Εκτίμηση επικινδυνότητας και διακινδύνευσης καταπτώσεων βράχων σε πράνη οδοποιίας. Η περίπτωση της κοιλάδας των Τεμπών

Abstract

Η περιοχή της κοιλάδας των Τεμπών, στο τμήμα από το οποίο διέρχεται η Εθνική Οδός Αθηνών – Θεσσαλονίκης έχει γίνει πολλές φορές αντικείμενο μελέτης, εξαιτίας των συχνά παρατηρούμενων βραχοπτώσεων, σε ένα κομβικό σημείο για τη σύνδεση Κεντρικής και Νότιας Ελλάδας. Η εμφάνιση βραχοπτώσεων δημιουργεί πολλά προβλήματα, με κοινωνικές και οικονομικές επιπτώσεις. Πρόσφατο και σημαντικότατο γεγονός είναι το συμβάν που έλαβε χώρα στις 17/12/2009, περί τη Χ.Θ. 386+150 – 386+200, με συνολικό όγκο κατάπτωσης περίπου 300m3 και μέγιστο τέμαχος περίπου 20m3. Κατά το συμβάν αυτό, έχασε τη ζωή του ο διευθυντής του έργου διάνοιξης σηράγγων, Ιταλός μηχανικός Σέρτζιο Σιάνι. Με αφορμή τα παραπάνω, εκπονήθηκε η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία, που είχε διπλό σκοπό. Σε πρώτη φάση συλλέχθηκαν, αναλύθηκαν, παρουσιάστηκαν και συγκρίθηκαν οι κυριότερες μέθοδοι εκτίμησης της επικινδυνότητας και της διακινδύνευσης μίας βραχόπτωσης σε ένα πρανές οδικής αρτηρίας, ενώ στη συνέχεια, επιλέχθηκαν οι καταλληλότερες εξ αυτών και εφαρμόστηκαν σε δύο, κρίσιμα προς κατάπτωση, πρανή στο τμήμα της Ε.Ο. που διέρχεται από την κοιλάδα των Τεμπών, οδηγώντας σε χρήσιμα συμπεράσματα. Όσον αφορά τις μεθόδους εκτίμησης της επικινδυνότητας, βασικότερη είναι η μέθοδος Rockfall Hazard Rating System (RHRS) που πραγματοποιήθηκε για λογαριασμό της πολιτείας του Oregon από τον Pierson το 1991. Η μέθοδος λαμβάνει υπόψη της παραμέτρους όπως η γεωμετρία της διατομής του πρανούς, οι συνθήκες κυκλοφορίας, ο γεωλογικός χαρακτήρας της βραχόμαζας, το μέγεθος των επισφαλών προς αποκόλληση τεμαχών, οι κλιματολογικές συνθήκες και το ιστορικό καταπτώσεων. Στη μέθοδο αυτή βασίστηκαν πολλές μεταγενέστερες, όπως η NHI-RHRS (Pierson & Vickle, 1993), που είναι μία βελτίωση της προηγούμενης, η TRHRS (Vanderwater et al., 2005) που εφαρμόστηκε στην περιοχή του Tennessee, η CRHRS που εφαρμόστηκε στο Colorado από τους Santi et al., 2009 και περιλαμβάνει περισσότερες παραμέτρους και πλείστες άλλες μέθοδοι. Ακολουθώντας ίδια λογική, αλλά διαφορετικό τρόπο βαθμολόγησης, αναπτύχθηκε η μέθοδος FRHI (Singh, 2004) για ευσταθή βραχώδη ορύγματα, εκτιμώντας το επίπεδο επικινδυνότητας του πρανούς για εργάτες που δουλεύουν πέριξ αυτού. Επίσης, οι Marinos et al., 2008 ανέπτυξαν μία μέθοδο εκτίμησης της επικινδυνότητας για τη γενικευμένη περίπτωση ενός βραχώδους πρανούς, το οποίο δεν βρίσκεται απαραίτητα σε μία οδική αρτηρία. Τέλος, εκτίμηση της διακινδύνευσης είναι δυνατό να γίνει χρησιμοποιώντας 2D ή 3D προγράμματα προσομοίωσης της τροχιάς των καταπιπτόντων βραχωδών τεμαχών, τα οποία έχουν τη δυνατότητα να εκτιμούν τη μέγιστη κινητική ενέργεια του τεμάχους, πριν αυτό φτάσει στο οδόστρωμα. Στη συνέχεια, με κατάλληλα διαγράμματα (πχ Ελβετικές προδιαγραφές) συνδυάζεται η συχνότητα των βραχοπτώσεων με την κινητική ενέργεια των τεμαχών και εκτιμάται το επίπεδο της επικινδυνότητας. Για την εκτίμηση της διακινδύνευσης, περιγράφηκαν οι μέθοδοι WSDOT (2010) του τμήματος μεταφορών της Washington που αποτελεί μία απλουστευτική προσέγγιση της διακινδύνευσης, της ελβετικής υπηρεσίας FEDRO (2009) που έχει αναπτύξει μία εμπεριστατωμένη μέθοδο εκτίμησής της, ενώ τέλος παρουσιάστηκε και η μέθοδος QRA (Corominas & Mova, 2008) που αποτελεί μία ποσοτική. Ακολούθως, χρησιμοποιήθηκαν οι καταλληλότερες μέθοδοι για την εκτίμηση της επικινδυνότητας και της διακινδύνευσης σε δύο πρανή στην κοιλάδα των Τεμπών. Το πρώτο βρίσκεται μεταξύ της Χ.Θ. 386+200 – 386+300, όπου εξετάζεται ένα πρανές αποτελούμενο από λεπτοστρωματώδη κρυσταλλικό ασβεστόλιθο, με ύψος 90m και μέση γωνία ίση με 60˚. Το δεύτερο πρανές βρίσκεται μεταξύ της Χ.Θ. 387+060 – 387+160, αποτελείται από λεπτοστρωματώδη κρυσταλλικό ασβεστόλιθο, με ύψος 55m και μέση γωνία ίση με 70˚. Για την εκτίμηση της επικινδυνότητας χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι RHRS, NHI-RHRS και CRHRS, ενώ πραγματοποιήθηκαν και προσομοιώσεις τροχιάς με το πρόγραμμα RocFall της RocScience, όπου εκτιμήθηκε η μέγιστη κινητική ενέργεια των καταπιπτόντων τεμαχών, συνδυάστηκε με τη συχνότητα των καταπτώσεων και με βάση τις Ελβετικές προδιαγραφές, εκτιμήθηκε η επικινδυνότητα. Σύμφωνα με όλες τις μεθόδους (και τις αναλύσεις ευαισθησίας που έγιναν σε κάθε μία από αυτές), εκτιμάται ότι η επικινδυνότητά τους είναι (οριακά μέτρια έως) ΥΨΗΛΗ. Συνεπώς, είναι απαραίτητη η διεξαγωγή αναλύσεων για την εκτίμηση της διακινδύνευσης των δύο αυτών πρανών. Χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι FEDRO και QRA. Με βάση τα αποτελέσματά τους, εκτιμήθηκε πως η πιθανότητα να χάσει τη ζωή του ένα άτομο, που επιβαίνει σε ένα αυτοκίνητο και διέρχεται από το τμήμα μεταξύ Χ.Θ. 386+200 – 386+300 είναι της τάξης του 1,5 x 10-6, ενώ η αντίστοιχη τιμή για το τμήμα μεταξύ Χ.Θ. 387+060 – 387+160 είναι της τάξης του 5,0 x 10-6. Οι τιμές αυτές είναι χαμηλότερες από τα διεθνώς αποδεκτά όρια για τη διακινδύνευση. Ωστόσο, εκτιμάται πως συνδυαστικά γεγονότα ενδέχεται να αυξήσουν τα επίπεδά της και για αυτό κρίνεται απαραίτητο να ληφθούν μέτρα προστασίας των πρανών έναντι κατάπτωσης βράχων.

The Tempi Valley Gorge, where the Motorway, that connects Athens and Thessaloniki, is located, has often been studied for rockfall problems. The existence of these rockfalls causes many problems with social and economical consequences, in a crucial trail that connects the Central and Southern Greece. An important and recent rockfall event is the one that took place on 17/12/2009 at the section between 386+200 and 386+300, with an approximate total volume of 300m3 and a maximum block of 30m3 size. During this event, the tunneling project manager, Sergio Siani, was killed. Due to the above, this post-graduate thesis was conducted and includes two different parts. Initially, the main methods of hazard and risk assessment were collected, analyzed, presented and compared. At the second part, the most suitable of them were applied to two crucial sections of the Motorway passing through the Tempi Valley Gorge, leading to useful conclusions. Regarding the methods of hazard assessment, the most important is the one called Rockfall Hazard Rating System (RHRS), which was held on behalf of the State of Oregon by Pierson, 1991. This method takes into account parameters such as the geometry of the slope, traffic conditions, the geological character of the rockmass, the block’s size, weather conditions and the rockfall historical data. An improvement of this method is NHI-RHRS (Pierson & Vickle, 1993), while the method TRHRS was implemented by Vanderwater et al., 2005 in the region of Tennessee and the CRHRS method was applied by Santi et al., 2009 in Colorado and includes more parameters. Many other methods, based on RHRS are also implemented. Following the same patterns, but different scoring system Singh, 2004 developed FRHI on stable rocky excavations, concerning the slope’s hazard level for workers working next to it. Also, Marinos et al., 2008 developed a method of hazard assessment for a general case of a rocky slope, which is not necessarily located next to a road. Finally, a hazard assessment can be executed, using 2D or 3D simulation programs that track the block’s movement and estimate the maximum kinetic energy of the block before it reaches the ground. Then, with appropriate diagrams (eg Swiss methodologies), which combine the frequency of rockfall and the kinetic energy of the blocks, can estimate the level of hazard. For the risk assessment, the methods described here are: (a) the WSDOT method (2010) that was conducted by Washington State Department of Transportation and includes a simplistic approach, (b) a comprehensive probabilistic risk assessment method that is developed by the Swiss Federal Roads Office (FEDRO, 2009) and finally (c) a quantitative risk assessment method of QRA, developed by Corominas & Mova, 2008). Afterwards, the most appropriate methods were used in order to assess the level of hazard and risk in two section of the Motorway. The first section is located between 386+200 – 386+300. The slope that was examined consists of thin-bedded crystalline limestone, its height is about 90m and has an average slope angle of 60˚. The second slope is located between 387+060 – 387+160. The slope that was examined consists of thin-bedded crystalline limestone, its height is about 55m and has an average slope angle of 70˚. Methods RHRS, NHI-RHRS and CRHRS were used to assess the level of hazard on the two sections. In addition, the statistical analysis program RocFall of RocScience Inc. was used to estimate the maximum kinetic energy of the falling block, which was combined with the rockfall frequency and, according to the Swiss standards, lead to the estimation of the level of hazard. According to all these methods (and the sensitivity analysis performed on each of them), the level of hazard is estimated as (moderate to) HIGH. It is therefore necessary to assess the level of risk on both slopes. The methods FEDRO and QRA were used. Based on their results, the probability of a commuter passing through these section was estimated. For the section between 386+200 – 386+300 it reached the value of 1,5 x 10-6, while the corresponding value of the section between 387+060 – 387+160 reached the value of 5,0 x 10-6. These values are lower than the worldwide accepted limits of risk. On the other hand, it is estimates that a combination of multiple rockfall events, may increase these values and therefore appropriate protection measures must be implemented.