Διερεύνηση της μεταβολής των φορτίων της άμεσης υποστήριξης λόγω της εφερμογής μέτρων υποστήριξης στο μέτωπο εσκαφής

Abstract

Τα μέτρα υποστήριξης του μετώπου εκσκαφής χρησιμοποιούνται στη διάνοιξη σηράγγων σε ασθενή γεωυλικά, ώστε να βελτιώσουν τις συνθήκες ευστάθειας του μετώπου εκσκαφής, να περιορίσουν την αποτόνωση μπροστά από το μέτωπο εκσκαφής και επομένως να μειώσουν τις καθιζήσεις στην επιφάνεια στην περίπτωση αβαθών σηράγγων και την αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο κλάδων στην περίπτωση δίδυμων σηράγγων. Στη μηχανική όρυξη σηράγγων με τη χρήση Earth Pressure Balance Machine (EPB) ή Slurry Shield Tunnel Boring Machine (TBM), τα προαναφερθέντα επιτυγχάνονται με την πίεση υποστήριξης που εφαρμόζεται στο μέτωπο εκσκαφής. Στη συμβατική όρυξη σηράγγων, η παραμορφωσιακή απόκριση του μετώπου εκσκαφής βελτιώνεται με την χρήση αγκυρίων μετώπου fiberglass (υαλονημάτων) ή/και ομπρέλα μεταλλικών δοκών προπορείας. Τα αγκύρια μετώπου επιδρούν στον πυρήνα προώθησης ως πίεση υποστήριξης: είναι επομένως αποτελεσματικά όταν το πρόβλημα είναι η ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής, ενώ η ομπρέλα μεταλλικών δοκών προπορείας είναι κατά βάση μέτρο προστασίας για το ανυποστήρικτο τμήμα της εκσκαφής. Τα μέτρα υποστήριξης μειώνουν την έκθλιψη του μετώπου εκσκαφής, την προσύγκλιση και την αποτόνωση του μετώπου εκσκαφής και του πυρήνα προώθησης πριν την τοποθέτηση της άμεσης υποστήριξης και επομένως προκαλούν αύξηση στα φορτία της άμεσης υποστήριξης. Στη βιβλιογραφία υπάρχουν διαφορετικές εμπειρικές, αναλυτικές ή αριθμητικές μέθοδοι για την εκτίμηση των φορτίων στην άμεση υποστήριξη ή την τελική επένδυση. Ωστόσο, όλες οι μέθοδοι δεν λαμβάνουν υπόψη την επίδραση των μέτρων υποστήριξης του μετώπου στα φορτία της άμεσης υποστήριξης. Επομένως, στο πλαίσιο της συγκεκριμένης εργασίας, πραγματοποιήθηκαν τριδιάστατες αριθμητικές αναλύσεις με στόχο την περιγραφή του μηχανισμού του συγκεκριμένου φαινομένου και της ποσοτικοποίησης της αύξησης στα φορτία της άμεσης υποστήριξης συναρτήσει των γεωμετρικών και γεωτεχνικών παραμέτρων.

Τα αποτελέσματα των αριθμητικών αναλύσεων για το εύρος των περιπτώσεων που εξετάστηκαν έδειξαν ότι τα φορτία μπορεί να αυξηθούν έως και 80 % για H=2D=20 m και έως 40 % για H=5D=50 m. Οι πιο σημαντικές παράμετροι είναι η πίεση υποστήριξης στο μέτωπο εκσκαφής και η γωνία τριβής του γεωυλικού, η οποία στην περίπτωση του υποστηριγμένου μετώπου εκσκαφής επηρεάζει σημαντικά τη διατμητική αντοχή που αναπτύσσεται στις δυνητικές επιφάνειες αστοχίας. Αντίθετα, το μέτρο παραμορφωσιμότητας του γεωυλικού δεν επηρεάζει σημαντικά την αύξηση του φορτίου γιατί κατά βάση καθορίζει το «δυνητικό φορτίο», αλλά δεν επηρεάζει την αποτόνωση μπροστά από το μέτωπο εκσκαφής. Ο ρόλος του ύψους υπερκείμενων είναι ενσωματωμένος στους κανονικοποιημένους παράγοντες p/σo,m και σc/σo,m που χρησιμοποιούνται στη συγκεκριμένη εργασία γιατί οι τιμές του λόγου ps,m/pus,m παρουσιάζουν μικρές διαφορές για το ίδιο εύρος γεωτεχνικών συνθηκών. Η συνοχή του γεωυλικού μπορεί να διαφοροποιεί το λόγο ps,m/pus,m σε μεγάλο εύρος γεωτεχνικών συνθηκών, αλλά αν απομονωθεί το εύρος κοντά στην περιοχή της αστάθειας τότε ο ρόλος της συνοχής του γεωυλικού περιορίζεται. Λαμβάνοντας υπόψη τα προαναφερθέντα, προτείνεται ένα αντιπροσωπευτικό εύρος του λόγου ps,m/pus,m για κάθε συνδυασμό των σημαντικών παραμέτρων: γωνία τριβής και κανονικοποιημένη πίεση υποστήριξης του μετώπου εκσκαφής pfs/σho. Οι περιπτώσεις γεωτεχνικών συνθηκών για τις οποίες δεν θα χρησιμοποιούνταν μέτρα υποστήριξης του μετώπου εκσκαφής δεν έχουν συνυπολογιστεί.

Τα σύμβολα που χρησιμοποιούνται στην συγκεκριμένη εργασία είναι: pfs: ολομέτωπη κατανεμημένη πίεση υποστήριξης στο μέτωπο εκσκαφής της σήραγγας, ps & pus: τελικό φορτίο στην άμεση υποστήριξη της σήραγγας για υποστηριγμένο και ανυποστήρικτο μέτωπο εκσκαφής της σήραγγας (ο δείκτης m προσδιορίζει το μέσο όρο στη διατομή της εκσκαφής της σήραγγας), σho & σo,m: οριζόντια και μέση γεωστατική τάση στο επίπεδο του διαμήκη άξονα της σήραγγας, σc: αντοχή του γεωυλικού σε ανεμπόδιστη θλίψη.

Πίνακας: Προτεινόμενα εύρη τιμών για την αύξηση του φορτίου στην άμεση υποστήριξη της σήραγγας (ps,m/pus,m) λόγω της εφαρμογής μέτρων υποστήριξης στο μέτωπο εσκαφής της σήραγγας

H=2D=20 m H=5D=50 m φ=20ο φ=25ο φ=30ο φ=35ο φ=25ο φ=30ο φ=35ο ps,m/pus,m ps,m/pus,m ps,m/pus,m ps,m/pus,m ps,m/pus,m ps,m/pus,m ps,m/pus,m pfs/σho=0.10 1.00-1.10 1.10-1.15 1.10-1.20 1.20-1.25 1.10-1.20 1.10-1.25 1.15-1.35 pfs/σho=0.20 1.10-1.20 1.20-1.30 1.25-1.35 1.35-1.45 1.20-1.30 1.25-1.40 1.30-1.50 pfs/σho=0.40 1.25-1.35 1.35-1.45 1.45-1.60 1.55-1.70 pfs/σho=0.50 1.30-1.40 1.45-1.55 1.55-1.70 1.60-1.80

Face treatment measures are often used in tunnelling through weak formations in order to improve the face stability conditions, limit stress release (deconfinement) in front of the tunnel and thus reduce surface settlements in case of shallow tunnels and the interaction between the two branches in case of twin tunnels. In mechanized tunnelling using Earth Pressure Balance Machine (EPB) or Slurry Shield Tunnel Boring Machine (TBM), this is achieved by the pressure exerted on the excavation face. In conventional tunnelling, the behaviour of the tunnel face is often improved by fibreglass nails or/and forepole umbrella. Face nailing acts on the advance core as a retaining pressure; it is therefore very efficient when face stability is the problem and forepole umbrella is mainly a protective measure for the unsupported span of the tunnel. Face treatment measures decrease face extrusion, pre - convergence and deconfinement before the installation of the temporary support, and thus result in an increase of the loads on the support shell. Different methods can be found in the literature for estimating the loads on the temporary support or final lining based on empirical, analytical and numerical methods. Yet, all these approaches do not take into account the effect of face treatment on the loading of the support shell. Therefore, in the frame of this thesis, a set of 3D numerical analyses has been carried out aiming to describe the mechanism of this phenomenon and quantify the increase of the tunnel loads as a function of the geometrical and geotechnical parameters.

The numerical analyses results showed that, for the examined range of cases, the tunnel loads can be increased up to 80 % for H=2D=20 m and up to 40 % for H=5D=50 m. The most significant parameters are the face pressure and the geomaterial friction angle, which in the case of the supported tunnel face affects significantly the shear stress that is developed on the potential failure surfaces. On the contrary, geomaterial deformation modulus does not affect significantly the load increase since it mainly controls the “load potential” and not the deconfinement in front of the excavation face. The role of the overburden height is incorporated in the normalized factors p/σo,m and σc/σo,m that are used in the thesis since the values of the ratio ps,m/pus,m are very close for the same range of geotechnical conditions. The geomaterial cohesion may differentiate the ratio ps,m/pus,m in a large range of geotechnical conditions, but if the range close to instability is isolated then its role is reduced. Taking into account the aforementioned, a represenative range for the ps,m/pus,m ratio is proposed for every combination of the significant parameters: friction angle and normalized face pressure pfs/σho. The cases of favourable geotechnical conditions where face treatment would not be used have not been co - evaluated.

The symbols that are used in the thesis are pfs: tunnel face support pressure, ps & pus: final tunnel load for supported & unsupported tunnel face (the subscript m indicates the average around the section), σho & σo,m: horizontal & mean geostatic stress before the excavation at the level of the tunnel center, σc: geomaterial uniaxial compressive strength.

Table: Proposed ranges of values for the tunnel load increase on the temporary support (ps,m/pus,m) due to tunnel face support

Normalized Face Pressure H=2D=20 m H=5D=50 m φ=20ο φ=25ο φ=30ο φ=35ο φ=25ο φ=30ο φ=35ο ps,m/pus,m ps,m/pus,m ps,m/pus,m ps,m/pus,m ps,m/pus,m ps,m/pus,m ps,m/pus,m pfs/σho=0.10 1.00-1.10 1.10-1.15 1.10-1.20 1.20-1.25 1.10-1.20 1.10-1.25 1.15-1.35 pfs/σho=0.20 1.10-1.20 1.20-1.30 1.25-1.35 1.35-1.45 1.20-1.30 1.25-1.40 1.30-1.50 pfs/σho=0.40 1.25-1.35 1.35-1.45 1.45-1.60 1.55-1.70 pfs/σho=0.50 1.30-1.40 1.45-1.55 1.55-1.70 1.60-1.80