Ασκήσεις Τεχνικής Γεωλογίας 8η Άσκηση

Αξιολόγηση τεχνικογεωλογικών συνθηκών κατά µήκος σήραγγας

Β.Χρηστάρας Β. Μαρίνος

Εργαστήριο Τεχνικής Γεωλογίας και Υδρογεωλογίας

ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΓΕΩΛΟΓΙΑΣ

Σκοπός άσκησης: Η άσκηση επικεντρώνεται: •  Στην κατασκευή γεωλογικής τοµής σήραγγας από επιφανειακές εµφανίσεις και γεωτρήσεις.

•  Στον ορισµό τεχνικογεωλογικών τύπων (βραχόµαζας ή εδάφους).

•  Στην εκτίµηση τεχνικογεωλογικής συµπεριφοράς (καταπτώσεις, συγκλίσεις, εισροές) κατά µήκος της σήραγγας.

•  Στην προσέγγιση µέτρων άµεσης υποστήριξης (ποιοτικά).

8η Άσκηση

Εκτίµηση των συνθηκών του εδάφους στον σχεδιασµό για την κατασκευή του έργου ΜΟΝΤΕΛΟ

ΓΕΩ

ΥΛΙΚΟΥ

ΓΕΩΛΟ

ΓΙΚΟ

ΠΡΟ

ΣΟΜΕΙΩ

ΜΑ

1. Γεωλογικές συνθήκες

2.  Μετάφρασή τους σε τεχνικογεωλογική συµπεριφορά

3. Τύπος γεωυλικού ιδιότητες

ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ χρήση εµπειρικών, αναλυτικών-αριθµητικών µεθόδων

Συµπεριφορά γεωυλικού έναντι αστοχίας Επιλογή των σωστών γεωτεχνικών παραµέτρων και των κατάλληλων κριτηρίων τεχνικής συµπεριφοράς

ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Εφαρµογή του σχεδιασµού

+ Περιβάλλον(τασικό πεδίο, υπόγεια νερά)

Οι µέθοδοι που χρησιµοποιούνται για τη διάνοιξη των σηράγγων είναι οι παρακάτω: u Συµβατική µέθοδος διάνοιξης

§ Με εκτίναξη § Με απλά µέσα µηχανικής εκσκαφής

u Διάνοιξη µε µηχανοποιηµένο τρόπο (µηχάνηµα ολοµέτωπης κοπής -ΤΒΜ)

Μέθοδοι διάτρησης σηράγγων

Σήραγγεσ µε διάτρηση

Σήραγγεσ µε διάτρηση

Διάτρηση µε «τσάπα» (µηχανική εκσκαφή)

Σήραγγεσ µε διάτρηση (ΕΔΩ ΜΕ ΕΚΡΗΚΤΙΚΑ)

Η µηχανοποιηµένη µέθοδοσ διάνοιξησ Σηράγγων – TBM

Μηχάνηµα Μονής Ασπίδας (Single Shield TBM)

TBM (Tunnel Boring Machine) ή αλλιώς..... Μετροπόντικες

Αστοχίες µέτρων προσωρινής υποστήριξης σήραγγας - Δηµιουργία αστοχίας

Χωρίζονται σε: i.  Τασικές αστοχίες: Αστοχίες που προκαλούνται από ολόκληρο το δακτύλιο της βραχόµαζας γύρω από τη σήραγγα: περίπτωση βραχόµαζας µε πολύ φτωχά µηχανικά χαρακτηριστικά και µεγάλα υπερκείµενα. ii.  Βαρυτικές αστοχίες: Αστοχίες που προκαλούνται από την ύπαρξη τοπικών ασθενών επιπέδων ασυνεχειών µε δυσµενή , ως προς το άνο ιγµα της σήραγγας προσανατολισµό.

i.  ολίσθηση της βραχόµαζας κατά το επίπεδο ασυνεχειών µε τη δηµιουργία σφηνών (αλληλεπίδραση τεµνόµενων διακριτών ασυνεχειών). Σε σχετικά υγιείς βραχόµαζες στις οποίες υπάρχουν κυρίαρχα επίπεδα ασυνεχειών.

ii. Κατάπτωση τύπου καµινάδας (πολλά τεµάχη) ή καταρροή βραχόµαζας (συνεχής πτώση πολλών µικρών τεµαχών)

Τύποι συµπεριφοράς της βραχόµαζας

u  Ευσταθής u  Σφηνοειδείς ολισθήσεις αποκολλήσεις u  Παραµορφώσεις (µικρές ή µεγαλύτερες) µε την εκδήλωση διατµητικών αστοχιών σε ζώνη περιµετρικά της σήραγγας

u  Εκτίναξη βράχων u  Καταρροή γεωυλικού u  Ροή γεωυλικού µε νερό u  Διόγκωση u  Ανισότροπες παραµορφώσεις

Κατηγορίεσ Τεχνικογεωλογικήσ Συµπεριφοράσ

Κατηγορίεσ Τεχνικογεωλογικήσ Συµπεριφοράσ

Κατηγορίεσ Τεχνικογεωλογικήσ Συµπεριφοράσ

Βήµατα σχεδιασµού σήραγγας Προσδιορισµός των τύπων βραχόµαζας

u Πρέπει να βασιστεί στην οριοθέτηση των π α ρ α µ έ τ ρ ω ν ( α ν τ ο χ ή ς κ α ι παραµορφωσιµότητας ) εκε ί νων όπου καθορίζουν τη συµπεριφορά της βραχόµαζας και επηρεάζουν τη µέθοδο διάνοιξης, το χρόνο και το κόστος

u Έτσι ένας τύπος βραχόµαζας είναι ένα σύνολο γεωυλικών µε όµοιες µηχανικές, φυσικές ή και υδραυλικές ιδιότητες και όχι απαραίτητα ίδιων λιθολογιών.

u Ο αριθµός των τύπων αυτών εξαρτάται από τις επιτόπου συνθήκες γεωλογίας.

Βήµατα σχεδιασµού σήραγγας Προσδιορισµός των τύπων βραχόµαζας

u Καθορισµός τύπων βραχόµαζας µε βάσει: 1.  Λιθολογία 2.  Κερµατισµός – δοµή (τεκτονισµός αλλά και στοιχε ία γέννεσης όπως στρώσεις -σχιστότητα)

3.  Χαρακτηριστικά αποσάθρωσης 4.  Χαρακτηριστικά περατότητας

Βήµατα σχεδιασµού σήραγγας Εκτίµηση της συµπεριφοράς των βραχοµαζών

§  Εκτίµηση της εν δυνάµει απόκρισης της βραχόµαζας στην εκσκαφή της ανάλογα µε τις επιτόπου συνθήκες (τάσεων, υπογείων νερών, προσανατολισµού ασυνεχειών σε σχέση µε τη σήραγγα κ.α.) § Η συµπεριφορά της βραχόµαζας, εδώ, ορίζεται ως η αντίδρασή της στην εκσκαφή σε ένα υπόγειο άνοιγµα χωρίς όµως να λαµβάνονται υπόψη οι διαδικασίες υποστήριξης και αλληλεπίδρασης µε άλλες φάσεις.

Βήµατα σχεδιασµού σήραγγας Εκτίµηση της συµπεριφοράς των βραχοµαζών

u  Ο διαχωρισµός της συµπεριφοράς κατά µήκος της σήραγγας:

Ø  οµογενοποίηση όµοιων τεχνικογεωλογικών τύπων βραχόµαζας (και επιτόπου συνθηκών (π.χ. ύψος υπερκειµένων).

Ø  Κάθε τµήµα θα πρέπει να ελέγχεται για διάφορους πιθανούς µηχανισµούς αστοχίας

Ø  πρέπει να εφαρµόζονται διάφοροι µέθοδοι ανάλυσης (τόσο για βαρυτικές όσο και για παραµορφωσιακές αστοχίες).

Βήµατα σχεδιασµού σήραγγας Εκτίµηση της συµπεριφοράς των βραχοµαζών

§  Παράδειγµα: µια κερµατισµένη βραχόµαζα µπορεί να αστοχεί και να δηµιουργεί υπερεκσκαφή τύπου καµινάδας κάτω από συνθήκες µικρής πλευρικής πίεσης. Η ίδια βραχόµαζα κάτω από µέτριες πιέσεις µπορεί να είναι ευσταθής ενώ σε µεγάλες µπορεί να προκαλέσει παραµορφώσεις µε διατµητικές αστοχίες.

Βήµατα σχεδιασµού σήραγγας Καθορισµός του συστήµατος εκσκαφής και

υποστήριξης βασισµένο σε τύπους συµπεριφοράς

§  Αξιολογείται η βραχόµαζα µέσα σε ένα τύπο συγκεκριµένης συµπεριφοράς µε ενσωµατωµένα όµως την εκσκαφή και τα µέτρα άµεσης υποστήριξης. §  Αξιολογείται πλέον όλο το σύστηµα που πρέπει να καλύπτει τις απαιτήσεις του συγκεκριµένου υπόγειου έργου και οι περιορισµοί του. §  Άλλοι περιορισµοί: Παράδειγµα: µια βραχόµαζα µε µια συγκεκριµένη συµπεριφορά µπορεί να µην απαιτεί ισχυρά µέτρα υποστήριξης σε ένα µη αστικό περιβάλλον αλλά σε µ ία αστική περιοχή , όπου απασχολούν πρωταρχικά οι καθιζήσεις, η βραχόµαζα πρέπει να υποστηριχθεί µε ένα πιο ισχυρό κέλυφος.

Βασικά µέτρα προσωρινής υποστήριξης σήραγγας

u  Εκτοξευόµενο σκυρόδεµα (µαζί µε µεταλλικό πλέγµα και µεταλλικές ίνες οπλισµού.

u  Αγκύρια βράχου u  Μεταλλικά πλαίσια u  Ελαφρά βλήτρα προπορείας (Spiles) u  Οµπρέλα βαριών δοκών προπορείας (Forepole

umbrella) u  Προσωρινό ανάστροφο τόξο u  Αποστραγγιστικές και ανακουφιστικές οπές

Μέτρα προσωρινής υποστήριξης σήραγγας

Χαρακτηριστική διατοµή µέτρων προσωρινής υποστήριξης για ασθενή βραχόµαζα µε κατασκευή σε 2 οριζόντιες ηµιδιατοµές. Η ανάγκη, τα µεγέθη, οι ποσότητες και ο συνδυασµός των διαφόρων στοιχείων προκύπτει από αριθµητική ανάλυση και από βελτιστοποιήσεις µε ενόργανη, αξιόπιστη, παρακολούθηση. Το βήµα προχώρησης εδώ δύσκολα ξεπερνά το 1m την ηµέρα.

Μέτρα προσωρινής υποστήριξης σήραγγας

Διαµήκης τοµή σήραγγας υπό διάνοιξη υποστήριξης για ασθενή βραχόµαζα µε κατασκευή σε 2 οριζόντιες ηµιδιατοµές

Παραδείγµατα υποστήριξης

§ Μία βραχόµαζα µε καθόλου έως µέτριο κερµατισµό και µέτρια έως µεγάλη αντοχή απαιτεί ελαφριά µέτρα υποστήριξης (π.χ. Αγκύρια και εκτοξευµένο σκυρόδεµα) για να υποστηρίξει τις πιθανές σφήνες. § Η ίδια βραχόµαζα αλλά πιο κερµατισµένη (π.χ. Σε ζώνες ρηγµάτων) θα χρειαστεί πιο βαριά µέτρα υποστήριξης όπως κάποια προ-υποστήριξη (δοκίδες προπορείας) και βέβαια αγκύρια, µεταλλικά πλαίσια και σκυρόδεµα)

Παραδείγµατα υποστήριξης

§ Μία πτωχής ποιότητα βραχόµαζα µε χαµηλή αντοχή κάτω από κάποιο βάρος υπερκειµένων (π.χ.>100m) θα παρουσιάζει παραµορφώσεις (συγκλίσεις) και θα πρέπει να υποστηριχθεί µε βαριά µέτρα (π.χ. µεγάλου πάχους εκτ. Σκυρόδεµα, πολλά και πυκνά αγκύρια µεγάλου µήκους, βαριά µεταλλικά πλαίσια και πιθανώς κάποια υποστήριξη µετώπου) § Η ίδια βραχόµαζα αν συναντηθεί πιο «ρηχά» τότε θα έχει καλύτερη συµπεριφορά και δεν θα παρουσιάσει τα ίδια προβλήµατα άρα θα θέλει και ηπιότερα µέτρα υποστήριξης. § Προσοχή στα στόµια (είσοδος-έξοδος) των σηράγγων: Τα γεωυλικά έχουν πιο φτωχές ιδιότητες λόγω της αποσάθρωσης και χαλαρής-ανοικτής δοµής τους. Εκεί απαιτείται ισχυρή υποστήριξη.

ΑΣΚΗΣΗ 8

Στην ορεινή περιοχή της τοµής µελετάται να διανοιχθεί υδραυλική σήραγγα. Η περιοχή είναι τεκτονικά διαταραγµένη µε εφιππεύσεις και ανάστροφα ρήγµατα. Παρόλα αυτά, η περιοχή στρωµατογραφικά δοµείται, από τους νεότερους στους παλαιότερους σχηµατισµούς, από: • 

•  Φλύσχη, άγνωστου πάχους •  Ασβεστόλιθο, πάχους 150m •  Δολοµίτη, πάχους 200m •  Δολοµιτικό ασβεστόλιθο, άγνωστου πάχους

Έπειτα από τη γεωλογική χαρτογράφηση της περιοχής προέκυψε ότι οι εµφανίσεις των σχηµατισµών στην επιφάνεια περιορίζονται σε ορισµένα σηµεία µόνο. Επίσης, έχουν χαρτογραφηθεί, όπου αυτό ήταν δυνατό λόγω της πυκνής φυτοκάλυψης, οι επαφές των στρωµάτων και η γεωµετρία τους που προβάλουν στην επιφάνεια. Δύο ρήγµατα Ρ1 και Ρ2 επίσης σηµειώνονται πάνω στην επιφάνεια της τοµής.

ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Πρόκειται για πραγµατική περίπτωση (Σήραγγα Μοναστηρίου, Υδαταγωγού Μόρνου) όπου έγιναν οι απαραίτητες απλουστεύσεις για τους εκπαιδευτικούς σκοπούς της άσκησης.

ΑΣΚΗΣΗ 8

Για την διερεύνηση των γεωλογικών και τεχνικογεωλογικών συνθηκών στο βάθος πραγµατοποιήθηκαν αρκετές γεωτρήσεις. Για τους σκοπούς τους άσκησης σας δίνονται 2 γεωτρήσεις Γ1 και Γ2. Τα αποτελέσµατα των γεωτρήσεων παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακσ:

Προσοχή: Τα γεωλογικά στρώµατα διατηρούν σταθερή την παραλληλία µεταξύ τους ενώ η κλίση τους έχει αλλάξει λόγω των ρηγµάτων. Παρόλα αυτά, η κλίση διατηρείται σταθερή σε κάθε τέµαχος.

ΑΣΚΗΣΗ 8

Ζητούµενα: 1.  Συµπληρώστε το γεωλογικό µοντέλο της σήραγγας. 2.  Κατηγοριοποιήστε τους πιθανούς τύπους βραχόµαζας κατά µήκος της σήραγγας. Δηλαδή διακρίνετε (σε τµήµατα) και περιγράψτε κατά µήκος της σήραγγας την πιθανή κατάσταση της ποιότητας των σχηµατισµών και όχι απλά τι πετρώµατα συναντά (βλέπε 1ο ερώτηµα).

3.  Αφού αιτιολογήσετε πρώτα, κατηγοριοποιήστε κατά µήκος της τοµής ποιά θα είναι τα ενδεχόµενα τεχνικογεωλογικά προβλήµατα (π.χ. πτώση σφηνών, αυξηµένες συγκλίσεις, παρουσία νερού κ.α). Δηλαδή να περιγράψετε τον πιθανότερο µηχανισµό αστοχίας κατά µήκος της σήραγγας (όχι γενικά για κάθε σχηµατισµό αλλά σε σχέση µε την ποιότητα και το βάθος της σήραγγας).

4.  Αξιολογήστε αιτιολογηµένα και µόνο σύµφωνα µε τα δεδοµένα αν υπάρχουν κίνδυνοι να συναντηθούν υπόγεια νερά. Σηµειώστε ότι δεν απαντώνται πηγές στην άµεση γειτνίαση της σήραγγας.

5.  Ποιά εκτιµάτε ότι θα είναι γενικώς τα µέτρα προσωρινής υποστήριξης (π.χ. βαριά, µέτρια, ελαφριά) για κάθε σχηµατισµό και θέση (κατά µήκος της σήραγγας) που θα διατρηθεί; Απαντήστε σύµφωνα µε το γεωλογικό µοντέλο που έχετε φτιάξει.

Βιβλιογραφία

¡  Η άσκηση είναι τροποποιηµένη έκδοση από τους Μαρίνος Π . , Τσιαµπάος Γ. και Μαρίνος Β. (Μάθηµα Τεχνικής Γεωλογίας , Σχολή Πολ. Μηχανικών, ΕΜΠ).