Σχεδιασμός άμεσης υποστήριξης σε θέσεις συμβολής σηράγγων

Abstract

This thesis deals with tunnels primary support design issues, emphasizing on tunnel junction areas. The problem is approached through three-dimensional numerical simulation with parametric investigation of in-situ stress and rockmass mechanical properties. The evaluation of the results focuses on support stress resultants and displacements since these are a key tunnel design criterion. Numerical simulations in strong rock masses incorporate an advanced strain – softening constitutive model while in cases of anisotropic rock masses a ubiquitous joints model is introduced. All continuous media numerical analyzes were performed using FLAC3D finite difference code, while for non-continuous media analyzes the 3DEC and RS2 codes were used. The simulation process included axisymmetric, three-dimensional and plane strain analyzes. In all numerical simulations, sequential excavation and support was applied in all stages (top heading, bench – invert) for both main and escape tunnel. According to the findings of the present thesis, after the construction of the escape tunnel the support of the main tunnel is unloaded in the junction area with the crown of the escape tunnel and is overloaded in the junction area with the side wall of the escape tunnel. In the unloading area, the unloading is severe and the development of tensile axial forces after the construction of the escape tunnel is possible. In that area, it is proposed to reinforce the main tunnel lining with the use of steel mesh and/or lattice girders or even a regular reinforcement to avoid tensional cracks in the shotcrete. In contrast, in the overload area the development of axial compressive forces is very intense. In this area it is proposed to increase the thickness of the sprayed concrete or to predict the construction of an elephant foot to avoid the failure of the sprayed concrete in compression. In general, there is no increase in the stress resultants of the escape tunnel in close proximity to the main tunnel. Finally, given the complex geometry of the excavation in the junction area, structurally controlled failure may occur. Hence, additional rock bolts, steel mesh and spilling may be required for failure control and according to rock mass jointing.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται ζητήματα σχεδιασμού της άμεσης υποστήριξης σηράγγων, με έμφαση σε θέσεις συμβολής. Η προσέγγιση του προβλήματος γίνεται μέσω τριδιάστατων αριθμητικών αναλύσεων με παραμετρική διερεύνηση της επίδρασης της εντατικής κατάστασης και των μηχανικών χαρακτηριστικών της βραχομάζας. Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων εστιάζει στα εντατικά μεγέθη και τις μετακινήσεις της υποστήριξης, καθώς αυτά αποτελούν τα βασικά κριτήρια για τον σχεδιασμό των σηράγγων. Οι αριθμητικές αναλύσεις ενσωματώνουν προηγμένο καταστατικό μοντέλο με συμπεριφορά χαλάρωσης της βραχομάζας (strain-softening) ενώ σε περιπτώσεις ανισότροπης βραχομάζας εφαρμόζεται καταστατικό μοντέλο απανταχού ασυνεχειών (ubiquitous joints). Όλες οι αριθμητικές αναλύσεις συνεχούς μέσου εκτελέστηκαν με χρήση του κώδικα πεπερασμένων διαφορών FLAC3D, ενώ για τις αναλύσεις μη συνεχούς μέσου έγινε χρήση του κώδικα 3DEC και RS2. Η διαδικασία προσομοίωσης περιελάβανε αναλύσεις αξονικής συμμετρίας, τριδιάστατες αναλύσεις και αναλύσεις επίπεδης παραμόρφωσης. Σε όλες τις αναλύσεις εφαρμόστηκε διαδοχική εκσκαφή και υποστήριξη της σήραγγας σε φάσεις (άνω ημιδιατομή, βαθμίδα/ ανάστροφο τόξο) τόσο για την κύρια σήραγγα όσο και για την σήραγγα διαφυγής. Σύμφωνα με τα ευρήματα της παρούσας διατριβής, μετά την κατασκευή της σήραγγας διαφυγής η υποστήριξη της κύριας σήραγγας αποφορτίζεται στην περιοχή συμβολής με την στέψη της σήραγγας διαφυγής και υπερφορτίζεται στην περιοχή συμβολής με την παρειά την σήραγγας διαφυγής. Στην περιοχή αποφόρτισης, η αποφόρτιση είναι ισχυρή και είναι πιθανή η ανάπτυξη εφελκυστικών αξονικών δυνάμεων μετά την κατασκευή της σήραγγας διαφυγής. Στην περιοχή αυτή προτείνεται η τοποθέτηση οπλισμού στην υποστήριξη της κύριας σήραγγας με δομικό πλέγμα ή/και δικτυωτά πλαίσια ή ακόμα και η πλήρης όπλιση ώστε να αποφευχθεί η ανάπτυξη εφελκυστικών ρωγμών στο εκτοξευόμενο σκυρόδεμα. Αντίθετα, στην περιοχή υπερφόρτισης η ανάπτυξη αξονικών θλιπτικών δυνάμεων είναι πολύ ισχυρή. Σε αυτή την περιοχή προτείνεται η αύξηση του πάχους του εκτοξευόμενου σκυροδέματος ή η πρόβλεψη κατασκευής διεύρυνσης για την θεμελίωση της άνω ημιδιατομής (elephant foot) ώστε να αποφευχθεί η αστοχία του εκτοξευόμενου σκυροδέματος σε θλίψη. Γενικά, δεν παρατηρείται αύξηση στα εντατικά μεγέθη της σήραγγας διαφυγής σε εγγύτητα με την κύρια σήραγγα. Τέλος, δεδομένης της σύνθετης γεωμετρίας της εκσκαφής στην περιοχή της συμβολής, είναι πιθανή η δημιουργία αστοχιών δομικού τύπου ελεγχόμενες από τον προσανατολισμού των ασυνεχειών. Για αυτόν τον λόγο, μπορεί να απαιτείται η τοποθέτηση επιπρόσθετων αγκυρίων, δομικού πλέγματος και ράβδων προπορείας (Spilling) για τον έλεγχο αστοχιών, ανάλογα και με τον κερματισμό της βραχομάζας.