Παραμετρική διερεύνηση εύρους πλαστικής ζώνης αβαθών κυκλικών σηράγγων με Λύση Κλειστής Μορφής

Abstract

Είναι γεγονός ότι τις τελευταίες δεκαετίες έχει σημειωθεί σε παγκόσμιο επίπεδο «μεγάλη έκρηξη» στην κατασκευή τόσο των σηράγγων όσο και άλλων υπόγειων έργων και ειδικά στις Μεγαλοπόλεις όπου ο επιφανειακός ελεύθερος χώρος είναι πλέον αρκετά περιορισμένος. Όσον αφορά στις σήραγγες, πρόκειται για οριζόντιες ή περίπου οριζόντιες εκσκαφές μέσα στο έδαφος (η κλίση τους ακολουθεί τη μηκοτομή της χάραξης), που η διατομή τους αποτελείται κυρίως από τρία μέρη: βάση ή δάπεδο, πλευρικό τμήμα και οροφή και συγκριτικά με αυτήν, η διαμήκης τους διάσταση είναι αρκετά μεγαλύτερη. Εφαρμόζονται κυρίως σε συγκοινωνιακά έργα, ως οδικές ή σιδηροδρομικές σήραγγες, καθώς και ως τμήματα υδραγωγείου σε υδραυλικά έργα. Οι τρόποι διάνοιξης σηράγγων είναι οι ακόλουθοι: • Νέα Αυστριακή μέθοδος • Διατρήματα εκρηκτικά • Συρμοί ολομέτωπης κοπής (ΤΒΜ) με ή χωρίς ασπίδα • Μηχανήματα σημειακής κοπής (Roadheader) • Εκσκαφής και επανεπίχωσης (cut and cover) Η επιλογή της μεθόδου γίνεται ανάλογα με τις διαστάσεις, το μήκος και το βάθος της σήραγγας, ανάλογα με τη διάτρηση σε εδαφικούς και βραχώδεις σχηματισμούς, ενώ η ύπαρξη υπόγειου υδροφόρου ορίζοντα είναι καθοριστικής σημασίας στην επιλογή λόγο του υδραυλικού φορτίου αλλά και λόγο της εμφάνισης υδάτων κατά τη διάτρηση. Έτσι, για παράδειγμα, σε βραχώδεις σχηματισμούς επιλέγονται τα εκρηκτικά, τα μηχανήματα ολομέτωπης κοπής και τα μηχανήματα σημειακής κοπής. Σε μαλακούς εδαφικούς σχηματισμούς ή ημιβράχους επιλέγονται οι ασπίδες ή οι ασπίδες με μηχανήματα ολομέτωπης κοπής ή οι ασπίδες «πολτού». Σε ετερογενείς μάζες επιλέγεται κυρίως η Νέα Αυστριακή μέθοδος διάνοιξης σηράγγων. Ανεξάρτητα από την επιλογή της μεθόδου, η διάνοιξη της σήραγγας προκαλεί πάντοτε μετακινήσεις στο πέτρωμα που τείνουν να μειώσουν τη διατομή του ανοίγματος, ενώ οι τάσεις που επικρατούν είναι κυρίως εφελκύστηκες και εμφανίζονται καθιζήσεις στην ελεύθερη επιφάνεια, στη περίπτωση των αβαθών σηράγγων. Όταν μάλιστα, η απόκλιση ανάμεσα στην πρόβλεψη και την συμπεριφορά των πετρωμάτων είναι μη αποδεκτή τότε πρόκειται για αστοχία της βραχομάζας. Οι επικρατούντες τρόποι αστοχίας της βραχομάζας γύρω από σήραγγα είναι οι εξής: Ψαθυρή θραύση ισχυρού συμπαγούς βράχου σε υψηλό επίπεδα επί τόπου τάσεων. Βαρυτικές πτώσεις ή ολισθήσεις τεμαχίων ή σφηνών λόγω αλληλοτεμνόμενων δομικών συνεχειών της βραχομάζας. Σχηματισμός πλαστικής ζώνης από διατρητική θραύση ασθενούς βραχομάζας σε αξιόλογο τασικό πεδίο ανάλογα με την αντοχή της βραχομάζας. Για την αποφυγή της αστοχίας οι σήραγγες επενδύονται προκειμένου οι αναπτυσσόμενες διατρητικές τάσεις να παραλαμβάνονται από τη διατρητική αντοχή των πετρωμάτων αλλά και από την επένδυση και η χρήση της ικανής υποστήριξης μειώνει και ελαχιστοποιεί τις αναμενόμενες μετακινήσεις. Έτσι λοιπόν, η διάνοιξη σηράγγων αποτελεί μεγάλη πρόκληση για το γεωτεχνικό μηχανικό καθώς θα πρέπει να γίνει ακριβής σχεδιασμός των μέτρων υποστήριξης, ειδάλλως ελλοχεύει ο κίνδυνος μεγάλων σε έκταση αστοχιών που για να αντιμετωπιστούν χρειάζεται μεγάλο κόστος. Όσον αφορά ειδικά στην τελευταία περίπτωση αστοχίας, θεωρείται ότι η περιβάλλουσα της σήραγγας βραχομάζα συμπεριφέρεται σαν ένα ελαστικό-απολύτως πλαστικό υλικό και η αστοχία που θα συμβεί κατά το μήκος αλληλοτεμνόμενων οικογενειών ασυνεχειών αυτής θα έχει μηδενική ογκομετρική μεταβολή. Το ελαστικό-πλαστικό υλικό γύρω από την σήραγγα παραμορφώνεται. Η παραμόρφωση, δηλαδή, η επιμήκυνση ανά μονάδα μήκους γύρω από μια σήραγγα. μπορεί να είναι είτε ελαστική, δηλαδή, παροδική και αντιστρέψιμη, είτε πλαστική, δηλαδή, μόνιμη και μη αντιστρέψιμη. Στην περίπτωση της πλαστικής παραμόρφωσης, σχηματίζεται η πλαστική ζώνη, δηλαδή, μια ζώνη μόνιμης παραμόρφωσης και το τελευταίο, απευκταίο, στάδιο της παραμόρφωσης του εδάφους κατά την εκσκαφή είναι η θραύση του υλικού, δηλαδή η πλήρης αστοχία αυτού. Συνεπώς, η γνώση των στοιχείων της πλαστικής ζώνης γύρω από τη σήραγγα και ιδιαίτερα της έκτασης ή του εύρους της είναι χρήσιμη για την διαστασιολόγηση άλλων επιμέρους στοιχείων όπως για παράδειγμα τη διαταραχή του περιβάλλοντος εδάφους. Βάσει των ανωτέρω καθίσταται σαφές ότι η διερεύνηση θεμάτων που σχετίζονται με την μελέτη και τον υπολογισμό των στοιχείων της σχηματιζόμενης πλαστικής ζώνης μιας σήραγγας είναι εξέχουσας σημασίας για την διάνοιξη και την κατασκευή σηράγγων. Για αυτό και αποτελεί αντικείμενο εκπόνησης της παρούσας διπλωματικής εργασίας.

It is a matter of fact that in recent decades there has been a worldwide 'big bang' in the construction of both, tunnels and other underground structures, especially in Megacities where the superficial free space is quite limited. As for the tunnels, the horizontal or nearly horizontal excavations in the ground (the slope follows the altitude of the alignment) which cross section is consisted of three parts: a base or floor, side part and roof and compared with the longitudinal dimension, the second one is much larger. They are mainly applied to transportation projects as road and rail tunnels, as well as parts of an aqueduct to hydraulic projects. The methods of tunneling are: • New Austrian method • Blasting • Tunneling Boring Machine (TBM) with or without shield • Roadheader machines • Cut and cover method The adoption of the method is depending on the size, the length and the depth of the tunnel, on the geological formations, while the existence of underground aquiferous horizon is of major importance in the selection of the method, due to both the hydraulic load and the flow of water during the excavation. For example, in rock formations, we usually select tunnel boring machines and roadheader machines. In soft soil formations or semi-rocks, it is selected shields or shields with tunnel boring machines or shields "pulp". In heterogeneous masses it is mainly chosen the New Austrian tunneling method. Whichever the selection of method is, tunneling always causes movements in rock that tend to reduce the cross section of the opening while the strains are mostly tensile and settlements in at the free surface in case of shallow tunnels. Indeed, when the difference between the forecast and the behavior of the rocks is not acceptable, it leads to a failure of the rock mass. The prevailing failure methods of rock mass around the tunnel are: Brittle fracture of solid rocks of high strength at high levels of in-situ stresses. Gravity falls or slips of pieces and wedges due to the structure of the rock mass. Formation of plastic zone caused by breaking of the weak rock mass in a high stress field accordingly to the strength of the rock mass. To avoid the failure, tunnels are reinforced in order to the developing breaking strains be received both by the punching strength of rocks and the reinforcement and the use of capable support reduces and minimizes the expected movements. Thus, tunneling is a huge challenge for the geotechnical engineer as it should be an accurate planning of support measures, otherwise there is a danger of large scale failures of enormous cost. As for the last mean of failure, mentioned above, it is considered that the tunnel surrounding rock mass behaves as an elastic-perfectly plastic material and the failure, appeared along the intersected families of the discontinuities, has no volumetric change. The elastic-plastic material around the tunnel deforms. The deformation or the elongations per length’s unit around a tunnel can be either elastic which means transient and reversible, or plastic, permanent and irreversible. In the case of plastic deformation, a plastic zone or a zone of permanent deformation is formed and the last, undesirable, level of deformation of the ground during the excavation is the fracture of the material or its complete failure. Therefore, the knowledge of the elements of the plastic zone around the tunnel, especially those of its extent or width is very useful in the dimensioning of other specific elements such as the disruption of the surrounding ground. According to the above, it is clear that the examination of issues related to the study and the calculation of the elements of the plastic zone formation around a tunnel is of great importance for tunneling and tunnel construction and defines the subject of the present study.