Η αξιολόγηση των τεχνικογεωλογικών-γεωτεχνικών συνθηκών και η εφαρμογή της στην εκτίμηση των επιφανειακών μετακινήσεων σε σχέση με τη μηχανοποιημένη διάνοιξη σηράγγων εφαρμόζοντας αριθμητικές μεθόδους ανάλυσης-Το παράδειγμα γραμμής επέκτασης του ΜΕΤΡΟ Θεσσαλονίκης

Abstract

Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο την εξέταση και ανάλυση των γεωλογικών, τεχνικογεωλογικών και γεωτεχνικών συνθηκών που αναμένεται να απαντηθούν στην περιοχή της επέκτασης προς Σταυρούπολη του ΜΕΤΡΟ Θεσσαλονίκης. Η επέκταση εκτείνεται από το Σταθμό Δημοκρατίας, ο οποίος ανήκει στο βασικό έργο, προς το Δήμο Σταυρουπόλεως. Από τη γεωτεχνική αξιολόγηση των σχηματισμών, οι γεωτεχνικές ιδιότητες που θα προκύψουν για αυτούς θα αποτελέσουν δεδομένα εισαγωγής σε κατάλληλα διαμορφωμένο αριθμητικό προσομοίωμα, για την εκτίμηση των επιφανειακών καθιζήσεων και της ευστάθειας του μετώπου εκσκαφής κατά την όρυξη της σήραγγας. Με την πλήρη δόμηση και ανάπτυξη των αστικών περιοχών και τον αυξανόμενο αριθμό των χρησιμοποιούμενων οχημάτων στη σύγχρονη εποχή, η δυνατότητα για κατασκευή επίγειων οδικών αξόνων που θα εξυπηρετήσουν την ανάγκη για γρήγορη και ασφαλή μετακίνηση των πολιτών έχει περιοριστεί σημαντικά. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα ο άνθρωπος να στραφεί προς την εκμετάλλευση του υπεδάφους και τη δημιουργία μητροπολιτικών, υπόγειων σιδηροδρόμων προς επίλυση του εν λόγω προβλήματος. Με την κατασκευή του ΜΕΤΡΟ στη Θεσσαλονίκη πραγματοποιείται προσπάθεια προκειμένου να επιτευχθεί αυτός ο σκοπός. Παρόλα αυτά όμως, όπως όλες οι σύγχρονες μεγαλουπόλεις, πρόκειται για ένα ιδιαίτερα επιβαρυμένο, αστικό περιβάλλον γεννώντας την ανάγκη για την εφαρμογή μεθόδων εκσκαφής που σκοπό θα έχουν την όσο το δυνατόν μικρότερη όχληση για το περιβάλλον έδαφος. Συνεπώς, όπως και για το βασικό έργο του ΜΕΤΡΟ Θεσσαλονίκης, και για την επέκταση του προς Σταυρούπολη είναι προγραμματισμένο να εφαρμοστεί η μηχανοποιημένη μέθοδος εξισορρόπησης της εδαφικής πίεσης ΕΡΒ (Earth Pressure Balance), με σκοπό την όσο το δυνατόν μικρότερη διαταραχή του περιβάλλοντος εδάφους και της εδαφικής επιφάνειας κατά τη διάνοιξη. Η επέκταση προς Σταυρούπολη, στην οποία εστιάζεται η παρούσα εργασία, θα διαθέτει 6 σταθμούς και συνολικό μήκος περίπου 6.5km. Οι γεωλογικές συνθήκες που αναμένεται να επικρατήσουν στην περιοχή του έργου συνθέτονται από την παρουσία Τεταρτογενών, εδαφικών σχηματισμών, Νεογενών, εδαφικών σχηματισμών καθώς και βραχώδων σχηματισμών της Ενότητας του Χορτιάτη, οι οποίοι συνθέτονται από Πρασινοσχιστόλιθους και διαμορφώνουν το αλπικό υπόβαθρο της περιοχής. Η κατασκευή του συγκεκριμένου έργου, μέσα σε ένα έντονα αστικό περιβάλλον, δημιουργεί την απαίτηση για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των σχηματισμών κατά την εκσκαφή της σήραγγας και την επιρροή αυτής στην εδαφική επιφάνεια, όπου συντελείται το σύνολο της δραστηριότητας της πόλης, ώστε να αποφευχθούν δυνητικά επικίνδυνες καταστάσεις. Για το λόγο αυτό εκτελέστηκε αρχικά γεωλογική και γεωτεχνική αξιολόγηση των γεωυλικών, με σκοπό την παρουσίαση επικρατούντων στην περιοχή του έργου σχηματισμών και τον προσδιορισμό των γεωτεχνικών τους ιδιοτήτων, και στη συνέχεια αξιοποιώντας τα εν λόγω δεδομένα κατασκευάστηκε τρισδιάστατο, αριθμητικό προσομοίωμα για συγκεκριμένο τμήμα της επέκτασης, προκειμένου να εκτιμηθούν οι επιφανειακές καθιζήσεις και η ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής. Τα στοιχεία που αξιοποιήθηκαν κατά τη γεωλογική και γεωτεχνική αξιολόγηση προέρχονται από ένα σύνολο 72 γεωτρήσεων κατά μήκος της χάραξης της σήραγγας και αξιοποιήθηκαν τα αποτελέσματα επί τόπου και εργαστηριακών δοκιμών, τόσο για τη διαίρεση των γεωυλικών σε αντιπροσωπευτικούς σχηματισμούς, όσο και για τον προσδιορισμό των γεωτεχνικών τους παραμέτρων. Το αποτέλεσμα της αξιολόγησης συνθέτει κατάλληλα διαμορφωμένη, γεωτεχνική τομή κατά μήκος της επέκτασης. Για την εκτίμηση του διαμήκους και εγκάρσιου στον άξονα προφίλ των επιφανειακών καθιζήσεων και της ευστάθειας του μετώπου εκσκαφής πραγματοποιήθηκαν αριθμητικές αναλύσεις στο πρόγραμμα Abaqus, τα αποτελέσματα των οποίων συγκρίθηκαν με αναλυτικές επιλύσεις για λόγους πληρότητας.

This particular thesis has as an object to examine and analyze the geological and geotechnical conditions which are estimated to be met in the area of the extension line of the Thessaloniki METRO towards Stavroupoli. The extension starts from the Democratia Station, which is part of the basic project, and ends in the municipality of Stavroupoli. From the geotechnical assessment of the geological formations, the geotechnical properties which are going to occur will be used as input data in an appropriately formed numerical model, in order to estimate the surface settlements and the stability of the excavation face during the construction of the tunnel. As a result of the vast development of the urban areas and the increase in private vehicle use in the recent years, the possibility to construct highways which are going to serve the demand of rapid and safe transport has been limited significantly. This is the main reason why man has turned towards the exploitation of the underground space and the construction of underground, metropolitan railways. The construction of the Thessaloniki METRO is an ambitious effort to fulfill this objective. However, in this particular project we have to deal with a heavily urban environment, which is a common thing in big cities, and creates the demand of the application of tunneling methods which will induce the least possible disturbance on the surrounding environment. As a result of this, for the construction of the extension line of Stavroupoli will be applied mechanized tunneling making use of an EPB (Earth Pressure Balance) machine, as in the basic project of the Thessaloniki METRO, in order to minimize the disturbance of the surrounding soil and the soil surface during the construction. The extension line to Stavroupoli, on which this particular thesis focuses, is going to have 6 stations and a total length of 6.5km. The geological conditions which are estimated to be met in the area of the project are characterized of the presence of Quaternary, soil formations, Neogene, soil formations and rocky formations of the Chortiatis Unit, which consist of Green Schists and form the alpine base of the area. The construction of this particular project, which is located in a heavily urban environment, creates the demand for the estimation of the behavior of the formations during the tunneling process and the influence of it on the soil surface, where the human activity takes place, in order to avoid hazardous situations. In order to achieve this, initially it was performed the geological and geotechnical assessment of the geomaterials, in order to distinguish the main formations and define their geotechnical properties. Additionally, they will be used as input data in a numerical model for a specific part of the extension, in order to estimate the surface settlements and the stability of the excavation face. The data which have been evaluated during the geological and geotechnical assessment come from the logs of 72 boreholes along the tunnel axis and include results of in situ and laboratory tests. The data were used to divide the geomaterials in main geotechnical formations and define their geotechnical properties. The result of the assessment is a geotechnical cross section along the tunnel axis with the mechanical properties of the formations completely defined. For the estimation of the settlement profile along the tunnel axis and transverse to it and the stability of the excavation face, numerical analyses were performed in the program Abaqus and the results of the analyses were compared with analytical solutions.