Μελέτη της μεταφοράς των φορτίων της άμεσης υποστήριξης στην τελική επένδυση σηράγγων

Abstract

Σημαντικό κομμάτι στη μελέτη της τελικής επένδυσης σηράγγων είναι η ορθολογική εκτίμηση τόσο της κατανομής όσο και της τιμής των φορτίων από το περιβάλλον γεωυλικό. Η εκτίμηση αυτή, όμως, αποτελεί ένα ιδιαίτερα σύνθετο πρόβλημα, τόσο λόγω των αβεβαιοτήτων αναφορικά με τον προσδιορισμό των γεωλογικών και γεωτεχνικών συνθηκών που επικρατούν, όσο και εξαιτίας της έλλειψης μίας ευρέως αποδεκτής μεθόδου προσέγγισης των φορτίων της τελικής επένδυσης από το περιβάλλον γεωυλικό. Γενικά, τα στάδια για την κατασκευή μιας σήραγγας είναι τα εξής: αρχικά, γίνεται η εκσκαφή της σήραγγας και παράλληλα, τοποθετούνται τα μέτρα άμεσης υποστήριξης (εκτοξευόμενο σκυρόδεμα, αγκύρια βράχου κοκ.). Αυτή η διαδικασία προχωράει με σταθερό βήμα προώθησης του μετώπου εκσκαφής, έως ότου ολοκληρωθεί σε όλο το μήκος της σήραγγας. Στη συνέχεια, και αφού πρώτα έχουν ισορροπήσει τα μέτρα άμεσης υποστήριξης με τη βραχόμαζα, κατασκευάζεται η τελική επένδυση, στο εσωτερικό του δακτυλίου του εκτοξευόμενου σκυροδέματος. Η τελική επένδυση αρχικά είναι αφόρτιστη και, ακολούθως, φορτίζεται εξαιτίας της απαξίωσης των μέτρων άμεσης υποστήριξης και των χρονικά εξαρτημένων φαινομένων (π.χ. ερπυσμός). Η παρούσα διπλωματική εργασία διερευνά τον τρόπο μεταφοράς του φορτίου των εκάστοτε μέτρων άμεσης υποστήριξης στην τελική επένδυση σήραγγας κυκλικής διατομής (D=10m) και βάθος διάνοιξης H=10D=100m, αμελώντας την επίδραση των χρονικά εξαρτημένων φαινομένων. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιήθηκε πλήθος αριθμητικών αναλύσεων με το λογισμικό προσομοίωσης πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS. Το μοντέλο, που χρησιμοποιήθηκε στις αναλύσεις αυτές, δημιουργήθηκε στο σχεδιαστικό περιβάλλον του MSC Patran. Από τις αριθμητικές αναλύσεις προέκυψαν αποτελέσματα για τις, αναπτυσσόμενες γύρω από τη σήραγγα, μετατοπίσεις και πλαστικές παραμορφώσεις, τις κατανομές των πιέσεων επί του εκτοξευόμενου σκυροδέματος και επί της τελικής επένδυσης και τις αναπτυσσόμενες, επί των αγκυρίων βράχου, αξονικές τάσεις. Σημαντικό ρόλο στην επεξεργασία των αποτελεσμάτων αυτών έπαιξαν συγκεκριμένες παράμετροι, όπως ο συντελεστής γεωστατικών ωθήσεων Κ και ο δείκτης ποιότητας της βραχόμαζας, σc/po,m (αντοχή της βραχόμαζας ανηγμένη στη μέση γεωστατική τάση). Επιπλέον, εξήχθησαν αποτελέσματα με τη βοήθεια των καμπυλών σύγκλισης-αποτόνωσης (αναλυτικές λύσεις) και πραγματοποιήθηκε ποιοτική, κυρίως, σύγκριση των δύο διαφορετικών επιλύσεων και, ειδικότερα, του τρόπου που μεταφέρονταν, ανά περίπτωση, τα αποτελέσματα από τα μέτρα άμεσης υποστήριξης στην τελική επένδυση. Στο σημείο αυτό αξίζει να αναφερθεί πως αρχικά πραγματοποιήθηκαν αριθμητικές αναλύσεις για ολομέτωπη διάνοιξη της σήραγγας. Από την επεξεργασία αυτών των αριθμητικών αναλύσεων, φάνηκε ότι τα αγκύρια βράχου ενεργοποιούνται σε πολύ μικρό βαθμό και το φορτίο της άμεσης υποστήριξης μεταφέρεται σχεδόν αυτούσιο στην τελική επένδυση, στην πλειονότητα των περιπτώσεων. Η μικρή συμβολή των αγκυρίων στην ανάληψη της συνολικής φόρτισης μας οδήγησε στην πραγματοποίηση αριθμητικών αναλύσεων, στις οποίες η διάνοιξη της σήραγγας λαμβάνει χώρα σε δύο φάσεις εκσκαφής. Τα κυριότερα συμπεράσματα που προέκυψαν από τις αναλύσεις αυτές αφορούν στη μεγάλη συμβολή των αγκυρίων στην ανάληψη της συνολικής φόρτισης και την "ανακούφιση" του εκτοξευόμενου σκυροδέματος και της τελικής επένδυσης, σε σχέση με την ολομέτωπη εκσκαφή της σήραγγας. Παρά το γεγονός ότι η τελική επένδυση αναλαμβάνει μικρότερα θλιπτικά φορτία στην περίπτωση της εκσκαφής σε δύο φάσεις, η διαστασιολόγηση της είναι δυσμενέστερη, καθώς η κατάργηση της λειτουργίας του κλειστού δακτυλίου οδηγεί στην ανάπτυξη ροπών στη διατομή της σήραγγας.

A significant part of the research on the tunnel final lining is the rational assessment of the distribution and the values of the load from the surrounding geomaterial. However, this assessment is a complex problem, because of the uncertainties regarding the determination of the geological and geotechnical conditions and the lack of a widespread method for the estimation of the load. In general the first phase in tunnel construction is the excavation and the installation of the temporary support measures (shotcrete, rock bolts etc) in the whole tunnel length. Then, since the system surrounding geomaterial – temporary support has reached equilibrium the final lining is constructed inside the shotcrete ring. The final lining is initially not loaded and subsequently it is being loaded due to the deactivation of the temporary support measures and time - dependent phenomena (e.g. creep). The present thesis investigates the mechanism that the load of temporary support measures is transferred to the final lining, for the case of tunnels with circular cross section (D=10m) and excavation depth H=10D=100m, neglecting the influence of time-dependent phenomena. For this purpose numerical analyses have been carried out with finite element code ABAQUS. The model used in this analysis was created in the design environment of the MSC Patran finite elements code. The results derived from the numerical analyses concern mainly the displacements and plastic deformations around the tunnels section, the distribution of pressure on the shotcrete shell and the final lining and the development of the anchors axial forces. The most significant parameters for the problem description are the geostatic stress ration K and the index of geotechnical conditions σc/po,m (geomaterial strength divided by the mean geostatic stress). In addition, a similar approach was adopted using the convergence-confinement curves (analytical solution) which lead to the same qualitatively distribution of the results. It is noted that the initial numerical analyses concerned full face excavation. From the elaboration of the numerical analysis, it appeared that the rock anchors were activated at a very low level. The small contribution of bolts in the overall load leads to a new set of numerical analyses, with two phase excavation of tunnel section (Top Heading and bench). The main conclusions illustrated from these analyses are the increase of the contribution of the bolts in the overall tunnel load and the "relief" of shotcrete and final lining, compared with the full face excavation of the tunnel. Although the final lining undertakes less loads in the case of excavation in two phases, the dimensioning may lead to more unfavourable results, since the abolition of the closed ring shape leads to the development of larger moments on tunnel section.