Αλληλεπίδραση επένδυσης σκυροδέματος-γεωμάζας στις υπόγειες εκσκαφές: συμβολή στο σχεδιασμό συστημάτων προσωρινής και μόνιμης υποστήριξης σηράγγων

Abstract

The design of underground openings is inherently more difficult and uncertain in comparison to the design of other civil engineering structures, given that part of the rock mass’s self-supporting capacity is utilized, the coupled behavior of the lining and the surrounding rock mass, the inadaptability of equivalent continuum models to discontinuous rock, the poor modelling of attributes of reinforced concrete like cracking and creep by geotechnical software and the 3D nature of the physical problem that is often omitted for computational limitations. An algorithm for the calculation of the stiffness of reinforced concrete sections depending on the concrete class, the applied forces, the cracking extent and creep was formulated, according to the available literature and EC2. Moreover comparative analyses between equivalent continuum and discontinuous models were carried out in 2D and 3D using UDEC, 3DEC and FLAC. The stiffness calculation algorithm was programmed in UDEC using its native language (FISH) and was applied in the modelling of a typical road tunnel section and of a real underground project which had collapsed. The often used method of modelling cracked concrete behavior by globally lowering its stiffness was found to inadequately represent the redistribution of internal forces that takes place and to underestimate design forces by a factor significantly larger than typical safety factors (> 50%). In the 2D comparative study between equivalent continuum and discontinuous models the ground reaction curve was found to be 60% - 80% higher in the case of discontinuous, thus accurate, modelling. In the ensuing 3D analyses, it was observed that the main behavior and stability mechanism was vastly dependent on the properties of the rock joints, particularly when the elastic limit is breached, with a 10fold increase of crown displacements after excavation of the tunnel face. Furthermore, the equivalent continuum model exhibited significant sensitivity to rock strength variation: a 25% drop (from 100 kPa to 75 kPa) of the cohesion value (Mohr-Coulomb) resulted in a 20fold increase in crown displacements. However, the stabilizing effect of the tunnel face was found to extend to no more than one diameter away, after which the ground reaction curves roughly matched the ones from the 2D UDEC analyses.

Ο σχεδιασμός των υπόγειων έργων εμφανίζει ιδιαίτερη δυσχέρεια και αβεβαιότητα σε σύγκριση με τα υπόλοιπα έργα του πολιτικού μηχανικού λόγω της αξιοποίησης μέρους της ικανότητας της γεωμάζας να αυτοϋποστηρίζεται, της συζευγμένης συμπεριφοράς του συστήματος γεωμάζας και μέτρων υποστήριξης, των αποκλίσεων που εμφανίζουν τα γεωτεχνικά υπολογιστικά μοντέλα συνεχούς μέσου από την πραγματική εντατική κατάσταση στις περιπτώσεις ασυνεχούς γεωμάζας, της ελλιπούς προσομοίωσης από τα γεωτεχνικά λογισμικά κρίσιμων ιδιοτήτων των επενδύσεων οπλισμένου σκυροδέματος όπως η ρηγμάτωση και ο ερπυσμός και της τρισδιάστατης φύσης του φυσικού προβλήματος, η οποία λόγω υπολογιστικού φόρτου συνήθως αγνοείται. Αναπτύχθηκε αλγόριθμος υπολογισμού της δυσκαμψίας διατομών οπλισμένου σκυροδέματος συναρτήσει των μηχανικών ιδιοτήτων του σκυροδέματος, της επιβαλλόμενης έντασης, του βαθμού ρηγμάτωσης και του ερπυσμού, με βάση τη βιβλιογραφία και τον EC2. Παράλληλα διεξήχθησαν συγκριτικές αριθμητικές αναλύσεις ασυνεχούς και ισοδύναμου συνεχούς μέσου στο επίπεδο και στο χώρο με τα λογισμικά UDEC, 3DEC και FLAC. Ο αλγόριθμος υπολογισμού δυσκαμψίας εισήχθη στο UDEC (ασυνεχές μέσο) μέσω γλώσσας προγραμματισμού (FISH) και εφαρμόστηκε στην ανάλυση τυπικής διατομής υπόγειας σήραγγας και σε πραγματικό υπόγειο έργο όπου εκδηλώθηκε αστοχία. Η συνήθης μέθοδος προσομοίωσης της ρηγμάτωσης μέσω καθολικής μείωσης του μέτρου ελαστικότητας της δυσκαμψίας της διατομής φάνηκε ότι δεν αποτυπώνει ορθά την ανακατανομή των εντατικών μεγεθών ένεκα τοπικής ρηγμάτωσης και δίνει συνήθως ευμενή αποτελέσματα, με σημαντικές υπερβάσεις (> 50%) των συντελεστών ασφαλείας. Στη σύγκριση προσομοίωσης ισοδύναμου συνεχούς και ασυνεχούς μέσου στο επίπεδο, η καμπύλη μετακίνησης - απαιτούμενης υποστήριξης προκύπτει 60% - 80% υψηλότερα στην περίπτωση της μοντελοποίησης ασυνεχούς μέσου. Στη τρισδιάστατη ανάλυση (3DEC) παρατηρήθηκε ότι ο μηχανισμός συμπεριφοράς ένεκα των ασυνεχειών έχει το μεγαλύτερο ποσοστό συνεισφοράς στην τελική εντατική κατάσταση και ότι όταν εκδηλώνεται πλαστικοποίηση, οι τελικές παραμορφώσεις πίσω από το μέτωπο προκύπτουν μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερες. Επίσης παρατηρήθηκε σημαντική ευαισθησία του ισοδύναμου συνεχούς μέσου, όπου για μεταβολή της συνοχής κατά 25% (από 100 kPa στα 75 kPa) οι μετακινήσεις της γεωμάζας εικοσαπλασιάστηκαν. Τέλος οι καμπύλες αντίδρασης του εδάφους του 3DEC ταυτίζονται σε απόσταση 1D περίπου από το μέτωπο με αυτές της ανάλυσης στο επίπεδο στο UDEC.