Διερεύνηση της ευστάθειας του μετώπου εκσκαφής σηράγγων μεγάλου βάθους

Abstract

In the present thesis the face behaviour of deep tunnels (where the overburden is greater than 2 to 3 times the tunnel diameter so as the loading vault is fully developed over the tunnel crown) is investigated in order to: a) Explore under which circumstances the reinforcement of tunnel face is required and define quantitatively this reinforcement in each case. b) Investigate methods to determine essential mechanical properties of the rock mass (e.g. deformation modulus E, geological strength index GSI) in front of the excavation face based on instrumental measurements of the face extrusion. γ) Provide nomograms for estimating the deconfinement ratio λ = 1 — (p / p₀) ≤1, where p is the equivalent pressure which corresponds to the location of the temporary support measures and p₀ is the initial field stress) which is an important tool for 2- D analyses in order to take into account the third dimension. An extensive 3-D parametric numerical analysis of tunnel excavation (approximately 700 3-D models) was performed with varying rockmass properties, depth of overburden and tunnel diameter with or without temporary support measures (shotcrete) and with or without face reinforcement (fibre-glass nails, forepoles). All the analyses were performed using FLAC30 software of Itasca Consulting Group, Inc. Once the parametric study was completed, a comparison between analytical predictions and facts from real tunnels was carried out. These facts involved either extrusion measurements (Raticosa, Osteria and St. Martin tunnels in Italy) or instability of the tunnel face (Platamonas and Kallidromo tunnels in Greece). The comparison demonstrated a remarkable correspondance between real facts and analytical predictions. It is noted that the extrusion measurements from tunnels in Italy were kindly provided by Mr. Giovanni Barla, Professor of Politecnico di Torino. […]

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνάται η συμπεριφορά (δηλαδή η παραμόρφωση και ευστάθεια) του μετώπου εκσκαφής σηράγγων μεγάλου βάθους δηλαδή σηράγγων σε βάθη μεγαλύτερα των 2 έως 3 διαμέτρων της σήραγγας). Στις σήραγγες αυτές αναπτύσσεται πλήρως ο «θόλος» των φορτίων πάνω από τη στέψη και συνεπώς η συμπεριφορά της σήραγγας πρακτικώς δεν εξαρτάται από την παρουσία της επιφάνειας του εδάφους (ως ασυνέχειας του εδαφικού πεδίου που περιβάλλει τη σήραγγα). Αντιθέτως, στις αβαθείς σήραγγες, λόγω ατελούς ανάπτυξης του «θόλου», η συμπεριφορά κατά τη διάνοιξη και υποστήριξη εξαρτάται και από τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας του εδάφους. Η διερεύνηση της συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής σε σήραγγες μεγάλου βάθους έχει τους εξής σκοπούς: α) Να προσδιορισθούν οι κύριες παράμετροι που καθορίζουν τις συνθήκες ευστάθειας του μετώπου εκσκαφής και οι τιμές τους που τη διασφαλίζουν (με υπολογισμό του αντίστοιχου συντελεστή ευστάθειας). Σε περιπτώσεις αστάθειας του μετώπου, γίνεται ποσοτικός προσδιορισμός των απαιτούμενων μέτρων ενίσχυσης (αγκυρίων μετώπου και δοκών προπορείας), προκειμένου να διασφαλισθεί η ευστάθεια του μετώπου. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων (χωρίς και με ενίσχυση του μετώπου εκσκαφής) παρουσιάζονται μέσω αδιάστατων νομογραφημάτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προκαταρκτικό σχεδίασμά των μέτρων ενίσχυσης του μετώπου σηράγγων μεγάλου βάθους. Με βάση τα νομογραφήματα αυτά μπορεί να εκτιμηθεί ο συντελεστής ευστάθειας του μετώπου εκσκαφής και, σε περίπτωση αστάθειας, να προσδιορισθούν τα απαιτούμενα μέτρα ενίσχυσης του μετώπου προκειμένου να διασφαλισθεί συγκεκριμένος συντελεστής ευστάθειας του μετώπου. β) Να αναπτυχθεί μέθοδος προσδιορισμού των κρίσιμων εδαφικών χαρακτηριστικών (π.χ. μέτρο παραμορφωσιμότητας Ε, δείκτης γεωλογικής αντοχής GSI) μπροστά από το μέτωπο εκσκαφής, με βάση ενόργανες μετρήσεις της έκθλιψης, δηλαδή της αξονικής μετακίνησης σημείων κατά μήκος του άξονα της σήραγγας. Ο προσδιορισμός αυτών των παραμέτρων είναι απαραίτητος στην έγκαιρη πρόβλεψη της συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής (δηλαδή εάν το μέτωπο θα είναι ευσταθές ή ασταθές), την έγκαιρη εφαρμογή μέτρων ενίσχυσης του μετώπου (σε περίπτωση αναμενόμενης αστάθειας) αλλά και στην απόφαση εφαρμογής των κατάλληλων μέτρων άμεσης υποστήριξης της διατομής της σήραγγας. Σημειώνεται ότι η εναλλακτική χρήση μετρήσεων της σύγκλισης του τοιχώματος της σήραγγας για το σκοπό αυτό έχει πολύ σημαντικά μειονεκτήματα : οι μετρήσεις της σύγκλισης του τοιχώματος γίνονται μετά την τοποθέτηση των μέτρων άμεσης υποστήριξης και συνεπώς επηρεάζονται σημαντικά από τη δυσκαμψία των μέτρων υποστήριξης και, επιπλέον, ένα μεγάλο ποσοστό της σύγκλισης συμβαίνει πριν από την τοποθέτηση των μαρτύρων και συνεπώς δε μετράται. Αντιθέτως, η μέτρηση της έκθλιψης του μετώπου δεν παρουσιάζει αντίστοιχα μειονεκτήματα. γ) Να παραχθούν νομογραφήματα για την εκτίμηση του βαθμού αποτόνωσης (λ) στην περιοχή του μετώπου εκσκαφής, κατά μήκος του άξονα (x) της σήραγγας, σε περιπτώσεις σηράγγων χωρίς και με μέτρα ενίσχυσης του μετώπου. Ο βαθμός αποτόνωσης (λ) ορίζεται από τη σχέση λ = 1 — (p / p₀) ≤1, όπου p₀ είναι η μέση γεωστατική τάση στον άξονα της σήραγγας και p είναι μια πλασματική εσωτερική πίεση στο εσωρράχιο της σήραγγας (συνάρτηση της θέσης x επί του άξονα της σήραγγας) που ισοδυναμεί (ως προς τη σύγκλιση της διατομής) με την επιρροή του μετώπου εκσκαφής. Η εκτίμηση της μεταβολής του βαθμού αποτόνωσης κατά μήκος του άξονα της σήραγγας αποτελεί ένα σημαντικό εργαλείο στη συνήθη πρακτική της δισδιάστατης ανάλυσης σηράγγων προκειμένου να ληφθεί υπόψη η επιρροή της τρίτης διάστασης (του άξονα της σήραγγας), δηλαδή η επιρροή του μετώπου εκσκαφής. Και οι τρεις ανωτέρω στόχοι παρουσιάζουν σημαντική πρακτική χρησιμότητα αφού η ευστάθεια του μετώπου: • Αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα στη μελέτη και κατασκευή σηράγγων (το μεγαλύτερο ποσοστό των αστοχιών σηράγγων σχετίζεται με αστάθεια του μετώπου εκσκαφής). • Σήμερα αντιμετωπίζεται με εμπειρικό τρόπο (π.χ. με χρήση προκαθορισμένων κινηματικά αποδεκτών μηχανισμών αστοχίας στους οποίους δε λαμβάνεται υπόψη η παραμόρφωση του μετώπου) κυρίως λόγω της πολυπλοκότητας της συμπεριφοράς του μετώπου και των απαιτούμενων τρισδιάστατων μη-γραμμικών αναλύσεων. Για την επίτευξη των παραπάνω στόχων, πραγματοποιήθηκε ένας μεγάλος αριθμός τρισδιάστατων, μη-γραμμικών αναλύσεων της διάνοιξης σηράγγων κυκλικής διατομής (περίπου 700 αναλύσεις), με ποικίλα μηχανικά χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος γεωυλικού θεωρώντας ελαστο-πλαστική συμπεριφορά και αστοχία κατά το κριτήριο Mohr- Coulomb (με ισοδυναμία των παραμενουσών παραμέτρων διατμητικής αντοχής του κριτηρίου Mohr-Coulomb με τις παραμέτρους του κριτηρίου Hoek-Brown), ποικίλα βάθη σήραγγας και διαμέτρους της διατομής εκσκαφής. Οι αριθμητικές αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν με το λογισμικό FLAC3D της εταιρείας Itasca Consulting Group, Inc. Εξετάστηκαν περιπτώσεις με ή χωρίς προσωρινή υποστήριξη της διατομής της σήραγγας καθώς και με ή χωρίς μέτρα ενίσχυσης του μετώπου εκσκαφής. Για την υποστήριξη της διατομής της σήραγγας, απλοποιητικά χρησιμοποιήθηκε ενίσχυση με κέλυφος από εκτοξευόμενο σκυρόδεμα (σε διάφορες αποστάσεις από το μέτωπο εκσκαφής) αφού αποδείχθηκε ότι τα μέτρα άμεσης υποστήριξης της διατομής της σήραγγας πρακτικώς δεν επηρεάζουν τις συνθήκες ευστάθειας του μετώπου. Για την ενίσχυση του μετώπου εκσκαφής (σε περιπτώσεις αστάθειας) εξετάσθηκε η εφαρμογή αγκυρίων μετώπου και δοκών προπορείας. Η συμπεριφορά και των δύο τύπων μέτρων ενίσχυσης του μετώπου θεωρήθηκε ελαστική-τέλεια πλαστική. Τα αποτελέσματα των αριθμητικών αναλύσεων αξιοποιήθηκαν μέσω αδιάστατων παραμέτρων με σκοπό, αφενός μεν να προσδιορισθούν οι κύριες αδιάστατες παράμετροι που ελέγχουν την συμπεριφορά του μετώπου εκσκαφής, αφετέρου δε τα παραχθέντα νομογραφήματα να έχουν κατά το δυνατόν ευρεία εφαρμογή (πέραν των περιπτώσεων που αναλύθηκαν). […]