Διερεύνηση των καθιζήσεων του Μετρό της Θεσσαλονίκης με προηγμένα καταστατικά πρότυπα

Abstract

Η παρούσα διπλωματική πραγματεύεται την αποτίμηση των καθιζήσεων στην επιφάνεια του εδάφους κατά την κατασκευή των δίδυμων σηράγγων του μετρό Θεσσαλονίκης στο τμήμα Αγία Σοφία έως Σιντριβάνι. Οι καθιζήσεις λόγω κατασκευής σηράγγων εντός αστικού ιστού, πέραν ενός ορίου είναι ικανές να δημιουργήσουν σοβαρές καταστροφές, για το λόγο αυτό είναι απαραίτητο να μετρώνται και να εντοπίζονται έγκαιρα οι θέσεις όπου το φαινόμενο εξελίσσεται. Η γεωλογία της περιοχής διερεύνησης αποτελείται από ένα λεπτό στρώμα τεχνητών επιχώσεων στο οποίο υπόκεινται νεογενείς στιφρές ερυθρές άργιλοι. Η διάνοιξή των σηράγγων γίνεται εντός της σειράς των ερυθρών αργίλων, μέσω δύο Μηχανών Ολομέτωπης Κοπής με Ασπίδα και Εξισορρόπηση της Πίεσης του Εδάφους (EPBS – TBM). Αρχικά, μέσω των μετρήσεων των γεωδαιτικών οργάνων και με γεωστατιστικές μεθόδους εντοπίζονται οι θέσεις που σημειώθηκαν καθιζήσεις καθ’ όλο το μήκος του μεσοδιαστήματος Αγία Σοφία έως Σιντριβάνι. Από τις τρείς θέσεις που εντοπίστηκαν λεκάνες καθιζήσεων μόνο σε μία μπορεί να θεωρηθεί με ασφάλεια ότι οι καθιζήσεις οφείλονται αποκλειστικά στην διάνοιξη των σηράγγων. Στη θέση αυτή σημαντικές καθιζήσεις καταγράφηκαν από δύο όργανα. Το ένα όργανο βρίσκεται κοντά στην Καμάρα και το άλλο στον Ιερό Ναό Παναγίας της Δεξιάς. Σε τομές εγκάρσια στον άξονα των σηράγγων, στις θέσεις των οργάνων αυτών, έγινε προσαρμογή της κανονικής κατανομής Gauss στα αποτελέσματα της γεωστατιστικής. Μέσω της κατανομής Gauss βρέθηκε η απώλεια εδαφικού όγκου που προκλήθηκε τόσο από την διέλευση του ΤΒΜ1 όσο και του ΤΒΜ2. Ελέγχθηκε, επίσης, το κατά πόσο οι παράμετροι λειτουργίας των ΤΒΜ στις θέσεις αυτές δικαιολογούν την δημιουργία καθιζήσεων. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ανάστροφη ανάλυση με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων κάνοντας χρήση τριών καταστατικών μοντέλων εδάφους. Του Mohr-Coulomb, του Hardening Soil και του προηγμένου HSsmall. Οι παράμετροι των μοντέλων αυτών υπολογιστήκαν αναλυτικά από τις δοκιμές που έγιναν στην περιοχή διερεύνησης. Κανένα καταστατικό μοντέλο δεν προσέγγισε επαρκώς την μέγιστη καθίζηση που σημειώθηκε στις δύο αυτές θέσεις. Το γεγονός αυτό αν συνυπολογιστούν και η πολύ μικρή καθίζηση των γειτονικών οργάνων και οι παράμετροι λειτουργίας των ΤΒΜ, οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η μετακίνηση των οργάνων αυτών ενδέχεται να μην οφείλεται στην κατασκευή των σηράγγων. Το μοντέλο Mohr-Coulomb υπολογίζει τη μικρότερη μέγιστη καθίζηση, το εύρος όμως της οποίας είναι το μεγαλύτερο. Η μη διαρροή του εδάφους που προσομοιώνεται με το μοντέλο αυτό στην περιφέρεια των εκσκαφών, οδηγεί στον υπολογισμό των μεγαλύτερων φορτίων στην υποστήριξη. Τα μοντέλα Hardening Soil και HSsmall επιδεικνύουν παρεμφερή αποτελέσματα, με την μέγιστη καθίζηση να προσεγγίζει καλύτερα από ότι με το μοντέλο Mohr – Coulomb και τα φορτία της υποστήριξης να είναι σημαντικά μικρότερα λόγω της πλήρους πλαστικοποίησης του εδάφους στην περιφέρεια των εκσκαφών.

This thesis deals with the settlements due to the construction of the twin tunnels’ segment, that passes through Agia Sofia to Sintrivani, of Thessaloniki’s metro. Settlements due to tunnel construction in urban environment are capable of creating serious damages, if they fail to respect settlement limits for structures above the tunnels. For this reason, it is necessary to identify in time and measure the sites, where the settlements evolve. The geology of the envisaged segment consists of an upper thin layer of manmade deposits, underneath of which exists a layer of red stiff clay. The boring of the tunnels takes place in between the red stiff clay layer, with two “Earth Pressure Balance with Shield Tunnel Boring Machines” (EPBS-TBM). Initially, through the measurements of geodetic instruments and the elaboration with geostatical analysis can be determined the sites, where settlements occurred throughout the segment Agia Sofia – Sintrivani. From the three detected sites, only in one it can be safely assumed that the settlements are entirely due to tunneling. In this particular site only two instrument measured important displacements. The first one is situated nearby the Arch of Galerius, the other one is situated nearby Church Panagia Deksia. In cross-sections, at the sites of those instruments, there was adjustment of the Gaussian form equation to the results of the geostatical analysis. Trough the Gaussian equation adjustment, the volume loss, independently for the two TBMs, was calculated. A back analysis was held with Finite Element Method, using three particular Material Models. Those three Material Models are: the Mohr-Coulomb model, the Hardening Soil model and the advanced Hardening Soil with Small Strain Stiffness model. The parameters were chosen from the soil tests at the envisaged site. None of the Material Models managed to approximate the maximum settlements measured. According to this, if the low displacement of the nearby instruments and the TBM operational parameters are taken into account, we can conclude that the settlements of the specific instruments are not due to the tunnel construction. The Mohr-Coulomb material model calculates the lowest settlements, while the Hardening Soil and the HSsmall material models calculate higher and more identical to each other settlements. The Mohr-Coulomb material model calculates the highest lining forces due to its permanent elastic behavior.