Επιτελεστικότητα των μηχανών EPB κατά τη διάνοιξη σηράγγων. Η περίπτωση του Μετρό Θεσσαλονίκης.

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την εκτίμηση, αξιολόγηση και ανάλυση των λειτουργικών παραμέτρων που επηρεάζουν την επίδοση των μηχανών με ασπίδα εξισορρόπησης εδαφικής πίεσης (EPB) κατά τη διάνοιξη σηράγγων σε μαλακό έδαφος. Κατά το στάδιο της μελέτης και της εκτέλεσης ενός έργου, η πρόβλεψη και η εκτίμηση της επίδοσης ενός μηχανήματος ολομέτωπης κοπής (TBM) είναι υψίστης σημασίας για τη διαμόρφωση του χρονοδιαγράμματος και πραγματοποιείται βάσει γεωλογικών συνθηκών, μηχανικών και λειτουργικών παραμέτρων. Στην εργασία αυτή μελετάται ένα τμήμα του Μετρό Θεσσαλονίκης συνολικής έκτασης περίπου 2,5 km. Το συγκεκριμένο τμήμα εκτείνεται από τη Χ.Θ. 3+427 μέχρι τη Χ.Θ. 5+810, στην περιοχή μεταξύ των Σταθμών Πανεπιστήμιο και Αναλήψεως. Οι κύριοι σχηματισμοί της περιοχής του έργου συνίστανται από μια σειρά ερυθρών αργίλων Ανωμειοκαινικής-Πλειοκαινικής ηλικίας, ιζήματα ψαμμίτη-αργιλοασβεστίου και σχηματισμούς του Τεταρτογενούς, το σύνολο των οποίων ομαδοποιείται με βάση τα φυσικά και μηχανικά τους χαρακτηριστικά. Η επιλογή του EPB-TBM για το έργο υπαγορεύεται από τα εδαφικά χαρακτηριστικά και τις απαιτήσεις που αφορούν στην ελαχιστοποίηση των επιφανειακών καθιζήσεων. Για την εκτίμηση της επίδοσης του μηχανήματος στο έργο γίνεται ενδελεχής μελέτη της αλληλεπίδρασης των κυριότερων λειτουργικών παραμέτρων. Πιο συγκεκριμένα, προσδιορίζεται η σχέση μεταξύ της χρησιμοποιούμενης ροπής και της δύναμης ώθησης με το ρυθμό στιγμιαίας διείσδυσης (PR). Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων υποβοηθείται από τα τεχνικογεωλογικά και γεωτεχνικά χαρακτηριστικά των υπό εκσκαφή γεωλογικών ενοτήτων και τις χρονικές καθυστερήσεις που έλαβαν χώρα κατά τη διάρκεια της εκσκαφής. Στη συνέχεια, υπολογίζεται ο συντελεστής χρησιμοποίησης (Utilization Factor) του μηχανήματος, συσχετίζοντας την προχώρηση του έργου με τις χρονικές παραμέτρους που αφορούν την κατανομή του χρόνου εκσκαφής για τις προγραμματισμένες ή μη εργασίες. Συνοπτικά, χρησιμοποιήθηκαν τρεις μέθοδοι υπολογισμού του συντελεστή χρησιμοποίησης, σύμφωνα με τον Stempowski (1996), καθένας από τους οποίους αποδίδει βαρύτητα σε διαφορετικές χρονικές παραμέτρους, προκειμένου να είναι εφικτή η αξιόπιστη εκτίμηση της πραγματικής εικόνας της προχώρησης του έργου, λαμβάνοντας υπόψη τις πραγματικές συνθήκες, δηλαδή τις εδαφικές συνθήκες και τις χρονικές καθυστερήσεις.

The present thesis aims to estimate and analyze the machine parameters that govern the performance of Earth Pressure Balance (EPB) Tunnel Boring Machines (TBMs) in soft ground tunnelling. During project planning and construction, the prediction and evaluation of TBM performance are key factors in project schedule preparation, and are based on the geological conditions and the operational parameters of the machine. This thesis deals with a section of the Thessaloniki Metro project in Greece, of nearly 2,5 km. The excavated tunnel includes the section from Chainage 3+427 to 5+810, between Panepistimio and Analipseos Stations. The geology of the area along the alignment is characterized by a geotechnical formation of Red Clay Series, dating to Upper Miocene-Pliocene, Neogene Sandstone-Marl series, and Quaternary sediments. The types of formations are categorized regarding the variation of their physical and mechanical properties. The selection of an EPB-TBM for the project is justified by the soil characteristics and is based on demands concerning the control of surface settlements. TBM performance is determined by means of thorough investigation of the relationship between the main operational parameters. As a consequence, efforts are made to correlate the influence of torque on thrust force, and vice versa, with the penetration rate (PR). The results are, then, evaluated taking into consideration the geological and geotechnical site conditions as well as various time-dependent factors that cause downtimes to the operation. Additionally, considering the field TBM data from the tunnel, the next step is the estimation of the Utilization Factor, which links the advance rate and penetration rate and is mostly affected by TBM downtimes. In particular, three different methods for estimating the utilization factor are presented, according to Stempkowski (1996), each corresponding to different components of the service lifetime of a TBM. The estimated values present an interpretation of comprehensive field and machine data which lead to an accurate and appropriate understanding of the advance of the project.