΑΓΓΩΝ Σκοποί : Να ελεγχθεί η ευστάθεια της διατομής και των μετώπων, δηλαδή να επιβεβαιωθεί ότι τα μέτρα υποστήριξης μπορούν να αναλάβουν ασφαλώς τα φορτία της βραχόμαζας Να ελεγχθεί ότι οι συγκλίσεις του τοιχώματος, της βραχόμαζας και (εφόσον απαιτείται) της επιφάνειας του εδάφους είναι αποδεκτές Να ελεγχθεί ότι γίνεται επαρκής ενεργοποίηση της περιβάλλουσας βραχόμαζας χωρίς υπέρμετρη χαλάρωση Να προσδιορισθεί η διαδικασία εκσκαφής, το σύστημα άμεσης υποστήριξης και ο χρόνος εφαρμογής του που συνδυάζουν μέγιστη ασφάλεια και ελάχιστο κόστος Μέθοδος : Η διαδικασία εκσκαφής και βαθμιαίας υποστήριξης της σήραγγας επιτρέπει την ελεγχόμενη αποτόνωση της βραχόμαζας (μέσω της σύγκλισης του τοιχώματος). Ετσι αναπτύσσεται το «φαινόμενο θόλου» στη βραχόμαζα και μειώνεται η πίεση στην άμεση υποστήριξη ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΝΟΙΞΗΣ ΚΑΙ ΑΜΕΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΣΗΡΑΓΓΩΝ Συνεπώς : Η ανάλυση της διάνοιξης και άμεσης υποστήριξης δεν μπορεί να γίνει κάποια με συμβατικά φορτία, επειδή. τα πραγματικά φορτία της βραχόμαζας εξαρτώνται από : τα χαρακτηριστικά της βραχόμαζας τιςδιαστάσειςτηςσήραγγας τον τρόπο διάνοιξης και το είδος της άμεσης υποστήριξης
Συμπέρασμα: Η ανάλυση της διάνοιξης και άμεσης υποστήριξης πρέπει να προσομοιώνει όλες τις φάσεις διάνοιξης και υποστήριξης της σήραγγας Ειδικότερα απαιτείται η προσομοίωση : 1. Της σύγκλισης της βραχόμαζας πριν από την τοποθέτηση των μέτρων άμεσης υποστήριξης Η σύγκλιση αυτή συμβαίνει: πριν το μέτωπο εκσκαφής φθάσει στη συγκεκριμένη θέση στο διάστημα που μεσολαβεί μεταξύ της εκσκαφής και της τοποθέτησης των μέτρων άμεσης υποστήριξης Τα ανωτέρω μπορούν να προσομοιωθούν είτε μέσω του συντελεστή αποτόνωσης των τάσεων (λ) (καμπύλες Panet) είτε μέσω μιας ισοδύναμης απομείωσης του μέτρου ελαστικότητας (Ε/Ε ο <1) 2. Της βαθμιαίας ενεργοποίησης των μέτρων άμεσης υποστήριξης π.χ. της βαθμιαίας αύξησης του μέτρου ελαστικότητας του εκτοξευόμενου σκυροδέματος, της βαθμιαίας αύξησης της συνάφειας των αγκυρίων πλήρους πάκτωσης με τσιμεντένεμα, της ατελούς επαφής των χαλύβδινων πλαισίων με τη βραχόμαζα κλπ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΝΟΙΞΗΣ ΚΑΙ ΑΜΕΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΣΗΡΑΓΓΩΝ Απαιτούμενες αναλύσεις : 1. Ανάλυση της ευστάθειας της διατομής : 1.1 Θεώρηση της βραχόμαζας ως συνεχούς μέσου Διδιάστατη ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία Μέθοδος Rabcewicz Απλοποιημένη ελαστοπλαστική ανάλυση 1.2 Θεώρηση της βραχόμαζας ως ασυνεχούς μέσου Δυνητικέςαποσφηνώσειςοροφήςκαιπαρειών 2. Ανάλυση της ευστάθειας του μετώπου εκσκαφής 3. Ανάλυση της ευστάθειας των στομίων της σήραγγας
ΜΕΘΟΔΟΙ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΤΗΣ ΠΡΟΣΩΡΙΝΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΣΗΡΑΓΓΩΝ Κατηγορίες μεθόδων: 1. Εμπειρικές 2. Ημι-εμπειρικές 3. Αναλυτικές 4. Αριθμητικές 1. Οι εμπειρικές μέθοδοι περιλαμβάνουν τα εξής: 1. Γεωτεχνική ταξινόμηση της βραχόμαζας 2. Επιλογή και διαστασιολόγηση των μέτρων προσωρινής υποστήριξης με βάση την ταξινόμηση της βραχόμαζας και τη γεωμετρία της σήραγγας Παράδειγμα: μέθοδος Q (NGI) Πλεονεκτήματα: Απλότητα, ευχρηστότητα, ταχύτητα Μειονεκτήματα: Αγνόηση ειδικών γεωτεχνικών συνθηκών, ή θεώρησή τους μέσω σημαντικής απλοποίησης Επιλογή μέτρων προσωρινής υποστήριξης κατά το σύστημα Q (NGI)
2. Οι ημι-εμπειρικές μέθοδοι περιλαμβάνουν τα εξής: 1. Γεωτεχνική ταξινόμηση της βραχόμαζας 2. Επιλογή των μέτρων υποστήριξης με βάση την ταξινόμηση της βραχόμαζας και κάποια εμπειρική μέθοδο (π.χ. Bieniawski - 1989) 3. Εκτίμηση των φορτίων της βραχόμαζας στην υποστήριξη με κάποια εμπειρική μέθοδο (π.χ. Terzaghi, Bieniawski, Protodyakonov, κλπ) 4. Ελεγχος επάρκειας των μέτρων υποστήριξης με στατική ανάλυση Πλεονεκτήματα: Σχετικώς απλές, επίφαση ανάλυσης και υπολογισμών Μειονεκτήματα: Τα θεωρούμενα φορτία εκ της βραχόμαζας συνήθως αναφέρονται σε διαφορετικές συνθήκες και συνεπώς δεν είναι ορθά. Π.χ. Protodyakonov: Για σήραγγες του Μετρό της Μόσχας (μικρά βάθη). Σε βαθύτερες σήραγγες τα υπολογιζόμενα φορτία είναι πολύ μικρά. Bieniawski: Για σχετικώς καλής ποιότητας βραχόμαζες (RMR>50). Για βραχόμαζες με RMR<50, τα υπολογιζόμενα φορτία είναι πολύ μικρά. Terzaghi: Για σήραγγες εύρους 4-6m, υποστηριζόμενες με ξύλινα στοιχεία και λιθοδομή. Για σήραγγες ΝΑΤΜ εύρους 10-15m, τα υπολογιζόμενα φορτία είναι πολύ μεγάλα. Επιλογή μέτρων προσωρινής υποστήριξης κατά Bieniawski (1989) Σήραγγα πεταλοειδούς διατομής, εύρους 10m
Φορτία βραχόμαζας κατά Terzaghi (1946) - Τροποποίηση κατά Deere (1970) Σήραγγα εύρους B και ύψους Η t H p = ύψος φορτίζουσας βραχόμαζας ΜΕΘΟΔΟΙ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΤΗΣ ΠΡΟΣΩΡΙΝΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΣΗΡΑΓΓΩΝ 3. Οι αναλυτικές μέθοδοι περιλαμβάνουν τα εξής: 1. Γεωτεχνική ταξινόμηση της βραχόμαζας 2. Επιλογή των μέτρων υποστήριξης με βάση την ταξινόμηση της βραχόμαζας και κάποια εμπειρική μέθοδο (π.χ. Q, Bieniawski -1989) ή την εμπειρία του μελετητή από ανάλογα έργα 3. Εκτίμηση των φορτίων της βραχόμαζας στην υποστήριξη με αναλυτική μέθοδο (συνήθως τη μέθοδο σύγκλισης-αποτόνωσης ή τη μέθοδο Rabcewicz) 4. Ελεγχος επάρκειας των μέτρων υποστήριξης με στατική ανάλυση Πλεονεκτήματα: Συνδυάζουν απλότητα και επάρκεια υπολογισμών για προμελέτες σηράγγων Μειονεκτήματα: Αγνόηση ειδικών γεωτεχνικών συνθηκών (π.χ. κεκλιμένες στρώσεις βράχου, αποσφηνώσεις, κλπ), ή θεώρησή τους μέσω σημαντικής απλοποίησης
ΜΕΘΟΔΟΙ ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΤΗΣ ΠΡΟΣΩΡΙΝΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ ΣΗΡΑΓΓΩΝ 4. Οι αριθμητικές μέθοδοι περιλαμβάνουν τα εξής: 1. Γεωτεχνική ταξινόμηση της βραχόμαζας 2. Εκτίμηση των γεωτεχνικών παραμέτρων της βραχόμαζας με βάση την ταξινόμηση 3. Επιλογή των μέτρων υποστήριξης με βάση την ταξινόμηση της βραχόμαζας και κάποια εμπειρική μέθοδο (π.χ. Q, Bieniawski -1989) ή την εμπειρία του μελετητή από ανάλογα έργα 4. Ελεγχος επάρκειας των μέτρων υποστήριξης με ανάλυση της αλληλεπίδρασης βραχόμαζας-υποστήριξης με αριθμητική μέθοδο (συνήθως με πεπερασμένα στοιχεία) Πλεονεκτήματα: Η ακριβέστερη μέθοδος (εφόσον οι παραδοχές είναι ορθές) Μειονεκτήματα: Σχετικώς σύνθετη ανάλυση. Η ακρίβειατωνπροβλέψεων επηρεάζεται από παραδοχές για τις οποίες συχνά δεν υπάρχουν δεδομένα (π.χ. ακριβής στρωματογραφία και μηχανκές παράμετροι). Συνεπώς, συχνά η ακρίβεια των υπολογισμών δεν αντιστοιχεί με ακρίβεια προβλέψεων. Μέθοδος σχεδιασμού σηράγγων 1. Ταξινόμηση της βραχόμαζας : π.χ. GSI (E. Hoek, 1998) Βαθμός αλληλεμπλοκής Κατάσταση ασυνεχειών 2. Εκτίμηση παραμέτρων αντοχής και παραμορφωσιμότητας (μέσω του GSI) : Αστοχία : κριτήριο Hoek-Brown E = σci 100 GSI 10 alog 40 3. Τυπικές διατομές σχεδιασμού (γεωμετρία εκσκαφής και μέτρα υποστήριξης) 4. Αναλύσεις επάρκειας με πεπερασμένα στοιχεία
Για κάθε κατηγορία βραχόμαζας εκτιμώνται οι μηχανικές ιδιότητες που θα χρησιμοποιηθούν στις αναλύσεις Παράδειγμα : Ασβεστολιθικό λατυποπαγές με GSI=20-35 Τιμή σχεδιασμού : GSI=25 σ ci = 10 MPa, m i =10 ν=0.30, Κ ο =0.6 Μέθοδος σχεδιασμού σηράγγων Μηχανικές ιδιότητες της βραχόμαζας σ cm = 0.66 MPa, E = 0.75 MPa Κριτήριο αστοχίας : Hoek-Brown m = 0.687, s= 0.0002 E σ m = cm = σ ci = 50 m i GSI exp 25.5 σ ci GSI 10 alog 100 40 100 exp GSI 28 100 s = exp GSI 9 u R R F 10% E 5% D unsupported tunnel Μέθοδος σχεδιασμού σηράγγων Κατηγορίες μέτρων υποστήριξης 2.5% C 1.25% σ cm p o rockmass strength in situ overburden B 0.5% A F E D C B A σcm p o Τυπικά εύρη τιμών : σ cm / p o A > 0.6 B 0.4-0.6 C 0.3-0.4 D 0.2-0.3 E 0.15-0.20 F < 0.15 Κατηγορία
Μέθοδος σχεδιασμού σηράγγων Αποτέλεσμα : Ενα σύνολο τυπικών διατομών (εκσκαφή + αντιστήριξη) που αντιστοιχούν σε διάφορους συνδυασμούς : (Κατάστασης βραχόμαζας : GSI ) + (Βάθους : p o = γ H ) strength of rockmass / intact strength 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 σ σ Βασική παράμετρος : Tunnel Stability Factor (TSF) : Υπολογισμός αντοχής βραχόμαζας cm ci GSI = 0.02 exp 25.5 0 20 40 60 80 100 GSI σ cm p o rockmass strength in situ overburden Παράδειγμα : Φλύσχης GSI=25, σ ci =10 MPa σ cm =0.53 MPa H=150m, p o =3.6 MPa TSF = σ cm / p o = 0.15 Μέθοδος σχεδιασμού σηράγγων Τυπικές διατομές σχεδιασμού Διακρίνονται ως προς τον αριθμό των φάσεων εκσκαφής, το είδος, τις ποσότητες και τον τρόπο εφαρμογής των μέτρων προσωρινής υποστήριξης Θα πρέπει να καλύπτουν το σύνολο των αναμενόμενων γεωτεχνικών συνθηκών (από πολύ καλές έως πολύ κακές) και του ύψους των υπερκείμενων γαιών Οι φάσεις εκσκαφής πρέπει να είναι οι ελάχιστες δυνατές. Το κόστος κατασκευής αυξάνει σημαντικά με την αύξηση του αριθμού των φάσεων εκσκαφής Κατά την εκπόνηση της μελέτης, η επιλογή του είδους, των ποσοτήτων και του τρόπου εφαρμογής των μέτρων προσωρινής υποστήριξης γίνεται με βάση την εμπειρία. Κατά την κατασκευή, τα ανωτέρω προσαρμόζονται στις επιτόπου συνθήκες Πεδίο εφαρμογής των τυπικών διατομών : δηλαδή σε ποιούς συνδυασμούς κατηγορίας βραχόμαζας και ύψους γαιών εφαρμόζεται η κάθε τυπική διατομή Το κόστος εκσκαφής διαφέρει ανά κατηγορία βραχόμαζας. Αρα, χωριστές τυπικές διατομές για σημαντικά διαφορετικές κατηγορίες βραχόμαζας, ακόμη και εάν τα μέτρα υποστήριξης είναι τα ίδια
Παράδειγμα: Μέθοδος σχεδιασμού σηράγγων Τυπικές διατομές σχεδιασμού Διατομή Περιγραφή μέτρων υποστήριξης Δ-στομίου Εφαρμόζεται στα στόμια και περιλαμβάνει δοκούς ή ράβδους προπορείας Δ-1 Διατομή με ελαφρά υποστήριξη από εκτοξευόμενο σκυρόδεμα (sh) 5-7cm και αγκύρια σποραδικά ή σε αραιό κάναβο 2-2.5m. Διάνοιξη σε δυο φάσεις. Δ-2 Διατομή με βαρύτερη υποστήριξη χωρίς πλαίσια. sh = 10-15cm, αγκύρια σε κάναβο 1.50-2.00m. Διάνοιξη σε δυο φάσεις. Δ-3 διατομή με ελαφρά πλαίσια ΗΕΒ120 ανά 1.00-1.50m. sh = 15cm, αγκύρια ανά 1.00-1.50m. Διάνοιξη σε δυο φάσεις. Δ-4 διατομή με βαρύτερα πλαίσια ΗΕΒ140 ανά 1.00m. sh = 20cm, αγκύρια ανά 1.00m. Διάνοιξη σε δυο φάσεις. Δ-5 διατομή με πλαίσια ΗΕΒ140 ανά 0.75-1.00m. sh = 20-25cm, αγκύρια ανά 0.75-1.00m και κλειστό πυθμένα. Διάνοιξη σε 3 φάσεις. Δ-6 ως η Δ-5 αλλά περιλαμβάνει και ενίσχυση μετώπου με δοκούς προπορείας ή/και ηλώσεις fiberglass. Διάνοιξη σε 3 φάσεις. Τυπικές διατομές σχεδιασμού Τυπική διατομή Δ-στομίου
Τυπικές διατομές σχεδιασμού Τυπική διατομή Δ-2 Ανάλογα με τις επιτόπου συνθήκες υδροφορίας είναι πιθανόν να τοποθετούνται οπές αποστράγγισης στη περίμετρο της διατομής (Φ75,PVC) ή/και ανακουφιστικές οπές στο μέτωπο (Φ75,PVC) Τυπικές διατομές σχεδιασμού Τυπική διατομή Δ-4
Τυπικές διατομές σχεδιασμού Τυπική διατομή Δ-5 Ανάλογα με τις επιτόπου συνθήκες υδροφορίας είναι πιθανόν να τοποθετούνται οπές αποστράγγισης στη περίμετρο της διατομής (Φ75,PVC) ή/και ανακουφιστικές οπές στο μέτωπο (Φ75,PVC) Αρχές σχεδιασμού σηράγγων - Τυπικές διατομές σχεδιασμού Σχόλια : Μπορεί να μην υπάρχουν όλες οι ανωτέρω διατομές Το σκεπτικό επιλογής των μέτρων υποστήριξης είναι: 1. Στο μεγαλύτερο τμήμα της σήραγγας εφαρμόζονται 2-3 διατομές (π.χ. Δ-2, Δ-3, Δ-4) 2. Σε κάποιες ειδικές θέσεις εφαρμόζονται οι διατομές Δ-στομίου (στα στόμια) και Δ-5 (π.χ. έντονα τεκτονισμένες ζώνες) 3. Προβλέπεται μια διατομή (η Δ-1) με ελαφρά μέτρα υποστήριξης για εφαρμογή σε πολύ καλές συνθήκες 4. Προβλέπεται μια διατομή (η Δ-6) με βαριά μέτρα υποστήριξης ώστε να μην υπάρχει περίπτωση ισχυρισμού ότι η μελέτη δεν έχει προβλέψει εξαιρετικά δυσμενείς και σπάνιες συνθήκες Πέραν των τυπικών μέτρων υποστήριξης προβλέπονται και κάποιες ποσότητες ειδικών μέτρων, π.χ. αγκύρια μετώπου από fiberglass, ράβδοι προπορείας (spiles), ειδικά αγκύρια (π.χ. διαστελλόμενης κεφαλής, split set, viborex), μικροπάσσαλοι υποθεμελίωσης, τσιμεντενέσεις βελτίωσης του μετώπου κλπ. Εκτός των τυπικών διατομών μπορεί να απαιτούνται και ειδικές διατομές σε θέσεις σύνδεσης με στοές εξαερισμού ή διαφυγής, κλπ.
Αρχές σχεδιασμού σηράγγων 6. Πεδίο εφαρμογής των τυπικών διατομών Παράδειγμα : Διατομή Πεδίο εφαρμογής Εκτιμώμενο μήκος εφαρμογής Δ-στομίου H < 8m, ανεξαρτήτως βραχόμαζας 32m (4 8) Δ-1 RMR > 50, 8 < H < 80m 80m Δ-2 RMR > 50, H > 80m RMR = 35-50, 8 < H < 60m 100m 100m Δ-3 RMR =35-50, H > 60m RMR = 20-35, 8 < H < 50m 150m 100m Δ-4 RMR = 20-35, 50 < H < 100m 80m Δ-5 RMR =20-35, H > 100m ζώνες έντονου τεκτονισμού 50m 50m Δ-6 ζώνες έντονου τεκτονισμού σε συνδυασμό 25m με αστάθεια του μετώπου Σύνολο : 767m Προσοχή : ο καθορισμός της εφαρμοστέας τυπικής διατομής κατά μήκος του άξονα της σήραγγας δεν είναι μονοσήμαντος και μπορεί να δημιουργήσει συμβατικά θέματα κατά την κατασκευή (διαφωνίες υπηρεσίας-εργολάβου) ΔΙΑΝΟΙΞΗ ΣΗΡΑΓΓΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ "ΝΑΤΜ" Η "Νέα Αυστριακή Μέθοδος Διάνοιξης Σηράγγων" (NATM) αποτελεί ένα σύνολο τεχνικών που άρχισαν να εφαρμόζονται συστηματικά κατά τη διάνοιξη σηράγγων περί το 1960 Η μέθοδος ΝΑΤΜ περιλαμβάνει τη διάνοιξη σηράγγων με : 1. Ελεύθερο μέτωπο εκσκαφής, δηλαδή χωρίς πίεση στο μέτωπο με μηχανικά μέσα (π.χ. ΤΒΜ) 2.Αμεση υποστήριξη του τοιχώματος της σήραγγας με εκτοξευόμενο σκυρόδεμα ή/και αγκύρια βράχου, δηλαδή όχι υποστήριξη με συμβατικές μεθόδους (π.χ. ξύλινες δοκούς) όχι άμεση υποστήριξη με μεταλλικό κέλυφος (ασπίδα) όχι άμεση εφαρμογή τελικής επένδυσης από προκατασκευασμένα στοιχεία ή έγχυτο σκυρόδεμα Αυτές οι τεχνικές είχαν εφαρμοσθεί και παλαιότερα, αλλά όχι συστηματικά, λόγω έλλειψης της κατάλληλης τεχνολογίας
ΔΙΑΝΟΙΞΗ ΣΗΡΑΓΓΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ "ΝΑΤΜ" Συχνά, η μέθοδος ΝΑΤΜ περιλαμβάνει επίσης : διάνοιξη της διατομής της σήραγγας σε περισσότερες της μιάς φάσεις χρήση εκτοξευόμενου σκυροδέματος οπλισμένου με χαλύβδινες ίνες, χαλύβδινο πλέγμα, χαλύβδινες νευρώσεις από ράβδους ή διατομές Ι υποστήριξη της σήραγγας μόνον με αγκύρια (χωρίς εκτοξευόμενο σκυρόδεμα) κατασκευή της "τελικής επένδυσης" της σήραγγας σε μεταγενέστερο χρόνο ΔΙΑΝΟΙΞΗ ΣΗΡΑΓΓΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ "ΝΑΤΜ" Εναλλακτικοί τρόποι διάνοιξης σηράγγων (εκτός ΝΑΤΜ): Με μηχανήματα ολομέτωπης κοπής (ΤΒΜ) (η κοπτική κεφαλή ασκεί πίεση στο μέτωπο εκσκαφής) Με προστατευτική ασπίδα (shield) (η άμεση υποστήριξη της σήραγγας γίνεται μέσω της ασπίδας) Διάνοιξη με άμεση υποστήριξη της σήραγγας από : έγχυτο σκυρόδεμα προκατασκευασμένα στοιχεία από σκυρόδεμα ή μέταλλο συμβατικές μεθόδους (ξύλινες δοκούς) Οι ανωτέρω μέθοδοι συχνά αναφέρονται ως μέθοδοι μηχανικής εκσκαφής
ΔΙΑΝΟΙΞΗ ΣΗΡΑΓΓΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ "ΝΑΤΜ" Πλεονεκτήματα της ΝΑΤΜ σε σχέση με τις εναλλακτικές μεθόδους : Προσαρμόζεται εύκολα σε μεταβαλλόμενες γεωτεχνικές συνθήκες. Συνεπώς δύσκολα αποτυγχάνει ακόμη και σε περιπτώσεις όπου οι παραδοχές της μελέτης διαφέρουν σημαντικά από τις επιτόπου συνθήκες Πλεονεκτεί σε περιπτώσεις έντονα διογκούμενων εδαφών όπου η μηχανική διάνοιξη (ΤΒΜ) μπορεί να αποτύχει πλήρως Προσαρμόζεται εύκολα σε μεταβολές της γεωμετρίας της διατομής (π.χ. διευρύνσεις της διατομής) Πλεονεκτεί σε διατομές μεγάλου μεγέθους (πολλαπλές φάσεις) Μπορεί να εφαρμοσθεί στη διάνοιξη μή-κυκλικών διατομών Επιτρέπει ευκολότερη στεγάνωση της σήραγγας με συνθετική μεμβράνη (που τοποθετείται μεταξύ της άμεσης και της τελικής επένδυσης) Περιλαμβάνει μηχανικό εξοπλισμό σχετικώς μικρού κόστους και συνεπώς πλεονεκτεί οικονομικά σε σήραγγες μικρού μήκους Δεν απαιτεί μεγάλη αρχική οικονομική επένδυση, αλλά έχει υψηλό κόστος προσωπικού ΔΙΑΝΟΙΞΗ ΣΗΡΑΓΓΩΝ ΜΕ ΤΗ ΜΕΘΟΔΟ "ΝΑΤΜ" Πλεονεκτήματα των μεθόδων μηχανικής εκσκαφής σε σχέση με τη μέθοδο ΝΑΤΜ : Σε ομοιογενείς γεωτεχνικές συνθήκες επιτυγχάνουν ταχύτερους ρυθμούς διάνοιξης Υπάρχουν κατάλληλα μηχανήματα πρακτικώς για όλους τους τύπους των εδαφών. Υπάρχει μεγάλο πρόβλημα σε περιπτώσεις μεταβαλλόμενων γεωτεχνικών συνθηκών Σε ομοιογενείς γεωτεχνικές συνθήκες και σήραγγες μεγάλου μήκους επιτυγχάνουν μικρότερο λειτουργικό κόστος. Εχουν μικρό κόστος προσωπικού, αλλά υψηλή αρχική επένδυση Ελέγχουν καλύτερα το μέτωπο εκσκαφής σε περιπτώσεις αστάθειας (π.χ. εδάφη μικρής αντοχής, άμμοι) ή λόγω έντονης εισροής νερού μέσω της εφαρμογής αντι-πίεσης (EPB ή slurry) και της "κλειστής" κεφαλής
Αρχή της μεθόδου ΝΑΤΜ Η σήραγγα διανοίγεται κατά τρόπο ώστε να ενεργοποιηθεί στο μέγιστο βαθμό η αντοχή της περιβάλλουσας βραχόμαζας (μέσω της ελεγχόμενης σύγκλισης του τοιχώματος) Ετσι μειώνονται οι πιέσεις της βραχόμαζας στην άμεση υποστήριξη (τόσο περισσότερο όσο αυξάνει η σύγκλιση του τοιχώματος) Διαρροή της υποστήριξης Προσοχή: Εάν η σύγκλιση αυξηθεί υπέρμετρα, μπορεί να προκληθεί αποδιοργάνωση της βραχόμαζας και αύξηση των πιέσεων Αύξηση της πίεσης της βραχόμαζας στην υποστήριξη λόγω υπέρμετρης χαλάρωσης (αυξημένες συγκλίσεις) Διαρροή της υποστήριξης
Αρχή της μεθόδου ΝΑΤΜ (συνέχεια) Χαρακτηριστικά της σύγκλισης: 1. Ενα σημαντικό ποσοστό της σύγκλισης του τοιχώματος της σήραγγας συμβαίνει εμπρός απότομέτωποεκσκαφής 2. Η σύγκλιση του τοιχώματος της σήραγγας αυξάνει με ταχείς ρυθμούς στην περιοχή του μετώπου εκσκαφής Αρχή της μεθόδου ΝΑΤΜ (συνέχεια) Συνεπώς : Συχνά, η αντοχή της βραχόμαζας έχει ενεργοποιηθεί επαρκώς πολύ κοντά στο μέτωπο της εκσκαφής Οπότε : Η άμεση υποστήριξη πρέπει να κατασκευάζεται κατά το δυνατόν πλησιέστερα στο μέτωπο εκσκαφής Συμπεριφορά της βραχόμαζας μετά τη χαλάρωση Πιθανή περιοχή χαλάρωσης
Αρχή της μεθόδου ΝΑΤΜ (συνέχεια) Επιρροή του χρόνου τοποθέτησης των μέτρων προσωρινής υποστήριξης στην πίεση της βραχόμαζας επί της υποστήριξης της σήραγγας I: Πολύ νωρίς. Η πίεση στην άμεση υποστήριξη (p 1 ) είναι πολύ μεγάλη IΙ: Κανονικός χρόνος κατασκευής της άμεσης υποστήριξης Η πίεση (p 2 ) έχει μειωθεί σημαντικά IΙΙ:Πολύ αργά. Η πίεση (p 3 ) έχει αυξηθεί λόγω αποδιοργάνωσης (χαλάρωσης της βραχόμαζας, με συνέπεια τον κίνδυνο κατάρρευσης Εφαρμογή της μεθόδου ΝΑΤΜ 1. Η σήραγγα διανοίγεται σε περισσότερες της μιας φάσεις ώστε να μειώνεται η επιφάνεια του μετώπου εκσκαφής κάθε φάσης 2. Η άμεση υποστήριξη κατασκευάζεται σε μικρή απόσταση από το μέτωπο εκσκαφής. Αρα : βήματα εκσκαφής μικρού μήκους 3. Η άμεση υποστήριξη πρέπει να αναλάβει φορτία ταχέως Το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα πλεονεκτεί επειδή βρίσκεται σε άμεση επαφή με την περιβάλλουσα βραχόμαζα και επιπλέον έχει μικρό χρόνο πήξεως Τα αγκύρια βράχου οπλίζουν την περιβάλλουσα βραχόμαζα και συντελούν στην καλύτερη ανάπτυξη της λειτουργίας τόξου της βραχόμαζας 4. Ολοκλήρωση του δακτυλίου του εκτοξευόμενου σκυροδέματος στο σύνολο της διατομής (κλειστός πυθμένας) σε βραχόμαζα με φτωχά μηχανικά χαρακτηριστικά (αλλά όχι σε συνθλίβοντα εδάφη, όπου η καθυστέρηση της κατασκευής του πυθμένα μπορεί να έχει πλεονεκτήματα π.χ. μείωση των φορτίων) σε περιπτώσεις ανάγκης περιορισμού των υποχωρήσεων στην επιφάνεια του εδάφους
Εφαρμογή της μεθόδου ΝΑΤΜ (συνέχεια) 5. Σε βραχόμαζα με πτωχά μηχανικά χαρακτηριστικά (ή σε εδαφικούς σχηματισμούς) είναι συνήθης η αστάθεια του μετώπου της εκσκαφής. Μέτρα βελτίωσης της ευστάθειας του μετώπου: Αύξηση του αριθμού των φάσεων εκσκαφής (μείωση των διαστάσεων του μετώπου) Διαμόρφωση του μετώπου με κλίση ως προς την κατακόρυφο (εδαφικός τάκος) Ενίσχυση του μετώπου με αγκύρια (συνήθως fiberglass) Ενίσχυση της οροφής με ράβδους ή δοκούς προπορείας (spiles, forepoling) Κατασκευή τσιμεντενέσεων στο μέτωπο (σε διαπερατούς σχηματισμούς) Προσωρινή κάλυψη του μετώπου με εκτοξευόμενο σκυρόδεμα (σε περιπτώσεις διακοπής των εργασιών διάνοιξης) ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΣΗΡΑΓΓΩΝ ΠΟΥ ΔΙΑΝΟΙΓΟΝΤΑΙ ΜΕ ΤΗ ΝΑΤΜ Ο σχεδιασμός της διάνοιξης και άμεσης υποστήριξης της σήραγγας πρέπει να είναι ευπροσάρμοστος στις επιτόπου συνθήκες : 1. Η βραχόμαζα κατατάσσεται σε 3-5 κατηγορίες (με βάση τα μηχανικά χαρακτηριστικά). Οι κατηγορίες συνήθως βασίζονται στα γνωστά συστήματα κατατάξεως (RMR, GSI, Q) 2. Μορφώνονται 3-5 τυπικές διατομές της σήραγγας που διαφέρουν ως προς τον αριθμό των φάσεων εκσκαφής, το είδος και την πυκνότητα των μέτρων υποστήριξης. Θα πρέπει να είναι ευχερής η αλλαγή της διατομής της σήραγγας από τον ένα τύπο στον άλλο 3. Η επάρκεια των τυπικών διατομών ελέγχεται με κάποια από τις αποδεκτές μεθόδους ανάλυσης 4. Διατυπώνεται ένα σύνολο κριτηρίων με βάση τα οποία θα γίνεται η επιλογή της εφαρμοστέας τυπικής διατομής κατά την κατασκευή της σήραγγας. Τα κριτήρια αυτά βασίζονται : στην ποιότητα της βραχόμαζας στοπάχοςτωνυπερκειμένωνγαιών στον προσανατολισμό των ασυνεχειών στα αποτελέσματα των μετρήσεων σε προηγούμενες διατομές σε τυχόν ειδικές συνθήκες (π.χ. θέσεις διεύρυνσης της διατομής)
ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΣΚΑΦΗΣ 1. Εκσκαφή μετώπου-βαθμίδας (top heading - bench - invert) Εκσκαφή της σήραγγας από πάνω προς τα κάτω. Ηπρώτηφάσημπορείνα εκσκαφεί και σε περισσότερες υποφάσεις. Στην περίπτωση αυτή η πρώτη φάση ουσιαστικά αποτελεί σήραγγα-πιλότο για τη διερεύνηση των συνθηκών που θα συναντηθούν κατά τη διάνοιξη της σήραγγας 2. Εκσκαφή με πλευρικές στοές (side-wall drifts) Εφαρμόζεται σε σήραγγες μεγάλου εύρους σε βραχόμαζες με σχετικώς πτωχά χαρακτηριστικά ή στις περιπτώσεις όπου είναι κρίσιμος ο περιορισμός της σύγκλισης του τοιχώματος (π.χ. σε αστικές περιοχές). Η μέθοδος μπορεί να περιλάβει δυο πλευρικές στοές και ενδιάμεσο πυλώνα (twin side-wall drifts with central pillar). ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΣΚΑΦΗΣ 1. Εκσκαφή μετώπου-βαθμίδας (top heading - bench - invert) 2. Εκσκαφή με πλευρικές στοές (side-wall drifts)
ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΣΚΑΦΗΣ
ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΚΣΚΑΦΗΣ ΜΕΤΡΑ ΑΜΕΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ 1. Εκτοξευόμενο σκυρόδεμα (shotcrete) Συνίσταται από τσιμέντο, νερό και λεπτόκοκκα αδρανή (έως 10 mm) Εφαρμόζεται με εκτόξευση (με τη βοήθεια πεπιεσμένου αέρα) Παρασκευάζεται είτε ως ξηρό μίγμα (dry mix) με προσθήκη νερού στο στόμιο εκτοξεύσεως είτε ως υγρό μίγμα (wet mix) όπου η ανάμιξη με νερό γίνεται στον αναδευτήρα Το υγρό μίγμα χρησιμοποιείται συχνότερα στις περιπτώσεις κατανάλωσης εκτοξευόμενου σκυροδέματος σε μεγάλες ποσότητες Αναλογία ανάμιξης (για παραγωγή 1 m 3 βάρους 2250-2350 kg): Τσιμέντο: 400-450 kg Αδρανή (διάσταση κόκκου έως 10mm): 1600-1700 kg Παιπάλη πυριτίου (micro-silica): 30-50 kg Επιταχυντής πήξεως: 10-15 kg Νερό: 200-250 kg
ΜΕΤΡΑ ΑΜΕΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ 1. Εκτοξευόμενο σκυρόδεμα (shotcrete) Η παιπάλη πυριτίου είναι μια λεπτόκοκκη ποζουλάνη η οποία αντιδρά με το υδροξείδιο του ασβεστίου (Ca(OH) 2 ) που παράγεται κατά την ενυδάτωση του τσιμέντου και συντελεί στην αύξηση της αντοχής του σκυροδέματος και τη μείωση της διαπερατότητάς του Με την προσθήκη της ποζουλάνης επιτυγχάνεται μείωση της αναπήδησης (rebound) κατά την εκτόξευση, βελτίωση της πρόσφυσης στη βραχόμαζα και δυνατότητα αύξησης του πάχους της στρώσης του νωπού σκυροδέματος (λόγω αύξησης του ιξώδους και της πρόσφυσης) έως και σε 200mm ΜΕΤΡΑ ΑΜΕΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ 1. Εκτοξευόμενο σκυρόδεμα (shotcrete) Η πλαστιμότητα και η εφελκυστική αντοχή του εκτοξευόμενου σκυροδέματος μπορούν να αυξηθούν με την προσθήκη μεταλλικών ινών (steel fιbres) οι οποίες δρουν ως οπλισμός Η προσθήκη μεταλλικών ινών ως οπλισμού του εκτοξευόμενου σκυροδέματος τείνει να αντικαταστήσει την όπλιση με μεταλλικά πλέγματα (wire mesh reinforcement). Η συνήθης αναλογία μεταλλικών ινών είναι 40-50 kg ανά κυβικό μέτρο σκυροδέματος Η προσθήκη μεταλλικών ινών πλεονεκτεί ως προς τη χρήση μεταλλικού πλέγματοςκαιγιατουςεξήςλόγους: * Δεν προκαλεί αυξημένη αναπήδηση του σκυροδέματος * Δεν υπόκειται σε ηλεκτρολυτική διάβρωση επειδή οι ίνες δεν είναι συνεχείς * Η χρήση των ινών είναι ταχύτερη και κατασκευαστικά ευκολότερη ιδίως όταν η επιφάνεια της βραχόμαζας είναι ανώμαλη Η χρήση μεταλλικού πλέγματος πλεονεκτεί στο δάπεδο της σήραγγας (λόγω κόστους) και όπου αναμένεται πιθανή ρηγμάτωση του εκτοξ. σκυροδέματος (καλύτερος έλεγχος κατάρρευσης)
2. Αγκύρια βράχου ΜΕΤΡΑ ΑΜΕΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ Διακρίνονται σε δυο κατηγορίες : Προεντεταμένα αγκύρια (tensioned cables) Αποτελούνται από χαλύβδινους τένοντες (strands) και βασίζονται στην ενεργητική φόρτιση της βραχόμαζας λόγω της προέντασης. Παθητικά αγκύρια (rock-bolts) Η λειτουργία τους βασίζεται στη φόρτιση λόγω της παραμόρφωσης της βραχόμαζας Τα παθητικά αγκύρια διακρίνονται σε: αγκύρια συνεχούς πρόσφυσης (fully bonded) Πρόσφυση με τσιμεντένεμα Πρόσφυση με ρητινένεμα Αμεσης πρόσφυσης (Swellex, Split-set, κλπ) αγκύρια πρόσφυσης άκρου (end anchored) (συνήθως είναι διαστελλόμενης κεφαλής) ΜΕΤΡΑ ΑΜΕΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ 2. Αγκύρια βράχου (συνέχεια) Στα αγκύρια συνεχούς πρόσφυσης ανήκουν οι εξής τύποι: (α) Οι ηλώσεις βράχου (grouted nails) Αποτελούνται από χαλύβδινη ράβδο (StIV, Φ20-25mm) η οποία τοποθετείται εντός οπής (διαμέτρου 38-50mm) που πληρούται με ένεμα (τσιμεντένεμα ή ένεμα συνθετικής ρητίνης). Οι ηλώσεις αυτές είναι συνήθως προσωρινές, μπορούν όμως να λειτουργήσουν και ως μόνιμες με κατάλληλη προστασία από τη διάβρωση (β) Οι ηλώσεις χωρίς ενεμάτωση τύπου Swellex (Atlas-Copco) ή τύπου Split-Set (Ingersoll-Rand) Αποτελούνται από κοίλη μεταλλική διατομή και αποκτούν συνεχή πρόσφυση με τη βραχόμαζα με εισπίεση νερού στο εσωτερικό της διατομής που προκαλεί τη διόγκωσή της. Εχουν μικρή διάρκεια ζωής (λόγω έλλειψης προστασίας από τη διάβρωση και λόγω της λεπτότοιχης διατομής). Το κύριο πλεονέκτημά τους είναι ότι αναλαμβάνουν φορτία πολύ γρήγορα επειδή δεν απαιτούν την πήξη του ενέματος για την επίτευξη πρόσφυσης
ΜΕΤΡΑ ΑΜΕΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ - Αγκύρια βράχου ΜΕΤΡΑ ΑΜΕΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ - Αγκύρια βράχου Αγκύρια τύπου Swellex (100 kn) (Atlas Copco)
ΜΕΤΡΑ ΑΜΕΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ - Αγκύρια βράχου Αγκύρια τύπου Split Set (100 kn) (Ingersoll-Rand) Tunnel construction techniques : sprayed concrete and rock bolts Platamonas railway tunnel (tectonic melange)
ΜΕΤΡΑ ΑΜΕΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ 3. Χαλύβδινες νευρώσεις Λειτουργούν κυρίως ως οπλισμός του εκτοξευόμενου σκυροδέματος για την αύξηση της δυσκαμψίας και της πλαστιμότητάς του αλλά και γιατηβελτίωσητηςδυνατότηταςανάληψηςφορτίων Είναι των εξής τύπων : Τυποποιημένες διατομές, συνήθως πλατύπελμες ΗΕΒ100-160 Δικτυωτά πλαίσια (lattice girders). Αποτελούνται από ράβδους οπλισμού και συνδετήρες με τη μορφή χωροδικτυώματος Συστοιχίες χαλύβδινων ράβδων οπλισμού (π.χ. 4-6 ράβδοι Φ28 σε παράλληλη διάταξη, συνδεδεμένες με εγκάρσιους συνδετήρες) ΜΕΤΡΑ ΑΜΕΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ - Χαλύβδινες νευρώσεις Υποστήριξη με χαλύβδινα πλαίσια
ΜΕΤΡΑ ΑΜΕΣΗΣ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗΣ - Χαλύβδινες νευρώσεις Δικτυωτά πλαίσια - lattice girders