Η δυνατότητα διάνοιξης υπογείων ανοιγμάτων σήμερα, τόσο όσον αφορά το μέγεθος όσο και τις συνθήκες, θα φάνταζε ασύλληπτη πριν από τα μέσα του προηγούμενου αιώνα. Τούτο κατέστη δυνατό χάρη στην απόκτηση καλύτερης αντίληψης της μηχανικής συμπεριφοράς των πετρωμάτων, αλλά και χάρη στον εξοπλισμό και στις τεχνικές εξόρυξης και σταθεροποίησης που αναπτύχθηκαν. Παρ όλα αυτά, οι καταπτώσεις εξακολουθούν να παραμένουν βασικό αίτιο απώλειας ζωής και χρόνου εργασίας λόγω τραυματισμών στα ορυχεία, καθώς και αραίωσης του μεταλλεύματος, κάτι που υποδηλώνει ότι εξακολουθεί να είναι μακρύς ακόμη ο δρόμος για την αποφυγή τους. Οι εξαιρετικές καινοτομίες στη μεταλλευτική και στην επιστημονική ανάλυση της μηχανικής συμπεριφοράς της εφαρμογής της την τελευταία πεντηκονταετία δείχνουν τη συνεχιζόμενη ανάπτυξη αυτής της επιστήμης και τεχνολογίας. Κινητήρια δύναμη για τις εξελίξεις αυτές υπήρξε η αναγνώριση από την εξορυκτική βιομηχανία ότι η επένδυση στην καλύτερη κατανόηση και στην αυστηρότερη εφαρμογή των επιστημονικών γνώσεων είναι οικονομικά ανταποδοτική. Τούτο είχε ιδιαίτερο αποτέλεσμα στην αξιόλογη πρόοδο στον τομέα των μεθόδων υπόγειας εκμετάλλευσης. 1. Διάκριση υπόγειων έργων Τα υπόγεια έργα διακρίνονται σε μεταλλευτικά (Σχήμα 1-1α) και σε τεχνικά (Σχήμα 1-1β). Τα μεταλλευτικά, τα οποία διακρίνονται σε ορυχεία, μεταλλεία, και λατομεία, θα αναφέρονται γενικά με τον όρο ορυχεία (εκ του ορύσσω). Είναι προσωρινά έργα που κατασκευάζονται γενικά από μόνιμα συνεργεία και το παραγόμενο προϊόν είναι το εξορυσσόμενο υλικό. Αντίθετα, τα τεχνικά έργα, που διακρίνονται σε πολιτικά και στρατιωτικά, είναι μόνιμα έργα που κατασκευάζονται από προσωρινά συνεργεία και το παραγόμενο προϊόν είναι ο υπόγειος χώρος. Τα υπόγεια τεχνικά έργα έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής. Τέτοια είναι οι σήραγγες, οι θάλαμοι, οι αποθήκες καυσίμων, τα καταφύγια, οι στρατιωτικές εγκαταστάσεις, οι χώροι απόθεσης αποβλήτων, κλπ. Ο σχεδιασμός τους διακρίνεται χρονικά: στη φάση διάνοιξης και στη φάση λειτουργίας. Κατά τη λειτουργία τους δεν επιτρέπονται αισθητές παραμορφώσεις. (α) Κατακρήμνιση (άδεια από groundtruthtrekking) Σχήμα 1-1. Υπόγεια έργα. (β) Υδροηλεκτρικός σταθμός Αώου (ΔΕΗ) Η διάρκεια ζωής των υπόγειων μεταλλευτικών έργων διαφέρει ανάλογα με τον σκοπό τους. Κοινή πρακτική ήταν παλαιότερα στον σχεδιασμό των ορυχείων να διαχωρίζονται οι διανοίξεις εξυπηρέτησης από τις διανοίξεις παραγωγής. Οι πρώτες περιλαμβάνουν τις προσπελάσεις του ορυχείου, τις σήραγγες αποκομιδής, αεραγωγούς, χώρους θραύσης του υλικού και χώρους για υπόγεια συνεργεία. Κοινό τους χαρακτηριστικό είναι ότι η διάρκεια ζωής τους είναι παρόμοια με αυτή του μεταλλείου. Αντίθετα, οι διανοίξεις παραγωγής είχαν χρόνο λειτουργίας ίσο με τον χρόνο εξόρυξης του μεταλλεύματος. Τούτο γενικά ισχύει και σήμερα για στενά κοιτάσματα, όπου οι μέθοδοι υποστήριξης πλησίον του μετώπου παραγωγής διαφέρουν από αυτές που εφαρμόζονται στα μόνιμα ανοίγματα. Ωστόσο, πολλά μεγάλα μεταλλεία (Brady & Brown, 1985) χρησιμοποιούν τώρα μηχανοποιημένες μεθόδους εξόρυξης, στις οποίες οι θάλαμοι είναι δυνατό να είναι πολύ μεγάλοι και να έχουν διάρκεια λειτουργίας χρόνια αντί για εβδομάδες. Στις περιπτώσεις αυτές
2 οι χρησιμοποιούμενες τεχνικές της υποστήριξης και του οπλισμού μπορεί να έχουν πολλά κοινά με αυτές που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των μονίμων ανοιγμάτων των ορυχείων και των τεχνικών έργων. Ο σχεδιασμός των ορυχείων διακρίνεται χωρικά σε δύο κλίμακες (Hoek et al., 1995), ήτοι: στην κλίμακα του ευρύτερου ορυχείου, δηλ. κοίτασμα-πέτρωμα-υποδομή, όπου εξετάζονται η συνολική ευστάθειά του και η διατήρηση της δυνατότητας εκμετάλλευσης των όχι ακόμη εξορυχθέντων αποθεμάτων μεταλλεύματος, και στην τοπική κλίμακα, όπου εξετάζονται η προστασία των κυρίων ανοιγμάτων εξυπηρέτησης, και η ασφαλής πρόσβαση και λειτουργία των θέσεων παραγωγής. Κατά την εκμετάλλευση επιτρέπονται σημαντικές παραμορφώσεις, εφόσον δεν υπάρχει κίνδυνος από καταπτώσεις. 2 Μέτρα σταθεροποίησης της γεωμάζας Τα μέτρα που λαμβάνονται για την ασφαλή διέλευση μέσα από ένα υπόγειο άνοιγμα αλλά και για τη διατήρηση του σχήματός του αναφέρονται στη βιβλιογραφία με τον όρο υποστήριξη (π.χ. Οικονομόπουλος, 1989). Παρόμοιος είναι και ο όρος support που χρησιμοποιείται στην αντίστοιχη αγγλοσαξονική βιβλιογραφία (π.χ. Hoek et al., 1995). Ο όρος έχει ως πρώτο συνθετικό το λήμμα «υπό» (λατ. sub ), το οποίο δηλώνει την υποκάτωθεν στήριξη της οροφής (Δημητράκος, 1964), προκειμένου να προστατευθούν οι εργαζόμενοι και ο εξοπλισμός από καταπτώσεις ασταθών βραχωδών όγκων λόγω βαρύτητας. Ιστορικά πράγματι αυτός ήταν ο σκοπός της υποστήριξης όταν διανοιγόντουσαν υπόγεια ανοίγματα. Η επίτευξή της επιτυγχανόταν αρχικά με ξύλινους ορθοστάτες και αργότερα με μεταλλικούς ή από φορείς εκ σκυροδέματος. Η διαστασιολόγησή της επιδίωκε την εξασφάλιση της ανάληψης των υπερκείμενων φορτίων ή εφόσον απαιτείτο και των φορτίων λόγω διόγκωσης. Αντίθετα, κατά τις σύγχρονες τεχνικές διάνοιξης των πετρωμάτων επιδιώκεται η μεταφορά όσο το δυνατόν περισσότερου φορτίου μέσα από το πέτρωμα. Για τον λόγο αυτόν δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στη διατήρηση της αντοχής του πετρώματος και στη τριαξονικότητα της θλιπτικής του κατάστασης. Ο κίνδυνος αστοχίας της κατασκευής δεν βρίσκεται πλέον μόνο στις καταπτώσεις της οροφής, αλλά και στην αστάθεια του μετώπου, στις συγκλίσεις των παρειών και στην ανύψωση του δαπέδου. Ακριβολογώντας, δεν μπορεί, επομένως, να χρησιμοποιείται γενικά ο πολύ περιοριστικός λεκτικά όρος υποστήριξη (Σοφιανός, 1997), ο οποίος θα μπορούσε να διαφυλαχθεί για τις περιπτώσεις εκείνες που χρησιμοποιούνται δομικά στοιχεία που φέρουν μερικά ή ολικά το βάρος υπερκειμένων (Σχήμα 1-2α), όπως μεμονωμένων τεμαχών ή ζώνης χαλαρωμένου πετρώματος. Ο όρος αντιστήριξη (πρβ. τοίχοι αντιστήριξης), που υποδηλώνει τη στήριξη εξ αντιθέτου (Δημητράκος, 1964) είναι ευρύτερος και περιλαμβάνει φορείς που αναλαμβάνουν και οριζόντια φορτία (Σχήμα 1-2β) ή ωθήσεις πυθμένα. (α) Βάθρο υποστήριξης της γέφυρας «Χ. Τρικούπης» Σχήμα 1-2. Υποστήριξη και αντιστήριξη. (β) Τοίχος αντιστήριξης Η περιβάλλουσα τα υπόγεια ανοίγματα γεωμάζα (ground), που χαρακτηρίζεται κατά περίπτωση ως βράχος (rock) ή πέτρωμα (rock) ή βραχομάζα (rock mass) ή έδαφος (soil), δεν έχει συνήθως τη δυνατότητα να παραλαμβάνει σημαντικές εφελκυστικές ή διατμητικές δυνάμεις. Η αδυναμία αυτή, όπως και στο
3 σκυρόδεμα, αντιμετωπίζεται με τη χρήση χαλύβδινων γενικά ράβδων, που οπλίζουν (πρβ. οπλισμένη γη) το πέτρωμα αναλαμβάνοντας τις πιο πάνω δυνάμεις. Ο Stillborg (1994) τα συνδυασμένα μέτρα αντιστήριξης (support) και οπλισμού (reinforcement) του πετρώματος τα ονομάζει μέτρα σταθεροποίησης. Στα μέτρα αυτά εντούτοις θα πρέπει να περιληφθούν και τα μέτρα βελτίωσης της γεωμάζας με μεθόδους, όπως, αποστράγγισης, ενεμάτωσης (πρβ. τσιμεντενέσεις σταθεροποίησης), ψύξης, και αποτόνωσης. Ο όρος έλεγχος των πετρωμάτων (ground control) ή των στρωμάτων (strata control) που χρησιμοποιείται στα ανθρακωρυχεία (Brady & Brown, 1985) για την περιγραφή των τεχνικών της αντιστήριξης ή του οπλισμού, αποδίδει τον σκοπό των μέτρων με πληρέστερο τρόπο, καθόσον εμπεριέχει τις έννοιες του περιορισμού ή ελέγχου των μετακινήσεων κατά την εκμετάλλευση με επιμήκη μέτωπα. Πιο κάτω θα χρησιμοποιηθεί ο όρος στήριξη με την γενικότερη έννοια της αντιστήριξης και του οπλισμού, ενώ οι λοιποί όροι, όπως: Υποστήριξη, Αντιστήριξη, Οπλισμός ή Ενίσχυση, Σταθεροποίηση, Βελτίωση, θα χρησιμοποιούνται με την ακριβή τους σημασία. Τα μέτρα, με βάση τον χώρο τοποθέτησής τους, διακρίνονται σε εσωτερικά και σε εξωτερικά της γεωμάζας (Jeremic, 1987). Εσωτερικά είναι μέτρα όπως οι ηλώσεις και τα μέτρα βελτίωσης, ενώ εξωτερικά είναι μέτρα αντιστήριξης, όπως τα πλαίσια και η επένδυση. Τα μέτρα με βάση τις διαστάσεις δράσης τους διακρίνονται σε μέτρα κυρίως μονοδιάστατης δράσης όπως είναι οι ηλώσεις και οι ορθοστάτες, μέτρα διδιάστατης δράσης όπως είναι τα πλαίσια, και μέτρα τριδιάστατης δράσης, όπως είναι τα κελύφη από σκυρόδεμα. Τα μέτρα σταθεροποίησης ιστορικά διακρίνονταν, με βάση τη διάρκεια λειτουργίας τους, σε προσωρινά (temporary) και σε μόνιμα (permanent). Προσωρινή ονομαζόταν η από δομική ξυλεία αντιστήριξη επειδή αφαιρούνταν κατά την τοποθέτηση της μόνιμης η οποία συνήθως αποτελούνταν από αψιδολίθους. Στις σύγχρονες διανοίξεις, προσωρινή λειτουργία θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ότι έχουν οι χωρίς αντιδιαβρωτική προστασία ήλοι. Οικονομικοί λόγοι και σύγχρονες δυνατότητες επιβάλλουν όλο και περισσότερο τη μόνιμη λειτουργία των μέτρων. Ως εκ τούτου, η χρονική διάκριση σήμερα γίνεται μεταξύ άμεσων και τελικών μέτρων. Στα άμεσα μέτρα συνήθως συμπεριλαμβάνεται η επένδυση από εκτοξευόμενο σκυρόδεμα, ενώ στα τελικά μέτρα η επένδυση από έγχυτο σκυρόδεμα. Ο Πίνακας 1 περιέχει ταξινομημένα συνήθη μέτρα. Πίνακας 1. Ενδεικτικά μέτρα σταθεροποίησης. 1 2 3 4 5 6 Εξωτερικά μέτρα Εσωτερικά μέτρα Στήριξη Βελτίωση Υποστήριξη ή Αντιστήριξη Προένταση Οπλισμός Αντιστήριξη Μονοδιάστατα Διδιάστατα Τριδιάστατα Μονοδιάστατα Τριδιάστατα Ορθοστάτες Αντηρίδες Χαλύβδινα πλαίσια Κέλυφος επένδυσης Αγκύρια, Τένοντες Ήλοι, Βλήτρα Ενέσεις Ψύξη Τα μέτρα, με βάση τον τρόπο ενεργοποίησής τους, διακρίνονται σε ενεργητικά και σε παθητικά. Η ενεργητική στήριξη εφαρμόζει ένα συγκεκριμένο φορτίο κατά τον χρόνο της εφαρμογής της. Παραδείγματα είναι τα τανυμένα αγκύρια και οι διαστελλόμενες επενδύσεις, που χρησιμοποιούνται για να στηρίξουν ήδη χαλαρωμένες μάζες. Η παθητική στήριξη ή οπλισμός αναπτύσσει φορτίο συμπαρασυρόμενη σε μετατόπιση από τη βραχομάζα που βρίσκεται σε επαφή. Τέτοια υποστήριξη προσφέρεται συνήθως από μέτρα, όπως: επενδύσεις σκυροδέματος, ξύλινα υποστυλώματα, και ήλοι πλήρους συνάφειας. Όροι όπως, προόπλιση, προενίσχυση, προϋποστήριξη υποδηλώνουν τη δράση των μέτρων πριν ακόμη πραγματοποιηθεί η εκσκαφή στον χώρο δράσης τους. Εκτός από την επιλογή των κατάλληλων μέτρων σταθεροποίησης, η εξασφάλιση των υπογείων ανοιγμάτων μπορεί να υποβοηθηθεί με κατάλληλη επιλογή, του μεγέθους, του σχήματος και της διεύθυνσης της εκσκαφής, της αλληλουχίας των φάσεων εξόρυξης, και της εφαρμοζόμενης μεθόδου των ανατινάξεων. 3 Στατική λειτουργία Με την εξόρυξη του υλικού της διατομής, αλλάζει η μορφή (Harrison & Hudson, 2000) του σχηματισμού. Τούτο έχει ως αποτέλεσμα να: (α) Μηδενίζεται η αντίσταση κάθετα στο τοίχωμα της εκσκαφής, επειδή αφαιρείται το εντεταμένο πέτρωμα, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται μετατοπίσεις και καταπτώσεις από το περιβάλλον πέτρωμα προς το άνοιγμα.
4 (β) Μην υπάρχει διατμητική τάση στην αστήρικτη επιφάνεια εκσκαφής και ως εκ τούτου το όριο εκσκαφής θα είναι ένα κύριο επίπεδο τάσης με μια από τις κύριες τάσεις να είναι μηδενικού μεγέθους και κάθετη στην επιφάνεια. Γενικά, θα συμβαίνει μία σημαντική διαταραχή του προϋπάρχοντος εντατικού πεδίου, τόσο στα μεγέθη των κυρίων τάσεων, όσο και στους προσανατολισμούς τους. (γ) Βρίσκεται υπό ατμοσφαιρική πίεση το άνοιγμα. Η όποια προηγούμενη πίεση του νερού στη βραχομάζα θα μειωθεί στην περιφέρεια της εκσκαφής στην ατμοσφαιρική. Τούτο εξαναγκάζει την εκσκαφή να λειτουργεί ως συλλεκτήρας (καταβόθρα), και οποιοδήποτε νερό μέσα στη βραχομάζα θα τείνει να ρεύσει προς την εκσκαφή. Όσον αφορά τις μετατοπίσεις, υπάρχει η επιλογή να τους επιτραπεί να συμβούν ή να παρεμποδιστούν με κάποια μέθοδο σταθεροποίησης. Σημασία επομένως έχει η εκτίμηση της αναμενόμενης μετατόπισης του πετρώματος και του μέγιστου ανεκτού μεγέθους της. Οι μετατοπίσεις συνδέονται είτε με τεμάχη βράχου που κινούνται προς την εκσκαφή είτε με την ελαστική παραμόρφωση της όλης μάζας του πετρώματος ή και με τη διαρροή της. Οι τρεις παραπάνω μηχανισμοί είναι δυνατόν να συμβαίνουν ταυτόχρονα και η μέθοδος σταθεροποίησης θα πρέπει να αποφασίζεται αφού αυτοί γίνουν πρώτα κατανοητοί. Η σημαντικότερη συνέπεια της διαταραχής του εντατικού πεδίου, είναι η διαρροή του πετρώματος εξαιτίας του αυξημένου μεγέθους της αποκλίνουσας τάσης. Η αύξησή της προκύπτει από την αλλαγή στο μέγεθος της μέγιστης και ελάχιστης κύριας τάσης, με αποτέλεσμα η αρχική τριαξονική κατάσταση να μετατρέπεται ουσιαστικά σε μονοαξονική. Η τρίτη επίδραση, αυτή της αύξησης της ροής του νερού, είναι σημαντική επειδή η αύξηση της υδραυλικής κλίσης μέσα στη βραχομάζα θα τείνει να ωθήσει τεμάχη πετρώματος προς την εκσκαφή. Εκτός αυτού, η αύξηση της ροής του νερού, αυξάνει και τον κίνδυνο διάβρωσης, απόπλυσης, και αποσύνθεσης του πετρώματος. Οι τεχνικές που θα πρέπει να εφαρμοστούν προκειμένου να αντιμετωπισθτύν τα τρία βασικά αποτελέσματα της εκσκαφής δεν θα πρέπει να στοχεύουν στην εκμηδένισή τους (π.χ. με την εγκατάσταση ισχυρής στήριξης και υδραυλικής σφράγισης ολόκληρης εκσκαφής), αλλά στον έλεγχό τους αφού πρώτα κατανοηθεί η μηχανική συμπεριφορά του πετρώματος. Στις μετατοπίσεις μπορεί να επιτραπεί να αναπτυχθούν πλήρως ή να ελεγχθούν αργότερα. Ομοίως, η μορφή της εκσκαφής δύναται να σχεδιασθεί κατάλληλα ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι προκαλούμενες αποκλίνουσες τάσεις. Τέλος, η ροή του νερού προς την εκσκαφή μπορεί να ελεγχθεί σύμφωνα με τον στόχο, που άλλοτε είναι η ελεγχόμενη στράγγιση του περιβάλλοντος πετρώματος και άλλοτε η πλήρης στεγανοποίηση της επιφάνειας εκσκαφής. Τα πετρώματα διακρίνονται σύμφωνα με τη συμπεριφορά τους σε δύο κατηγορίες, σε αυτά που ελέγχονται από τη δομική αστάθεια και σε αυτά που ελέγχονται από το εντατικό πεδίο. Στα πρώτα είναι οι ασυνέχειες που διέπουν τη συμπεριφορά, ενώ στα δεύτερα τη διέπει η σχέση της έντασης των τάσεων με την αντοχή της βραχομάζας, δηλαδή η υπερφόρτισή της. Η πρωτογενής αστοχία στα πρώτα εμφανίζεται ως αποκόλληση τεμαχών, ενώ στα δεύτερα ως παραμόρφωση ή θραύση. Μακροσκοπικά, τα πρώτα συμπεριφέρονται ως ασυνεχή μέσα, ενώ τα δεύτερα ως συνεχή. Επομένως, για την ανάλυση της συμπεριφοράς της βραχομάζας, κατά την εξόρυξή της, αυτή δύναται να θεωρηθεί είτε ως συνεχής είτε ως ασυνεχής. Η ενίσχυση σε ασυνεχή βραχομάζα επιδιώκει εκτός της βελτίωσης των δομικών ιδιοτήτων του πετρώματος, και την αποφυγή μεγάλων μετατοπίσεων τεμαχών. Αντικείμενο της διερεύνησης είναι αν πράγματι απαιτείται ενίσχυση, και εφόσον απαιτείται, η εκτίμηση πχ. του βέλτιστου μήκους, του προσανατολισμού και της τάνυσης των ηλώσεων. Στην πράξη, όταν τοποθετούνται ήλοι σε μια ασυνεχή βραχομάζα, η επιφάνεια του βράχου καλύπτεται συχνά με ψεκασμένο σκυρόδεμα οπλισμένο με πλέγμα. Σκοπός του είναι η δημιουργία ενός δύσκαμπτου επιστρώματος που εμποδίζει τις τοπικές περιστροφές και μετακινήσεις των τεμαχών. Πριν από την περιστροφή, οι δυνάμεις μπορούν να διαβιβαστούν πλήρως μέσα από τις διεπιφάνειες, μετά όμως από μία έστω πολύ μικρή περιστροφή, αυτές οι δυνάμεις συγκεντρώνονται στις ακμές ή κορυφές των τεμαχών, με αποτέλεσμα να αναπτύσσονται τοπικά πολύ υψηλές τάσεις. Η ακολουθία τέτοιων περιστροφών οδηγεί στην προοδευτική αστοχία της ασυνεχούς βραχομάζας και στην κατάρρευση του υπόγειου ανοίγματος. Εφόσον δεν υφίσταται κίνδυνος μετατόπισης μεμονωμένων τεμαχών σημαντικού μεγέθους, η βραχομάζα δύναται να ελεγχθεί ως συνεχές υλικό με ιδιότητες μειωμένες (ή μη) ως προς το άρρηκτο πέτρωμα. Στους επίγειους φορείς, όπως κτίρια ή γέφυρες, η φόρτισή τους θεωρείται ανεξάρτητη από την υποχώρησή τους. Στις εδαφικές κατασκευές εντούτοις, μια τέτοια θεώρηση είναι γενικά αδικαιολόγητη, καθόσον παραγνωρίζει τη δυνατότητα ανάληψης φορτίου από το φορτίζον έδαφος. Στους τοίχους αντιστήριξης για παράδειγμα, η φόρτιση με την ουδέτερη ώθηση του εδάφους θα φόρτιζε
5 αδικαιολόγητα τον τοίχο με φορτίο που θα μπορούσε να αναληφθεί από την ενεργοποίηση του εδάφους κατά την (επιτρεπόμενη) μετατόπιση του τοίχου. Στα υπόγεια έργα η αποδοχή μίας τέτοιας διάδρασης, λόγω της μεγαλύτερης υπερστατικότητας του φορέα στήριξη-γεωμάζα, είναι ακόμη πιο αποτελεσματική στη μείωση της φόρτισης των μέτρων. Τη χρησιμοποίηση της αντοχής του πετρώματος μετά τη διαρροή του, εκμεταλλεύονταν στα γερμανικά ανθρακωρυχεία εφαρμόζοντας, χωρίς σημαντικό θεωρητικό υπόβαθρο, με υποχωρούντες ορθοστάτες Nellen ήδη από τις αρχές του 20 ου αιώνα. Η θεωρητική τεκμηρίωση της διάδρασης μεταξύ μη ψαθυρού πετρώματος και υποστήριξης παρουσιάσθηκε με τη μορφή των χαρακτηριστικών καμπύλων το 1960. Βασικό στοιχείο της σύλληψης είναι η δυνατότητα χρησιμοποίησης της παραμένουσας αντοχής του πετρώματος, μετά τη διαρροή του, επ ωφελεία της οικονομικής εκτέλεσης του έργου. Η υποστήριξη πρέπει επομένως να έχει βασικό σκοπό την ενεργοποίηση και συντήρηση της αντοχής του πετρώματος με την αύξηση του πλευρικού περιορισμού έτσι ώστε να καταστεί αυτό μερικώς ή ολικώς αυτοφερόμενο, και μικρότερο αυτόν της ανάληψης των κλασικών φορτίων υποστήριξης. Τον περιορισμό του πετρώματος επιτυγχάνουν πολύ αποτελεσματικά η επένδυση των παρειών του υπόγειου ανοίγματος με σκυρόδεμα και η ήλωση του πετρώματος, τεχνικές που αναπτύχθηκαν μέσα στον 20 ο αιώνα. Κατά την ανάλυση της διάδρασης των μέτρων σταθεροποίησης με το πέτρωμα είναι απαραίτητη η γνώση του βαθμού αντίστασης τους στην παραμόρφωση. Όροι, όπως δυσκαμψία ή δυστένεια ή δυστμησία, δεν είναι γενικοί, αλλά αφορούν ειδικά την αντίσταση γραμμικού φορέα στην κάμψη ή στην αξονική δύναμη ή στην τέμνουσα, αντίστοιχα. Γενικότερος επιτυχημένος όρος είναι η δυστροπία (Γκαζέτας, 1988), που χαρακτηρίζει την αντίσταση στην τροπή 1 και συμπεριλαμβάνει τους παραπάνω ειδικότερους όρους. 4 Μελέτη Η μελέτη ενός υπόγειου έργου, τεχνικού ή μεταλλευτικού, αποσκοπεί στη λειτουργική, οικονομική, ασφαλή, και περιβαλλοντικά αποδεκτή κατασκευή. Αυτή επαναλαμβάνεται σε στάδια, ακολουθώντας την ανάπτυξη του έργου και αξιοποιώντας την εκάστοτε διατιθέμενη πληροφορία. Εντούτοις, τα βασικά βήματα που εμπλέκονται στη μελέτη της υποστήριξης παραμένουν αμετάβλητα σε κάθε στάδιο. Αφού συλλεχθούν τα γεωλογικά στοιχεία και χαρακτηριστεί και ταξινομηθεί η γεωμάζα, η μελέτη ακολουθεί διακριτή πορεία σύμφωνα με τη δομή της βραχομάζας, ήτοι πραγματοποιώντας: (α) ελέγχους δομικής αστάθειας τεμαχών ασυνεχούς πετρώματος λόγω βαρύτητας ή (β) ελέγχους συνεχούς μέσου της γεωμάζας για αστοχία λόγω υψηλής τάσης υποβοηθούμενης από τη βαρύτητα. Στην πρώτη περίπτωση αποτιμώνται αρχικά οι κινηματικά δυνατοί τύποι αστοχίας, στη συνέχεια καθορίζεται η διατμητική αντοχή στις δυνατόν να αστοχήσουν επιφάνειες, υπολογίζεται ο συντελεστής ασφαλείας ή η επικινδυνότητα των δυνατών αστοχιών και τέλος προσδιορίζονται οι απαιτήσεις της υποστήριξης. Στη δεύτερη περίπτωση προσδιορίζονται το επιτόπου εντατικό πεδίο στο περιβάλλον πέτρωμα, καθορίζονται οι ιδιότητες της βραχομάζας, υπολογίζονται οι ζώνες υπερφόρτισης γύρω από την εκσκαφή και πραγματοποιείται μη γραμμική ανάλυσης διάδρασης γεωμάζαςστήριξης για τον υπολογισμό της τελευταίας. Κατά τη μελέτη λαμβάνονται υπόψη η επίδραση των ανατινάξεων, η ακολουθία των εκσκαφών, η διαθεσιμότητα των υλικών και η οικονομικότητα της λύσης. Στη μελέτη προβλέπεται πλήρης ποιοτικός έλεγχος, ώστε να εξασφαλίζονται το σωστό μήκος των ήλων, η τάνυση και η ενεμάτωσή τους, η αποτελεσματική εκτόξευση του σκυροδέματος της επένδυσης, και η ορθή τοποθέτηση των χαλύβδινων πλαισίων όπου απαιτούνται. Τέλος, δίνονται οδηγίες για την παρακολούθηση της συμπεριφοράς της εκσκαφής και της υποστήριξης ώστε να επιβεβαιώνεται η μελέτη και να δίνεται η δυνατότητα αλλαγών σε επόμενες μελέτες. Η επάρκεια των μέτρων, αντίστοιχα με άλλων φορέων ανωδομών, δύναται να ελέγχεται για καταστάσεις Λειτουργίας, Διαρροής ή έσχατης Αστοχίας. Διακρίνονται δύο κύρια στάδια μελέτης, ένα πριν από την κατασκευή, και ένα κατά την κατασκευή, που δύνανται να υποδιακριθούν περαιτέρω. Η διατιθέμενη πληροφορία αυξάνει σε κάθε επόμενο στάδιο, και ως εκ τούτου και η μελέτη δύναται αντίστοιχα να εκπονείται λεπτομερέστερα. Η έλλειψη πληροφοριών στα πρώτα στάδια σχεδιασμού και ανάπτυξης ενός ορυχείου ή τεχνικού έργου, σημαίνει ότι ορισμένα από τα βήματα της μελέτης μπορεί να πρέπει να παραλειφθούν ή να βασιστούν σε πρόχειρες εκτιμήσεις, όπως της τεκτονικής, του εντατικού πεδίου, και της αντοχής της βραχομάζας. Πριν από την κατασκευή, κατά τη διάρκεια του σταδίου της προκαταρκτικής μελέτης ενός ορυχείου ή ενός τεχνικού έργου, η ποσότητα των πληροφοριών, η οποία είναι διαθέσιμη, περιορίζεται συνήθως σε ότι λαμβάνεται από τοπικούς γεωλογικούς χάρτες, γεωφυσικές μελέτες, επιφανειακή χαρτογράφηση και διερευνητικές γεωτρήσεις. Οι διαθέσιμες πληροφορίες από τις γεωτρήσεις περιορίζονται σε τύπους 1 Εκ του τρέπω. Τροπή=Strain=Ανηγμένη παραμόρφωση - Μυλωνάς, 1986.
6 πετρωμάτων και περιεκτικότητα μεταλλευμάτων. Κατά συνέπεια, διαμορφώνεται μία αδρή ταξινόμηση της βραχομάζας στην οποία βασίζονται προκαταρκτικές εκτιμήσεις στήριξης και εκτίμησης του κόστους της. Από τη στιγμή εκτίμησης ότι το κοίτασμα μπορεί να εξορυχτεί επικερδώς με συγκεκριμένη μέθοδο εκμετάλλευσης ή ότι το έργο μπορεί να εκτελεστεί επιτυχώς εντός αποδεκτού προϋπολογισμού, ξεκινάει το στάδιο οριστικής μελέτης που στην περίπτωση ορυχείου περιλαμβάνει συνήθως τη όρυξη διερευνητικού φρέατος, εάν το μετάλλευμα είναι αβαθές, κεκλιμένης ράμπας και διερευνητικών στοών, ή ευρύτερης γεωτεχνικής έρευνας εφόσον το έργο είναι τεχνικό. Στη συνέχεια πραγματοποιούνται γεωλογική χαρτογράφηση στα διερευνητικά ανοίγματα, εργαστηριακές δοκιμές σε πυρήνες από τα δείγματα των γεωτρήσεων, μέτρηση ή εκτίμηση των επί τόπου τάσεων, και παρατηρήσεις αστοχίας της βραχομάζας. Από τις πληροφορίες αυτές ταξινομείται η βραχομάζα και διαμορφώνονται αριθμητικά προσομοιώματα, για τη προκαταρκτική ανάλυση της αστάθειας γύρω από τυπικά ανοίγματα. Η εκτίμηση των απαιτήσεων στήριξης για μόνιμα ανοίγματα είναι πιο συντηρητικές από εκείνες για τη στήριξη σε ανοίγματα παραγωγής. Κατά την κατασκευή, στα πρώτα χρόνια εξόρυξης στα μεταλλεία, επικεντρώνονται στα μόνιμα ανοίγματα του ορυχείου, όπως, φρέατα, στοές μεταφοράς, ράμπες, λούκια, θάλαμοι θραυστήρα, γκαράζ, ηλεκτρικοί υποσταθμοί και καταφύγια. Για αυτές τις εκσκαφές απαιτείται υψηλός βαθμός ασφάλειας για μεγάλη διάρκεια, και για αυτό ο σχεδιασμός τους είναι παρόμοιος με των υπόγειων τεχνικών έργων. Παρ όλα αυτά τα ανοίγματα των ορυχείων μπορεί να υφίστανται μεγάλες παραμορφώσεις, ως αποτέλεσμα της μεταβαλλόμενης εντατικής κατάστασης που προκαλείται από την προοδευτική εξόρυξη. Γενικά, ο σχεδιασμός της στήριξης για αυτά τα μόνιμα ανοίγματα τείνει να είναι συντηρητικός, καθόσον καταπτώσεις λόγω απρόβλεπτων συνθηκών μπορεί να διαταράξουν τη λειτουργία του ορυχείου και η αποκατάστασή τους να είναι δύσκολη και δαπανηρή. Σε αυτό το στάδιο της ανάπτυξης του ορυχείου, τα μέτωπα παραγωγής γενικά είναι σχετικώς μικρά και απομονωμένα και με λίγη στήριξη θα είναι δυνατή η διατήρηση της ασφάλειας και η ελαχιστοποίηση της αραίωσης. Τα επόμενα χρόνια ωρίμανσης η εξόρυξη αφορά μέτωπα σημαντικού μεγέθους και απόληψη στύλων, των οποίων τα προβλήματα σχεδιασμού της στήριξης τείνουν να είναι σοβαρά. Το σύνολο της εμπειρίας που αποκτήθηκε κατά τα προηγούμενα χρόνια χρησιμοποιείται, ώστε να σχεδιαστούν συστήματα υποστήριξης που θα συνεχίσουν να παρέχουν ασφαλή πρόσβαση και ελαχιστοποίηση της αραίωσης. Ανάλογα με την φύση και την κλίμακα της δυνητικής αστάθειας, η υποστήριξη μπορεί να είναι παρόμοια με εκείνη που χρησιμοποιήθηκε νωρίτερα, ή να εφαρμοστεί διαφορετική. Σε αυτή τη φάση είναι δικαιολογημένη η χρήση μιας πιο εξελιγμένης τεχνικής σχεδιασμού της στήριξης, που θα λαμβάνει υπόψη της τα αποτελέσματα των παρατηρήσεων και μετρήσεων παραμόρφωσης των ανοιγμάτων, τις τυχόν αστοχίες της βραχομάζας, την επιτελεστικότητα της στήριξης και τις μεταβολές του εντατικού πεδίου. 5 Σκοπός του βιβλίου Σκοπός του βιβλίου αυτού είναι να δώσει στον φοιτητή ή μηχανικό τις βασικές γνώσεις για τα μέτρα άμεσης σταθεροποίησης που χρησιμοποιούνται κατά τη διάνοιξη των υπογείων έργων, καθώς και για τις υπολογιστικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται για τη διαστασιολόγησή τους. Στα πρώτα 4 κεφάλαια αναπτύσσονται τα τέσσερα βασικά μέτρα άμεσης στήριξης του πετρώματος που βρίσκουν ευρεία χρήση στη συμβατική κατασκευή τόσον διαμηκών όσον και χωρικών υπογείων ανοιγμάτων. Αυτά είναι τα μικρού και μεγάλου μήκους εσωτερικά στοιχεία στήριξης όπως οι ηλώσεις-και τα στοιχεία προπορείας, τα χαλύβδινα πλαίσια, και οι επενδύσεις από εκτοξευμένο σκυρόδεμα. Τα κεφάλαια 5 και 6 αναφέρονται στη συμπεριφορά του πετρώματος θεωρουμένου ως ασυνεχούς μέσου, που αφορά δύο χαρακτηριστικές περιπτώσεις αντίστοιχα, ήτοι αφενός τα μεμονωμένα τεμάχη που σχηματίζονται από συνδυαζόμενα συστήματα διακλάσεων σε ογκοτεμαχισμένα πετρώματα, και αφετέρου τα επίπεδα στρώματα που σχηματίζονται από τις διακριτές παράλληλες στρώσεις που υπάρχουν συνήθως στα ιζηματογενή πετρώματα. Στα κεφάλαια 7 έως 10 αναπτύσσονται οι μέθοδοι ανάλυσης της μηχανικής συμπεριφοράς του πετρώματος και της στήριξής του, θεωρουμένου μακροσκοπικά ως συνεχούς μέσου. Αναπτύσσονται τρεις τέτοιες χαρακτηριστικές συμπεριφορές των πετρωμάτων που περιβάλλουν επιμήκη υπόγεια ανοίγματα, ήτοι η ελαστική, η ελαστοπλαστική και η διαχρονική ιξωδοελαστική. Στις περιπτώσεις αυτές δίνονται στοιχεία για τον ποσοτικό υπολογισμό της απαιτούμενης στήριξης, λαμβάνοντας υπόψη ότι κατά τον σχεδιασμό της διάνοιξης ενός υπόγειου έργου, αφενός μεν η ύπαρξη μίας ζώνης διαρροής του πετρώματος στην περιφέρεια της εκσκαφής είναι επιτρεπτή, αφετέρου δε ότι το βασικό πρόβλημα κατά τη διάνοιξη ενός υπόγειου έργου δεν είναι κατ ανάγκην η αποφυγή της υπερφόρτισης του πετρώματος, αλλά η εξασφάλιση ότι δε θα συμβούν
7 μεγάλες και ανεξέλεγκτες μετακινήσεις της παρειάς της εκσκαφής. Το τελευταίο μπορούμε να το εξασφαλίσουμε δίνοντας προσοχή στο σχήμα και στη μέθοδο της εκσκαφής, καθώς και με την εφαρμογή μέτρων οπλισμού και αντιστήριξης. Άρα, το γενικό πρόβλημα της διάνοιξης του υπόγειου έργου τίθεται με ερωτήματα για τη θέση και το σχήμα της εκσκαφής, καθώς και για την ανάπτυξη των φάσεων της εκσκαφής και της υποστήριξης. Τέλος, στα κεφάλαια 11 έως 13 αναπτύσσονται τα μέτρα σταθεροποίησης με τις μεθόδους διαστασιολόγησής τους, που χρησιμοποιούνται κατά βάση στα μέτωπα τριών συνήθων υπογείων εκμεταλλεύσεων. Είναι η φυσική υποστήριξη του πετρώματος για εκμετάλλευση κοιτασμάτων με θαλάμους και στύλους, η τεχνητή υποστήριξη με γόμωση των κενών για εκμετάλλευση με εναλλασσόμενες κοπές και γομώσεις, και η υποστήριξη με ορθοστάτες και δοκούς για εκμετάλλευση με επιμήκη μέτωπα. Πρόσθετα στοιχεία, όπως πίνακες που αφορούν τα μέτρα στήριξης, τις μονάδες μέτρησης και τις σχέσεις μεταξύ τους, τα ειδικά βάρη υλικών, δίκτυα προβολών, ένα συνοπτικό ελληνοαγγλικό λεξικό όρων, και ευρετήριο, θα βρει ο αναγνώστης στο παράρτημα που παρατίθεται. Βιβλιογραφία/Αναφορές Brady BHG and Brown ET (1985). Rock Mechanics for Underground Mining, Allen & Unwin. Γκαζέτας Γ (1988). «Σκέψεις για μία πιο ορθολογημένη ελληνική γεωτεχνική ορολογία», Πρακτικά πρώτου πανελλήνιου συνεδρίου γεωτεχνικής μηχανικής, Τ.Ε.Ε., 3, 73-76. Δημητράκος Δ (1964). Μέγα λεξικόν όλης της Ελληνικής γλώσσης, Εκδ. Οίκος Ν Ασημακόπουλος & Σια, Αθήνα. Hoek E, Kaizer PK & Bawden WF (1995). Support of underground excavations in hard rock, Balkema. Harrison JP and Hudson JA (2000). Engineering Rock Mechanics, Part 2: Illustrative worked examples, ch. 15, Pergamon. Jeremic ML (1987). Ground mechanics in hard rock mining, Balkema. Μυλωνάς ΚΜ (1986). Μηχανική παραμορφωτών σωμάτων, Ι, 3 η έκδοση, Αθήνα. Οικονομόπουλος ΙΝ (1989). Εκμετάλλευσις Μεταλλείων - Υποστήριξις, Ε.Μ.Π. Σοφιανός ΑΙ (1997). «Για κάποιους πιο αντιπροσωπευτικούς βασικούς όρους των μέτρων υποστήριξης υπογείων εκσκαφών», Πρακτικά 3ου Πανελλήνιου Συνεδρίου Γεωτεχνικής Μηχανικής, Τόμος 2, σελ. 417-23. Stillborg B (1994). Professional users handbook for rock bolting. Trans Tech Publications.