Επίδραση της Στρώσης των Πετρωμάτων στη Συμπεριφορά Σήραγγας

Abstract

Η παρούσα Διπλωματική Εργασία πραγματεύεται την επίδραση της ανισοτροπίας του πετρώματος στη συμπεριφορά μίας σήραγγας κατά τη διάνοιξή της. Καθώς τα περισσότερα πετρώματα επί τόπου εμφανίζονται ως ανισότροπα, το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται συχνά από τους συντελεστές σχεδιασμού ενός υπόγειου έργου. Σκοπός της εργασίας είναι η όσο το δυνατόν πληρέστερη αντιμετώπιση του αντικειμένου, στην οποία να περιλαμβάνονται οι διάφορες μορφές επίδρασης της ανισοτροπίας στην κατασκευή. Η ανισοτροπία των πετρωμάτων οφείλεται αφενός στα εν γένει χαρακτηριστικά τους, όπως είναι ο σχισμός, η στρώση και η σχιστότητα, και αφετέρου στην παρουσία των ασυνεχειών. Τα θέματα αυτά περιγράφονται στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναπτύσσεται βιβλιογραφικά το θέμα της επίδρασης της ανισοτροπίας του πετρώματος στις μετατοπίσεις και στις τάσεις γύρω από μία σήραγγα. Περιγράφονται και αξιολογούνται οι υπάρχουσες κλειστές λύσεις τόσο για τις μετατοπίσεις του πετρώματος όσο και για την ολίσθηση των επιπέδων των ασυνεχειών γύρω από τη σήραγγα. Στην παρούσα εργασία, η μελέτη της επίδρασης της ανισοτροπίας του πετρώματος πραγματοποιήθηκε αξιοποιώντας εξειδικευμένα πακέτα λογισμικού προσομοίωσης γεωτεχνικών προβλημάτων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα FLAC 2D version 6.0 της Itasca, που συνιστά ένα ευρέως διαδεδομένο κώδικα αριθμητικής ανάλυσης με τη μέθοδο πεπερασμένων διαφορών. Επίσης πραγματοποιήθηκε εριορισμένος αριθμός αναλύσεων με το πρόγραμμα ABAQUS, που είναι ένας ισχυρός κώδικας πεπερασμένων στοιχείων. Στο τρίτο κεφάλαιο δίνεται μία συνοπτική περιγραφή των προγραμμάτων αυτών. Επιπλέον, πραγματοποιείται σύγκριση των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από τη χρήση τους με τα αποτελέσματα των κλειστών λύσεων που διερευνήθηκαν στο δεύτερο κεφάλαιο. Σε επόμενο στάδιο, ραγματοποιήθηκε μεγάλος αριθμός παραμετρικών αναλύσεων με τη χρήση του λογισμικού FLAC. Οι παραμετρικές αναλύσεις είχαν ως στόχο την διερεύνηση των κρίσιμων παραμέτρων που πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά το σχεδιασμό μίας σήραγγας σε ανισότροπο υλικό. Παράμετροι διερεύνησης αποτέλεσαν τόσο οι ιδιότητες του υλικού του άρρηκτου πετρώματος όσο και των ιδιοτήτων των ασυνεχειών, που αποτελούν και το κύριο στοιχείο της ανισοτροπίας του πετρώματος. Τα μοντέλα που κατασκευάστηκαν αφορούσαν: 1. Ελαστικές αναλύσεις διάνοιξης κυκλικής σήραγγας σε εγκάρσια ισότροπο πέτρωμα 2. Ελαστοπλαστικές αναλύσεις σε ανυποστήρικτη κυκλική σήραγγα λαμβάνοντας υπόψη την ολίσθηση μεταξύ των επιπέδων των ασυνεχειών 3. Ελαστοπλαστικές αναλύσεις όπως παραπάνω σε κυκλική σήραγγα με εσωτερική πίεση 4. Ελαστοπλαστικές αναλύσεις όπως παραπάνω σε κυκλική σήραγγα με δακτύλιο υποστήριξης. Τόσο η περιγραφή των μοντέλων όσο και ο σχολιασμός των αποτελεσμάτων τους περιλαμβάνονται στο τέταρτο κεφάλαιο της εργασίας. Στα αποτελέσματα παρατίθενται πλήθος διαγραμμάτων που παρουσιάζουν την επίδραση των παραμέτρων που αξιολογήθηκαν κατά την ανάλυση, τόσο στις μετατοπίσεις που προκαλούνται κατά την εκσκαφή, όσο και στις αξονικές δυνάμεις που αναπτύσσονται στο δακτύλιο υποστήριξης της σήραγγας. Για την παρουσίαση μίας ολοκληρωμένης έρευνας, επιλέχθηκε να πραγματοποιηθεί η προσομοίωση ενός πραγματικού προβλήματος ανισοτροπίας από τις υπό κατασκευή σήραγγες της Ελλάδος. Η σήραγγας Καλυδώνας, η οποία αποτελεί μέρος του μεγάλου αυτοκινητοδρόμου «Ιόνια Οδός», αποτελεί ένα υπόγειο τεχνικό έργο στο οποίο οι συνθήκες του πετρώματος αντιστοιχούν σε υλικό με ανισότροπη συμπεριφορά. Οι συνθήκες αυτές καθώς και στοιχεία από την μελέτη και κατασκευή του έργου δίνονται στο πέμπτο κεφάλαιο της εργασίας. Πραγματοποιήθηκε, ακόμη, σημαντικός αριθμός αναλύσεων που περιγράφονται στο έκτο κεφάλαιο, στις οποίες αξιοποιήθηκαν στοιχεία από την πραγματική μελέτη της σήραγγας Καλυδώνας, ούτως ώστε να προσομοιωθεί, όσο είναι αυτό υπολογιστικά δυνατό, η πραγματική κατάσταση των συνθηκών κατασκευής του έργου. Από την ανάλυση προκύπτουν ενδιαφέροντα αποτελέσματα τόσο για τις μετατοπίσεις που προκαλούνται εξαιτίας της εκσκαφής, όσο και των αξονικών δυνάμεων που αναπτύσσονται στην υποστήριξη που έχει επιλεχθεί από τη μελέτη.Συμπερασματικά, όπως αναφέρεται στο τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας, προκύπτει ότι η ανισοτροπία επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τη συμπεριφορά της σήραγγας κατά τη φάση κατασκευής. Η παρουσία των ασυνεχειών στο πέτρωμα διαφοροποιεί το πρόβλημα και το ξεχωρίζει από τις υπόλοιπες περιπτώσεις συνθηκών που συναντώνται σε διάφορες περιπτώσεις εκσκαφής σηράγγων. Οφείλει ο κάθε μελετητής να λάβει υπόψη του την παρουσία των ασυνεχειών στο πέτρωμα, καθώς επιφέρει σημαντικές μεταβολές στα αποτελέσματα που προκύπτουν τόσο από τις αναλύσεις προσομοίωσης όσο και από την πραγματική εικόνα κατά τη διάνοιξη.

The following Dissertation is a study on the effect anisotropy of the rock has on a tunnel’s behavior during the excavation process. At the point of designing an underground work, all contributors many times face the problem of anisotropy of the rock, as many rocks behave in that exact way. The aim is to deal with the problem as a whole, to the extent that this is possible, including many types of anisotropy effects facing during the construction process. Anisotropy of the rock is related on the one side to the general characteristics of the rocks, such as schism, layering and schistosity, and on the other, to the presence of discontinuities. All the above mentioned are presented in the first chapter of the work. In the second chapter, it is described, by the use of bibliography, the issue of anisotropy effect of rocks on displacements and stresses around a tunnel. Closed – form solutions are examined and evaluated, at first concerning displacements of the rock and then the slipping of the joints around the tunnel. In this Dissertation, the examination of the effect anisotropy of a rock has, is evaluated by the use of specialized software packages for simulation of geotechnical problems. More specifically, FLAC 2D version 6.0 of Itasca has been used. This is a widespread code of numerical analysis with the finite differences method. In addition, a limited number of analyses were performed with the use of ABAQUS program, which is a powerful code of finite elements. The third chapter includes a brief presentation of these programs. Moreover, a comparison between the results of the programs and of the closed – form solutions as resented in the second chapter, is performed. In the next stage, a large number of parametric analyses were performed using the software FLAC. These parametric analyses were designed in order to investigate the critical parameters that need to be taken into onsideration during the designing of a tunnel in anisotropic material. The parameters examined were both the material properties of rock and the properties of discontinuities. The properties of discontinuities are the principal element of rock anisotropy. The models that were designed concerned: 1. Elastic analyses of the excavation of a circular tunnel in a transversely isotropic rock 2. Elastoplastic analyses of a circular tunnel without support, taking into consideration the slipping of the joints 3. Elastoplastic analyses of a circular tunnel, as the above mentioned, with internal pressure 4. Elastoplastic analyses of a circular tunnel, as the above mentioned, with a ring - type support. Both the description of the model and the annotation of the results are included in the fourth chapter of the Dissertation. The results are plotted to a number of charts that present the effect of the parameters evaluated during the analysis on displacements that are caused by excavation and on the axial stresses that develop on the ring – type support of the tunnel. In order to present a full research, the simulation of a real problem of anisotropy was chosen to be made. This simulation was about an under construction tunnel project in Greece. “Kalydona” tunnel, which is part of the large highway called “Ionia Odos”, is an underground work in which the conditions of the rock faced correspond to material of anisotropic behaviour. These conditions faced, as well as data from the designing and construction studies of the work, are presented in the fifth chapter. A significant number of analyses are performed, all described in the sixth chapter, in which real data from the designing study have been used in order to simulate, as far as this is computably allowed, the real conditions of the construction of the work. From this analysis interesting results have been produced concerning the displacements caused by xcavation, as well as the axial stresses developing on the ring – type support of the tunnel, which is chosen from the designing study. In conclusion, as mentioned in the last chapter of the dissertation, it is shown that during the excavation process, anisotropy influences to a great degree the behaviour of the tunnel. The presence of rock discontinuities differentiates and separates the problem from the rest cases of conditions faced during the excavation of a tunnel. Each engineer who designs such a project must take into account the presence of rock discontinuities, because they lead to significant changes in the results obtained from both the simulation analysis and the real picture during the construction of the tunnel.