Vrkljan_tuneli-komplet Knjiga-1-442.pdf

Podzemne građevine i tuneli

Ivan Vrkljan Građevinski fakultet Sveučilišta u Rijeci Institut građevinarstva Hrvatske d.d. Zagreb

Podzemne građevine i tuneli Ivan Vrkljan Izvanredni profesor na Građevinskom fakulteut Sveučilišta u Rijeci Voditelj odjela za laboratorijska i terenska ispitivanja i opažanja u Zavodu za geotehniku Instituta građevinarstva Hrvatske u Zagrebu [email protected]

Građevinski fakultet Sveučilišta u Rijeci Institut građevinarstva Hrvatske d.d. Zagreb

Predgovor Problematika građenja u podzemlju zahvaća enormno široko područje s obzirom na prirodne uvjete, urbanistička ograničenja, zahtjevane dimenzije građevine, raspoložive tehnologije građenja i slično. Zato ovaj udžbenik treba prihvatiti kao uvod u problematiku građenja tunela a ne kao izvor rješenja inženjerskih problema. Namjenjen je prvenstveno studentima građevinskih fakulteta na dodiplomskoj nastavi. Naglasak u udžbeniku dan je na moderne tehnologije građenja te principe i tehnike stabiliziranja podzemnih iskopa. Udžbenik ima naslov predmeta koji se predaje na prometnom usmjerenju Građevinskog fakulteta u Rijeci. Naslov nagovještava razliku tunela i podzemnih građevina. Uobičajeno je da se pod tunelima podrazumjevaju linijski objekti kod kojih je jedna dimenzija u odnosu na druge dvije značajno veća. Pod podzemnim građevinama se pak podrazumjevaju objekti kod kojih ta treća dimenzija nije toliko naglašena u odnosu na druge dvije (strojarnice hidrocentrala, podzemna skladišta, sportski, kulturni i i drugi sadržaji). U mnogim slučajevima su uz hrvatske riječi napisani i odgovarajući engleski izrazi kako bi se studentima olakšalo usvajanje novih engleskih riječi. Neka od poglavlja sadrže i engleskoengleski riječnik s tumačenjem značenja pojedinog pojma. Koncepcija udžbenika prilagođena je digitalnoj formi koja omogućuje permanentno nadopunjavanje novim spoznajama. Svaka promjena nekog od poglavlja bit će označena novom revizijom u nazivu datoteke. Podzemni prostori u rudarstvu koji služe za pripremu, pristup i eksploataciju mineralnih sirovina nisu tretirani u ovom udžbeniku.

Ivan Vrkljan

Podzemne građevine i tuneli

1

Sadržaj 1

Općenito o podzemnoj gradnji 1.1 Uvod 1.2

Povijest podzemne gradnje

1.3

Definicija i klasifikacija tunela

1.3.1 1.3.2

Klasifikacija s obzirom na namjenu Klasifikacija s obzirom na zahtjevanu sigurnost

1.4

Budućnost podzemne gradnje

1.5

Rizici

1.6

Rekordi u podzemnoj gradnji

1.7

Rječnik

1.8

Literatura

1.9

Prilozi

1.9.1 1.9.2 1.9.3 1.9.4

2

Najduži cestovni tuneli u svijetu Najduži željeznički tuneli u svijetu Cestovni tuneli u Hrvatskoj Uronjeni i plitko bušeni tuneli ispod vode Geotehnička istraživanja za tunele i druge podzemne prostore 2.1 Uvod 2.2

3

4

Pristup stijeni 2.2.1

Prethodna istraživanja

2.2.2 2.2.3

Istraživanja tijekom graĎenja Dokumentacija koja ostaje nakon završetka graĎenja

2.3 2.4

Tipovi i količina geotehničkih istražnih radova Metode geotehničkih istraživanja

2.5

Analiza rezultata istraživanja

2.6

Tehnike istraživanja 2.6.1

Istražna bušenja i iskopi

2.6.2

Geofizička ispitivanja

2.7

Rječnik

2.8

Literatura

Klasifikacija stijenskih masa 3.1 Uvod 3.2

RMR-Gemehanička klisfikacija (Rock Mass Rating system)

3.3

3.2.1 Primjena geomehaničke klasifikacije Q-sistem

3.4 3.5

3.3.1 Primjena Q-sistema Veza Q-sistema i RMR klasifikacije Rječnik

3.6

Literatura

Primarna i sekundarna naprezanja 4.1 Uvod

Sadržaj 4.2

2 Primarna naprezanja 4.2.1

Mjeranja primarnih naprezanja 4.2.1.1 Pokus tlačnim jastucima

4.2.1.2 Pokus hidrauličkog frakturiranja 4.2.1.3 Overcoring metode 4.2.1.4 Pokus tlačnim jastucima 4.3

5

Sekundarna naprezanja 4.3.1

Zatvorena rješenja

4.3.2

Numerički modeli

4.3.3

Rječnik

4.3.4

Literatura

Stijena kao inženjerski materijal 5.1 Uvod 5.2 Intaktna stijena 5.2.1

6

7

Fizikalna svojstva

5.3

5.2.2 Mehanička svojstva intaktne stijene Diskontinuiteti i struktura stijene

5.4

Stijenska masa

5.5

5.4.1 Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase Prirodna naprezanja

5.6

Porni fluidi i tečenje vode

5.7

Utjecaj vremena

5.8 5.9

Rječnik Literatura

Oblici nestabilnosti podzemnih građevina 6.1 Uvod 6.2

Nestabilnost zbog nepovoljne strukturne geologije

6.3

Nestabilnost usljed niske čvrstoće u odnosu na naprezanje (lom izazvan naprezanjima i gravitacijom)

6.4

Nestabilnost usljed jakog trošenja ili bubranja stijena

6.5

Nastabilnost usljed visokog tlaka ili tečenja vode

6.6

Rječnik

6.7

Literartura

Principi stabiliziranja 7.1 Uvod 7.2

Djelovanje iskopa na stijensku masu

7.3

Strategija stabiliziranja

7.4

7.3.1

Karakteristična krivulja stijenske mase

7.3.2

Armiranje stijenske mase

7.3.3 Podupiranje stijenske mase Rječnik

Podzemne građevine i tuneli 7.5 8

9

Literatura

Tehnike stabiliziranja 8.1 Uvod 8.2

Primarna i sekundarna podgrada tunela

8.3 8.4

Stijenska sidra i kablovi Mlazni beton

8.5

Čelični lukovi

8.6

Cjevni kišobran

8.7

Prekoprofilski iskop

8.8

Rječnik

8.9

Literatura

Pristupne zone i portali tunela 9.1 Uvod 9.2

Zona pristupa tunelu

9.3

Portali tunela

9.4

9.3.1 Stabilnost portalnih kosina Rječnik

9.5

Literartura

10 Građenje tunela u teškim geotehničkim uvjetima 10.1 Uvod 10.2 Tehnike poboljšanja uvjeta graĎenja 10.2.1 Dreniranje stijenske mase 10.2.2 Injektiranje 10.2.3 Zamrzavanje 10.3 Plitki tuneli u slaboj stijenskoj masi 10.3.1 Višefazni iskop 10.3.2 Iskop tunela pod zaštitom prethodno ugraĎenog kišobrana 10.3.3 Zamrzavanje 10.4 Rječnik 10.5 Literartura 11 Principi i tehnike iskopa 11.1 Uvod 11.2 Miniranje 11.2.1 Miniranje radi stvaranja površinskih i podzemnih prostora 11.2.1.1 Prespliting metoda

11.2.1.2 Glatko miniranja 11.3 Strojni iskop 11.3.1 Strojevi za iskop u punom profilu 11.3.1.1 Strojevi za iskop čvrste stijenske mase 11.3.1.2 Strojni iskop u teškim geološkim uvjetima 11.3.1.2.1 Hidroštit 11.3.1.2.2 Štit kod kojega iskopano tlo služi za stabiliziranje čela iskopa

3

Sadržaj

4 11.3.1.2.3 Štit za iskop različitih geoloških formacija 11.3.2 Strojevi s pokretnom glavom 11.3.2.1 Glodači 11.3.2.2 Strojevi sa diskovima na pokretnoj glavi 11.3.3 Raise borer 11.3.4 Blind shaft borer (bušenje)

11.3.5 Mikrotuneli 11.4 Iskop rezanjem stijena 11.5 Iskop hidrauličkim čekićima i hidrauličkim lopatama 11.6 Iskop bagerima 11.7 Hidrauličko razaranje stijena (splitting) 11.8 Korištenje ekspanzivnih materijala za razaranje stijena 11.9 Klasifikacije stijenskih masa s obzirom na mogućnost kopanja 11.9.1 Regulativa u graĎevinskoj praksi 11.9.2 Svojstva stijene i stijenske mase bitna za procjenu mogućnosti kopanja 11.9.3 Klasifikacijski sustavi 11.9.4 Primjeri iz prakse 11.10 Rječnik 11.11 Literatura 12 Posebne metode građenja tunela 12.1 Uvod 12.2 Lažni tuneli 12.3 Uronjeni tuneli 12.4 Iskop pod zaštitom dijafragme 12.5 Rječnik 12.6 Literatura 13 Hidroizolacija i odvodnja tunela 13.1 Uvod 13.2 Odvodnja tunela tijekom graĎenja 13.3 Hidroizolacija tunela 13.4 Rječnik 13.5 Literatura 14 Provjetravanje, rasvjeta i opasnost od požara 14.1 Uvod 14.2 Provjetravanje tunela

14.2.1 Provjetravanje tunela tijekom graĎenja 14.2.2 Provjetravanje tunela tijekom eksploatacije 14.2.2.1 Prirodno provjetravanje 14.2.2.2 Umjetno provjetravanje 14.3 Opasnost od požara

14.3.1 Opasnost od požara tijekom graĎenja tunela 14.3.2 Opasnost od požara tijekom eksploatacije tunela 14.4 Rasvjeta tunela

14.4.1 Rasvjeta tunela tijekom graĎenja

Podzemne građevine i tuneli

14.4.2 Rasvjeta tunela tijekom eksploatacije 14.5 Rječnik 14.6 Literatura 15 Okna 15.1 Uvod 15.2 Metode graĎenja okana

15.2.1 15.2.2 15.2.3 15.2.4 15.2.5

Tunelski način graĎenja Bunarski način graĎenja Iskop pod zaštitom dijafragme Strojni iskop

15.3 Primjer iz prakse. Okno RHE Velebit

15.3.1 Uvod 15.3.2 Projektiranje okna 15.3.3 IzvoĎenje okna 15.4 Rječnik 15.5 Literatura 16 Podzemne građevine 16.1 Uvod 16.2 Podzemne graĎevine u urbanim područjima 16.3 Kulturni, sportski i drugi sadržaji u podzemlju 16.4 Podzemni prostori za prihvat poplavnog vala 16.5 Skladištenje nafte u podzemlju 16.6 Skladištenje plina u podzemlju 16.7 Skladištenje nuklearnog otpada 16.8 Skladištenje ugljena u podzemlju 16.9 Skladištenje hladnih roba u podzemlju 16.10 Strojarnice i drugi podzemni prostori hidrocentrala 16.11 Rječnik 16.12 Literatura 17 Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora 17.1 Uvod 17.2 Opažanja i Eurokod 7 17.3 Tehnike opažanja tijekom graĎenja i eksploatacije tunela 17.3.1 Mjerenje pomaka 17.3.1.1 Mjerenje pomaka konture iskopa (konvergencija)

17.3.1.2 Mjerenje pomaka unutar stijenske mase 17.4 Piezometarska mjerenja 17.5 Opažanja naprezanja u mlaznom betonu i betonskoj oblozi 17.6 Opažanje sidara 17.7 Rječnik 17.8 Literatura 17.9 Prilozi

17.9.1 Mjerna nesigurnost

5

Sadržaj 18 Nova Austrijska Tunelska Metoda 19 Dodaci Dodatak 1. MeĎunarodni sustav mjernih jedinica Dodatak 2. Odnosi faza u tlu Dodatak 3. Geotehničko projektiranje prema Eurokodu 7 Dodatak 4. Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

6

Ivan Vrkljan

1.Općenito o podzemnoj gradnji U ovom poglavlju dane su osnovne informacije iz povijesti tunelogradnje, klasifikaciji tunela i rekordima na području podzemne gradnje

2

Podzemne građevine i tuneli

1 Općenito o podzemnoj gradnji 1.1

Uvod

Ljudi od prapovijesti ulaze u podzemlje, u početku u prirodne špiljske fenomene a vrlo rano počinju s kopanjem podzemnih prostorija za potrebe stanovanja, rudarenja, navodnjavanja i slično. Od prvih početaka do danas ljudi sve dublje ulaze u podzemlje (rudnici u Južnoj Africi na dubini preko 3 km, tuneli sa nadslojem većim od 5 km) a podzemne garđevine i tuneli postaju svakim danom sve veći. Uvjeti građenja tunela postaju sve teži jer se tuneli kopaju ispod gusto naseljenih gradova, ispod rijeka, jezera i mora. Velike brzine željezničkog prometa postavljeju sve strože kriterije pred tunelograditelje s obzirom na veličine profila i stabilnost tunela.

Inovacije u zadnjih stotinjak godina kao što su dinamit i AN/FO eksplozivi (1867), električni detonatori (1867), strojevi za iskop tunela-TBM, (1881), špricani mort (1909), stijenska sidra (1918), mlazni beton (1942), tungsten carbide bušaći probori (1940), Nova Austrijska Tunelska Metoda (1950) i hidrauličko udarno bušenje (1971), dali su snažnu potporu enormnom razvoju tehnika gradnji podzemnih objekata. Uz to, razvoj mnogih uređaja za opažanja pokreta i naprezanja u stijenskoj masi (monitoring), praćen naglim razvojem računalnih tehnika (hardware i software), smanjila su rizik havarija tijekom građenja te na taj način ubrzala gradnju te učinila tunelogradnju humanijom i sigurnom inženjerskom disciplinom. . 1.2

Povijest podzemne gradnje

Rudnici 13.000 p.K.

Prvo podzemno rudarenje zpočelo je još u kamenom dobu prije 15.000.godina. U početku se rudarilo u otvorenim površinskim jamama a kasnije u oknima.

3.500 p.K.

Tunelogradnja je počela 3.500 g prije Krista tijekom brončanog doba u rudnicima ugljena u planinama Sinai Peninsula

Cestovni tuneli 36 p.K.

Napulj-Puzzolia

L=1000 m; B=8 m

1959-1964

Mont Blanc

L=12 650 m

1969-1980

ST. Gotthard, Švicarska

L=16 322 m

1976-1980

Učka (Hrvatska)

5 062 m

1997-2000

Sv. Rok (Hrvatska)

5 670 m

2002-2005

Mala Kapela (Hrvatska)

5.700 m

1995-1999

Laerdal tunel (Norveška, najdulji u svijetu)

24,5 km

Hidrotehnički tuneli 1200 p. K.

U mjestu Arbela, sadašnjem sjevernom Iraku, kralj Mykene sagradio je galeriju za pitku vodu

L=19 000 m

44-54 p.K.

Hidrotehnički tunel kroz brdo Salviano (služio za odvodnjavanje jezera Pucino)

L=5 640 m

1818-1821

Prvi američki tunel koji nije bio rudarski objekt bio je Auburn tunel. Građen je u periodu 1818-1821 kao dio kanalskog sistema Pennsylvania U Hrvatskoj postoje dva tunela iz Rimskog doba. Jedan je na Pagu a drugi je u sklopu Dioklecijanovog vodovoda u Splitu

3

Općenito o podzemnoj gradnji Željeznički tuneli 1826-1833

Prvi željeznički tunel s konjskom vučom u Francuskoj

1831-1833

Prvi američki željeznički tunel Allegheny Portage u Pennsylvania

L=1 500 m bxh=3x5 m

Prvi željeznički tunel s parnom vučom Liverpool-Manchester

L=1 190 m

1857-1871

Prvi alpski željeznički tunel, Mont-Cenis, Francuska-Italija

L=12 233 m

1872

Drugi alpski željeznički tunel St. Gotthard, Švicarska

L=14 900 m

1880-1884

Treći alpski željeznički tunel: Arlberg, Austrija

L=10 250 m

Najdulji tunel 19 stoljeća: Simplon, Švicarska-Italija, dvije tunelske cijevi

L=19 089 m

1902-1906

Tunel Karavanke, Slovenija-Austrija

L=7 976 m

1988

Seikan, najdulji tunel na svijetu, , povezuje otoke Honšu i Hokaido u Japanu

L=53,5 km

1994

Eurotunnel, tunel ispod La Mancha, tri tunelske cijevi, dvije za promet, jedna servisna

L=49,34 km

1997

Počela gradnja tunela St. Gothard u Švicarskoj, bit će najdulji tunel na svijetu

L=57 km

1920

Tunel Sinac kod Vrhovina (najdulji u Hrvatskoj)

L=2 273 m

1627

Prva upotreba baruta (Mađarska)

1857

Prva upotreba komprimiranog zraka (Željeznički tunel MONT CENIS, Francuska-Italija)

1872

Prva upotreba dinamita. Željeznički tunel St. Gotthard, Švicarska

1907

Prvo špricanje morta pri izradi modela životinja (Carl Ethan Akeley, Pennsylvania)

1915

Prvi moderniji stroj za mlazni beton (Cement Gun Company)

1950

Moderni strojevi za mlazni beton (U.S.A.)

1944

Rabcewiz prikazuje neke principe NATM (New Austrian Tunnelling Method)

1948

Rabcewiz patentira osnovne principe NATM

1956-1958

Rabcewiz gradi prvi veliki tunel u Venezueli prema postavkama NATM

1963

Na geomehaničkom kolokviju u Salzburgu prvi puta se rabi naziv NATM

1963

NATM Massenberg tunel, cestovni tunel Tauern (6,4 km) i cestovni tunel Katschberg (5,5 km, 19711974)

1.3

Definicija i klasifikacija tunela

Evo nekoliko definicija tunela. • •

Tuneli su podzemni objekti za savladavanje terenskih prepreka a i za osiguranje tehničkih elemenata ceste na kojoj se projektiraju i grade (Pravilnik o tehničkim uvjetima za projektiranje i gradnju tunela na cestama (Sl. 59/73)) Podzemni prolaz koji je napravio čovjek bez odstranjivanja gornje ležećih naslaga tla i stijena. Tunel je općenito vodoravan za razliku od okna koje je općenito vertikalno (ISRM (1975).

Kao što se može primjetiti, ISRM ne pravi razliku između tunela u graditeljstvu (cestovni, željeznički, hidrotehnički i slično) i rudarskih podzemnih prostorije. Međutim, u rudarstvu se koriste razni drugi termini za označivanje podzemnih prostorija koje su u općenitom smislu mogu smatrati tunelima.

Podzemne građevine i tuneli 1.3.1

4

Klasifikacija s obzirom na namjenu

Prometni tuneli • • • •

Cestovni, Pješački, Brodski, Tuneli mješovite namjene.

Hidrotehnički Tuneli • • • •

Vodovodni, Melioracioni, Kanalizacijski, Tuneli u sklopu hidrocentrala.

Komunalni Tuneli •

Smještaj električkih i telefonskih vodova, plinovoda, toplovoda i dr.

Podzemne građevine • • • • 1.3.2

Za skladištenje radioaktivnog otpada, Podzemna skloništa, skladišta, garaže, sportski i kulturni sadržaji i sl., Podzemne električne strojarnice, Skladištenje plina i tekućina. Klasifikacija s obzirom na zahtjevanu sigurnost

Stabilnost kosina se u inženjerskoj praksi obično se iskazuje faktorom sigurnosti (factor of safety). Ovaj pristup se ne može koristiti kod podzemnih gradnji jer je problematika stabilnosti pozemnih prostora znatno kompleksniji inženjerski problem. Barton Lien i Lunde (1974), dijele podzemene iskope u 6 kategorija s bzirom na postavljene uvjete stabilnosti. Najniži zahtjevi za stabilnost postavljaju se na iskope iz kategorije A a najstrožiji na iskope iz kategorije F. A B C D E F 1.4

Privremeni rudarski otvori Vertikalna okna Stalne rudarske prostorije, hidrotehnički tuneli (nisu uključeni tuneli pod visokim tlakom), pilot tuneli, tuneli kod razrade profila za veće iskope) Skladišta, postrojenja za tretman vode, manje značajni cestovni i željeznički tuneli, prilazni tuneli i slično Skladišta nafte, strojarnice, glavni cestovni i željeznički tuneli, skloništa, portali, raskrižja Podzemne nuklearne centrale, željezničke postaje, sportski i javni objekti, tvornice i slično Budućnost podzemne gradnje

U prošlosti su tuneli bili isključivo građeni radi savladavanja barijera. Danas za gradnju tunela postoje dva nova argumenta: • nedostatak prostora, • aspekt očuvanja okoliša. Nedostatak prostora uglavnom je naglašen u urbanim područjima dok je efekt očuvanja okoliša naglašena i u manje naseljenim područjima. Pred graditelje se postavljaju sve strožiji zahtjevi jer tuneli

Općenito o podzemnoj gradnji ulaze u dubinu masiva te na taj način mjenjaju režime podzemnih voda a isto tako potencijalna onečišćenja uvode duboko u stijensku masu. 1.5 Rizici Tunelogradnja je uvijek povezana s visokim rizikom, humanim i financijskim. Najteže je odrediti rizike povezane s uvjetima u tlu (ground risk). Naročito se to odnosi na dugačke tunele i na tunele s visokim nadslojem jer s povećanjem ova dva elementa troškovi prethodnih istraživanja enormno rastu. Kada se radi o istražnim bušotinama onda dubine veće od 300 m nemaju ekonomsko opravdanje. Obično ove rizike ne sebe preuzimaju investitori i izvoditelji u različitim omjerima. U budućnosti će nove tehnolgije omogućiti mnogo precizniju prognozu inženejrskogeoloških i hidrogeoloških prilika u tlu, tuneli će postati sigurniji, ekonomičniji i jeftiniji. 1.6

Rekordi u podzemnoj gradnji

Do danas su izgrađeni tuneli i podzemne građevine impresivnih dimenzija. Kada se govori o tunelima, dva kriterija su značajna: • •

duljina, veličina poprečnog presjeka (obično kod strojeva za iskop tunela u punom profilu (krtica)).

Za podzemne prostorije duljina nije bitna jer su one uvijek male duljine u usporedbi s tunelima. Kriterij za usporedbu je obično: • •

širina prostorije, visina prostorije,

5

Podzemne građevine i tuneli

6

Napadna mjesta pri iskopu tunela

Slika 1.1 St. Gotthard, željeznički tunel u švicarskim Alpama, najdulji tunel na svijetu 1.7

Rječnik

adit, drift, gallery pilot drift, pioneer tunnel pit tunnel shaft

A nearly horizontal passageway leading from the surface underground to a large chamber or connecting two such chambers A drift or tunnel first excavated as a smaller section than the dimensions of the main tunnel. A pilot drift or tunnel is usually used to investigate rock conditions in advance of the main tunnel, to permit installation of bracing before the principal mass of rock is removed, or to serve as a drainage tunnel An excavation in the surface of the earth from which ore is obtained as in large open pit mining or an excavation made for test purposes, i.e., a testpit A man-made underground passage constructed without removing the overlying rock or soil. Generally nearly horizontal as opposed to a shaft which is near vertical Generally a vertical or near vertical excavation driven downward from the surface as access to tunnels, chambers or other underground workings

7

Općenito o podzemnoj gradnji 1.8

Literatura

Barton, N.R., Lien, R. and Lunde, J. 1974. Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mech. 6(4), 189-239. Jodl, H.,G., , H.,1995, Modern Tunnelling-Why?, IACES (International Associations of Civil Engineering Students) Bureau of Vienna, Summercourse: NATM, July 2-July 8, 1995 1.9

Prilozi

1.9.1

Najduži cestovni tuneli u svijetu Najdulji cestovni tuneli u svijetu

Zemlja Norway China

Ime tunela Laerdal Zhongnanshan (2 tubes)

Dužina

Datum otvaranja

24 510 m

27.11.2000

18 040 m

20.01.2007

16 918 m

05.09.1980

¤

Switzerland

St. Gotthard / San Gottardo

Austria

Arlberg

13 972 m

01.12.1978

Taiwan

Hsuehshan (twin tunnel + service)

12 942 m

16.06.2006

France - Italy

Fréjus

12 895 m

12.07.1980

France - Italy

Mont-Blanc / Monte Bianco

11 611 m

2nd Röhre

19.07.1965

¤¤¤

Norway

Gudvanga

11 428 m

17.12.1991

Norway

Folgefonn

11 150 m

15.06.2001

Japan

Kan-etsu (south bound tube)

11 055 m

1991

Japan

Kan-etsu (north bound tube)

10 926 m

1985

Japan

Hida (+emergency tunnel)

10 750 m

2010****

Italy

Gran Sasso d'Italia (East direction)

10 176 m

01.12.1984

Italy

Gran Sasso d'Italia (West direction)

10 173 m

1995

Austria

Plabutsch (West tube)

10 085 m

17.12.2004

France

Le tunnel Est (Rueil - Malmaison à Versailles) Construction

8

Podzemne građevine i tuneli 1.9.2

Najduži željeznički tuneli u svijetu Najduži željeznički tuneli u svijetu

Zemlja

Switzerland

Ime tunela

Gotthard Base

Dužina

datum otvaranja

57 072 m

2010

Napomene "Galleria del Base del San Gottardo". Length of western tube: 56 989 m. Total length in stage 2: 75 000 m (2015 - 2020)

AlpTransit

Japan

Sei-kan

53 850 m

13.03.1988

Subsea tunnel under Tsugaru Kaikyô

England France

Chunnel (Eurotunnel)

50 450 m

06.05.1994

Subsea tunnel (-114,9 m)

Switzerland

Lötschberg

34 577 m

2007

From Frutigen in the Kandertal to Raron in the Valais. Main breakthrough on 28.04.2005.

Spain

Guadarrama

28 377 m

2007

Madrid - Valladolid high speed line. Four TBMs running since 10.2002 Breakthrough ceremony on 27.02.2005. The tunnel is a part of the Shinkansen extension to Aomori which will be completed by 2010.

Japan

Hakkôda

26 455 m

2010

Japan

Iwate-ichinohe

25 810 m

01.12.2002

Austria

Lainzer / Wienerwald

23 844 m

2015

Line Wien - Salzburg. East - west direction

Japan

Îyama

22 225 m

2013

Hokuriko Shinkansen extension, bored since 1999

Japan

Dai-shimizu

22 221 m

15.11.1982

Jôetsu Shinkansen (3rd Shimizu)

China

Wushaoling I-II

21 050 m

30.03.2006

2nd tube will be opened in October 2006

Simplon-II

19 824 m

16.10.1922

Simplon line

Italy Switzerland

Tôhoku Shinkansen

Italy Switzerland

Simplon-I

19 803 m

01.06.1906

Simplon line

Switzerland

Vereina

19 058 m

19.11.1999

(single track)

18 713 m

10.03.1975

San'yô Shinkansen. Subsea double track tunnel

Japan

Shin-kanmon

Italy

Vaglia

18 711 m

2008

Bologna - Firenze (Florenz) Breakthrough 17.04.2001

Italy

Appennino

18 507 m

21.04.1934

"Direttìssima" Bologna - Firenze

China

Qinling I-II

18 457 m

08.01.2002

First tube opened

Italy

Valico

16 569 m

Japan

Rokkô

16 250 m

15.03.1972

San'yô Shinkansen

Switzerland

Furka Base tunnel

15 442 m

25.06.1982

Andermatt - Brig

Japan

Haruna

15 350 m

15.11.1982

Jôetsu Shinkansen

Russia

Severomuyskiy

15 300 m

21.12.2001

Baikal - Amur line, construction finished on March 31, 2001.

Milano - Gènova

9

Općenito o podzemnoj gradnji Italy

Firenzuola

15 285 m

2008

Bologna - Firenze. Breakthrough on 7.12.2004

Japan

Gorigamine

15 175 m

01.10.1997

Hokuriku Shinkansen

Italy

Monte Santomarco

15 040 m

31.07.1987

Paola - Cosenza

Switzerland

St. Gotthard

15 003 m

01.06.1882

Gotthard line (first train 23.05.1882)

Japan

Nakayama

14 857 m

15.11.1982

Jôetsu Shinkansen

Canada

Mount MacDonald

14 723 m

12.1988

Switzerland

Lötschberg

14 612 m

15.07.1913

Norway

Romeriksporten

14 580 m

1999

Oslo - Gardermoen airport

China

Dayaoshan

14 294 m

1987

Longest double track tunnel in China

Taiwan (China)

Taiwan HSR project

14 000 m

2005

Under Taipei city

Japan

Hokuriku

13 870 m

10.06.1962

Hokuriku line

France - Italy

Frejus (Cenisio)

13 636 m

17.09.1871

Mont Cenis line. Original length: 12233 m

Japan

Shin-shimizu

13 500 m

28.09.1967

Jôetsu (South bound Shimizu) line

Finland

Vuosari harbour project

13 500 m

2008

South Africa

Hex-River

13 400 m

27.11.1989

Italy

Sciliar

13 159 m

1993

Italy

Caponero - Capoverde

13 135 m

27.09.2001

Genova - Ventimiglia - Nice (F). Including new Sanremo station

Japan

Aki

13 030 m

10.03.1975

San'yô Shinkansen

Italy

Peloritana

12 800 m

25.11.2001

Messina - Palermo, single track (old tunnel: 5 345 m)

China

Changliangshan

12 780 m

Under Rogers Pass, Glacier National Park Lötschberg line

Near Worcester = Schlern in German. Ponte Gardena - Prato Isarco (Verona - Brennero)

Under construction

Austria

Inntal

12 696 m

28.05.1994

Umfahrung Innsbruck, connected to the Brenner base tunnel underground. Planned western section will add 5 - 8 km.

USA

New Cascade

12 537 m

12.01.1929

Seattle - Saint Paul, Great Northern Railway

Russia

Novo Kusnetzkij

12 200 m

1957

Japan

Tsukushi

11 865 m

2013

Kyûshû Shinkansen

Japan

Kitakyûshû

11 747 m

10.03.1975

San'yô Shinkansen

Austria

Wienerwald

11 640 m

2007

Wien - St. Pölten. Start of work 2002

11 387 m

2008

Inn Valley, province of Tyrol. Line from Inntal tunnel.

Austria

Radfeld - Wiesing

Japan

Kubiki

11 353 m

29.09.1969

USA

Flathead

11 300 m

1970

Hokuriku line

10

Podzemne građevine i tuneli Japan

Shiozawa

11 217 m

15.11.1982

Jôetsu Shinkansen

Japan

Zaô

11 215 m

23.06.1982

Tôhoku Shinkansen

Japan

Fukushima

11 075 m

23.06.1982

Tôhoku Shinkansen

Italy

Monterotondo

11 050 m

Italy

San Donato

10 954 m

01.06.1986

Italy

Pianoro

10 850 m

2008

Germany

Landrücken

10 779 m

29.05.1988

Fulda - Würzburg

Norway

Lieråsen

10 723 m

01.01.1973

Oslo - Drammen

Austria

Arlberg

10 589 m

21.09.1884

Arlberg line. Original length: 10 249 m

Norway

Finse

10 589 m

23.05.1993

Oslo - Bergen

10 570 m

2008

Austria

Stans - Terfens

Milano - Gènova Firenze - Roma Bologna - Firenze. Breakthrough on 15.06.2005.

Inn Valley, province of Tyrol. Line from Inntal tunnel.

Germany

Mündener

10 514 m

02.06.1991

Göttingen - Kassel

Japan

Akakura

10 472 m

22.03.1997

Hokuetsu Express Railway

Italy

Raticosa

10 450 m

2008

Japan

Ikuta

10 359 m

01.03.1976

Musashino line

Italy

Santa Lucia Basis

10 265 m

25.05.1977

Neapel - Reggio di Calabria

United Kingdom

Stratford west

10 105 m

2007

Japan

Daisan-shibisan

10 010 m

13.03.2004

1.9.3

Bologna - Firenze, breakthrough on 04.12.2001

Channel tunnel link, London. Bored since 08.2002. Kyûshû Shinkansen

Cestovni tuneli u Hrvatskoj th

Edited by: Eugenio A. Merzagora18 revision - June 2006 Length (m)

Date of opening

Mala Kapela

5 801

24.06.2005

LISKAR

GS - Second tube : 5780 m (temporary only as safety tunnel). Ogulin – OG Brinje.

A1

Sveti Rok

5 727

30.06.2003

LISZAD

GSZD

Shortest tube: 5727 m (2008,currently for safety) Under Velebit Mount. Sveti Rok-Maslenica.

A1

Ucka

5 062

1981

ISTPRG

RIPU

Second tube planned (>2005)

A8

Sveti Ilija

4 045

2008

SPD

ST

Mt.Biokovo (Bast - Rastovac). Toll

Plasina

2 300

24.07.2004

LIS

GS

Shortest tube: 2300 m. Otocac – Perusic

Peljesac 1

2 170

2008

DUN

DU

Peljesac bridge connection

Tuhobic

2 141

1997

PRG

RI DE

Second tube: 2141 m (08.2008) Vrata-Oštrovica

Jelenovac

2 100

PRJ

ZAG

ZG

Proposed Zagreb ring road. Sestinski dol - Mihaljevac

Golubinka

1 895

31.12.2008 SPD

ST

Second tube: 1895 m. Split-Ploce

A1

Sveta Tri Kralja

1 740

KR

Second tube: 1740 m. Velika Vas – Macelj.

A2

Tunnel

2007

Reg. Prov. Notes - Section

KRZ

Road

Z7169L67177 A1

A6

11

Općenito o podzemnoj gradnji Hum (Pitve Zavala)

1 600

Brinje

1 561

Vratnik

1 560

Selca Dubovica

SPD

ST

Island of Hvar. One lane with meeting places at 1/3 and 2/3, traffic lights at both ends

15.07.2004

LIS

GS

Shortest tube: 1560 m. Brinje – Zuta Lokva

A1

2008

LIS

GS

Second tube: 1560 m. Senj-Vratnik

A7

1 516

15.07.2000 SPD

ST

Island of Hvar

Javorova Kosa

1 462

25.06.2003 PRG

DE

Ravna Gora - Vrbovsko

Bukovac

1 350

PRJ

ZAG

ZG

Proposed Zagreb ring road. Mihaljevac Gornji Bukovac

Pecine

1 342

03.2007

PRG

RI

Three lanes. Four lanes on 500 m. Partially twin deck

Konjsko

1 262

30.06.2004 SPD

ST

Shortest tube: 1134 m. Prgomet-Dugopolje

A1

Gric

1 231

24.07.2004

GS

Shortest tube: 1214 m. Otocac – Perusic

A1

Veliki Glozac

1 151

25.06.2003 PRG

DE

Second tube: 1151 m (works started 2005). Vrbovsko-Bosiljevo 2. Three lanes.

A6

PelješacKorcula

1 150

DUN

DU

Subsea tunnel

Sridnja Gora

1 045

31.12.2007 SPD

ST

Second tube: 1045 m. Dugopolje-Ploce

PRJ

LIS

D116 A6

D404

A1

Marjan

900

SPD

ST

Town of Split

Sridusa

900

31.12.2008 SPD

ST

Second tube: 900 m. Split-Ploce

Vrataruša 2

880

2008

PRG

DE

Second tube: 880 m

A7

Dubrava

869

30.06.2004

ZAD

ZD

Shortest tube: 838 m. Vrpolje-Prgomet

A1

Vršek

868

1997

PRG

DE

Delnice-Ravna Gora

A6

Trsat

844

1980

PRG

RI

Shortest tube: 819 m. Rijeka bypass.

A7

Sljeme

824

1997

PRG

DE

Vrata-Delnice

A6

Glavica

820

31.12.2008 SPD

ST

Second tube: 720 m. Split-Ploce

A1

Ledenik

768

30.06.2003

ZAD

ZD

Second tube: 752 m. Sv.Rok - Maslenica

A1

Sopac

740

PRG

DE

Vrata-Delnice

A6

Bristovac

700

30.06.2003

ZAD

ZD

Shortest tube: 697 m. Sv. Rok - Maslenica

A1

Vrataruša 1

670

2008

PRG

DE

Second tube: 670 m

A7

Orljak

650

2008

PRG

DE

Second tube: 650 m

A7

Kozjak

650

PRJ

SPD

ST

Vucevica - Kasteli

Otocac

637

2001

LIS

GS

Second tube: 637 m. Bosiljevo – Zadar

A1

Stasevica

630

31.12.2008 SPD

ST

Shortest tube: 570 m. Split-Ploce. Works started: 09.2005

A1

Vrtlinovec

628

VAR

VT

Shortest tube: 522 m. Novi Marof - Varazdin

A4

Pod Vugleš

611

25.06.2003 PRG

DE

Ravna Gora -Vrbovsko

A6

Cardak

601

2001

PRG

DE

Second tube: 601 m (works started: 2005) Ravna Gora -Vrbovsko

A6

Križišce

600

2008

PRG

DE

Second tube: 600 m

A7

Škurinje II

594

1980

PRG

RI

Rijeka bypass. Shortest tube: 588 m

A7

Lucice

577

1997

PRG

DE

Delnice-Ravna Gora

A6

Mravince

563

SPD

ST

Split bypass

Strazina

538

31.12.2008 SPD

ST

Shortest tube: 470 m. Split-Ploce

A1

Rožman Brdo

528

23.06.2004 PRG

DE

Second tube: 528 m. Vrbovsko -Bosiljevo

A6

Hrastovec

523

11.2003

VAR

VT

Shortest tube: 499 m (breakthrough 14.05.2003). Novi Marof Varazdin

A4

Lokvica Sopaljska

515

2008

PRG

DE

Second tube: 515 m

A7

Bisko

501

31.12.2007 SPD

ST

Shortest tube: 495 m. Breakthrough: 13.09.2005. Split -Ploce

A1

Dubocica

500

26.06.2005

SIK

SI

Sibenik's connection to A1

Katarina

456

1980

PRG

RI

Shortest tube: 412 m. Rijeka bypass

11.2003

A1

A7

12

Podzemne građevine i tuneli Crnomerec

450

Sridusa

433

Stara Susica

420

Brezik

PRJ

ZG

Proposed Zagreb ring road. Crnomerec-Sestinski dol.

31.12.2007 SPD

ST

Shortest tube: 375 m. Dugopolje-Ploce

A1

25.06.2003 PRG

DE

Kupjak-Vrbovsko

A6

406

24.07.2004

LIS

GS

Shortest tube : 389 m. Otocac-Perusic

A1

Peljesac 2

405

2008

DUN

DU

Peljesac bridge connection

Skurinje I

388

1980

PRG

RI

Shortest tube: 381 m.

A7

Gradina

380

2008

PRG

DE

Second tube: 380 m

A7

Klis Kosa

379

SPD

ST

Split bypass

Jusici

354

23.06.2004 PRG

RI

Shortest tube: 338 m

A7

Crna Brda

354

31.12.2008 SPD

ST

Second tube: 340 m. Breakthrough: 05.2006. Split-Ploce

A1

Drazevitic

342

31.12.2008 SPD

ST

Shortest tube: 315 m. Split-Ploce

A1

Vrata

325

PRG

DE

Vrata-Oštrovica

A6

Zaranac

300

31.12.2007 SPD

ST

Second tube: 300 m. Breakthrough: 13.09.2005. Split-Ploce

A1

Sv. Kuzam

300

30.05.2006 PRG

RI

Second tube: 300 m

Bezjakovo Brdo

279

2001

KAR

KA

Second tube: 279 m

A6

Hrasten

278

1997

PRG

RI

Vrata-Oštrovica

A6

Sveti Marko

265

1997

KAR

KA

Second tube: 265 m

A6

Celinka

220

30.06.2003

ZAD

ZD

Shortest tube: 206 m. Sv. Rok-Maslenica. Three lanes in west tube

A1

Zutnika

215

KRZ

KR

Osmokovac

200

30.06.2004 SPD

ST

Prgomet-Dugopolje

Klis Grlo

197

SPD

ST

Split bypass

Bobova

189

PRG

RI

Three lanes, C&C

Krapina

188

KRZ

KR

Krpani

171

13.08.2002

LIS

GS

Second tube: 171 m. Sv.Rok-Maslenica

Mackovac

161

SPD

ST

Split bypass

Žrnovnica 1

160

2008

PRG

DE

Second tube: 160 m

A7

Žrnovnica 2

150

2008

PRG

DE

Second tube: 150 m

A7

Mount Ucka II

150

1981

IST

PU

Turija

147

Veliki Stog

128

KRZ

KR

D1

Djurmanec

97

KRZ

KR

D1

Mihovilovic

90

SPD

ST

Split bypass

Banska Vrata

88

PRG

RI

Town Rijeka

Kozala

75

PRG

RI

Shortest tube: 69 m. Rijeka bypass

Mali Stog

61

KRZ

KR

Oznaka

1997

ZAG

03.2007

D1 A1

D404 D1 A1

A8 Zagvozd-Vrgorac

1980

Naziv autoceste

A1

Zagreb (Lucko) - Bosiljevo (interchange with A6) - Split Dubrovnik

A2

(SLO) Macelj - Zagreb (Jankomir)(A3)

A3

(SLO) Bregana - Zagreb - Lipovac (YU)

A4

(H) Gorican - Zagreb (I.Reka)(A3)

A5

(H) Beli Manastir - Osijek - Svilaj (BIH)

A6

Bosiljevo (A1) - Rijeka (Orehovica)(A7)

A7

(SLO) Rupa - Rijeka - Žuta Lokva (A1)

A7 D1

13

Općenito o podzemnoj gradnji A8

Kanfanar (A9) - Tunel Ucka - Matulji (A7)

A9

(SLO) Kaštel - Kanfanar (A8) - Pula

A10

Metkovic (A1) - Opuzen (BIH)

1.9.4

Uronjeni i plitko bušeni tuneli ispod vode (Subaqueous Road Tunnels) > 2 000 m Projects URONJENI I PLITKI TUNELI ISPOD VODE (SUBAQUEOUS ROAD TUNNELS) > 2 000 M PROJECTS

Ime tunela

Zemlja Japan

Tokyo Aqua

Dužina

Datum otvaranja

Napomene

9 583 m

18.12.1997

2 bored tubes Tokyo Bay. 2nd tube: 9576 m E 39 Stavanger - Bergen (-262.5 m)

Norway

Bømlafjord

7 931 m

28.12.2000

China

Jiaozhou Bay

7 800 m

2010

Qingdao City. Works started: 27.12.2006

Eiksund

7 797 m

2007

Ørsta - Hareid. The World's deepest (-287 m). Work started: 2004. Breakthrough on 01.02.2007

Norway Norway

Oslofjord

7 390 m

29.06.2000

Fjord crossing near Oslo (-134 m)

Norway

Nordkapp

6 875 m

15.06.1999

Ev. 69, Magerøysundet, Finnmark (-150 m)

The Netherlands

Westerschelde

6 650 m

14.03.2003

2 tubes (-65 m). Shield. Ellewoutsdijk - Terneuzen

Faeroe Islands

Nordoyatunnilin

6 100 m

29.04.2006

Eysturöy - Borðöy

Norway

Atlanterhav (Averøy)

5 955 m

2008

China Norway Iceland

Xiang-an Byfjord Hvalfjarðargöng

2 tubes, 3 lanes each + service tunnel. Construction started 2005

5 950 m 5 875 m

1992

5 770 m

11.07.1998

Hvalfjörð (-165 m) Rv. 714 Sør-Trøndelag.The World's deepest subaqueous tunnel (-264 m)

Norway

Hitra

5 645 m

08.12.1994

Norway

Finnfast

5 600 m

2008

Norway

Frøya

5 305 m

23.06.2000

Norway

Freifjord

5 086 m

1992

4 940 m

10.12.2002

Faeroe Islands

Vágatunnilin

Rv. 67 Møre og Romsdal (-245 m)

E39, Randaberg - Rennesøy, Rogaland (-223 m)

(-150 m) Rv. 714 Hitra - Frøya (-164 m) Rv. 70, Kristiansund, Møre og Romsdal (-130 m) Vestmannasund (-104.7 m)

Norway

Mastrafjord

4 424 m

1992

E39 Randaberg - Rennesøy (-132 m)

Norway

Valderøy

4 222 m

1987

Rv 658 Ellingsøy - Valderøy (-137 m)

Norway

Halsnöy

4 120 m

2007

(-138 m)

Norway

Godøy

3 844 m

1988

Rv 658 Møre og Romsdal (-153 m)

Norway

Hvaler

3 751 m

1989

Rv. 108, Hvaler, Østfold (-120 m)

Norway

Ellingsøy

3 520 m

1987

Rv. 658, Ellingsøyfjorden (-144 m)

Denmark

Drogden

3 520 m

01.07.2000

20 x 176 m immersed road- and railway tunnel. Øresund, Denmark - Sweden

Norway

Tromsøysund

3 500 m

3.12.1994

2 tubes Tromsøya, Troms (-102 m)

Kanmon

3 461 m

1958

Kanmon Strait

3 400 m

2000

Melbourne

Japan Australia

Burnley

14

Podzemne građevine i tuneli Norway

Ibestad

3 396 m

02.12.2000

Norway

Sløverfjord

3 337 m

1997

E 10 Austvågøya, Nordland (-120 m)

South Korea

Pusan Koje-do

3 300 m

2007

Start 2004. World's deepest immersed tunnel (-50 m)

United Kingdom

Mersey Queensway

3 237 m

18.07.1934

One tube, 4 lanes (13.4 m diameter of shield). Mersey River, Liverpool

Germany

Elbtunnel, 4. Röhre

3 101 m

29.10.2002

Elbe River, Hamburg. Shield

2 960 m

1964

Skramsösundet (-65 m)

Sweden

Muskö

Rv. 848 Andørja - Rolla, Troms (-112 m)

Norway

Vardø

2 890 m

1982

E 75, Finnmark. Norway's first subaqueous tunnel (-88 m)

China

Taihelu

2 880 m

2003

Huangpu River, Shanghai. 3 tubes, 8 lanes. 736 m immersed Huangpu river, Shanghai. 1214 m shield construction (21 m). 2 levels

China

Fuxing Donglu

2 785 m

2005

USA

Brooklyn Battery tunnel

2 779 m

25.05.1950

China

Dapulu

2 761 m

1970

2 tubes. Shield

Norway

Fannefjord

2 743 m

1990

Rv 64, near Molde (-101 m)

Germany

Elb

2 653 m

1975

Elbe River, Hamburg (8 x 132 m immersed part)

Holland

2 608 m

13.11.1927

Leopold II° Sainctelette

2 600 m

1977

USA Belgium

2 tubes (Shield). East River, New York

2 tubes (shield, -28 m). Hudson River, New York - New Jersey Map Bruxelles, second tube opened in 1986

USA

Ted Williams

2 600 m

15.12.1995

I90 Massachusetts Turnpike extension, Boston (12 x 99 m immersed)

USA

Lincoln

2 504 m

22.12.1937

3 tubes (shield). Hudson River, New York. North tube: 2281 m (01.02.1945) South tube: 2440 m (25.05.1957)

United Kingdom

Mersey Kingsway

2 483 m

24.06.1971

2 bored tubes. Mersey River , Liverpool

Faeroe Islands

Hovstunilin

2 450 m

17.12.2007

Between Öravík and Hov on Suðuröy

Argentina

Hernandarias

2 345 m

13.12.1969

Paranà river, Santa Fe (-29.51 m). Immersed

USA

Baltimore Harbour

2 332 m

11.1957

Norway

Flekkerøy

2 327 m

1989

Rv 457 near Kristiansand (-101 m)

USA

Hampton Roads

2 280 m

1976

I 764 Virginia (-33 m). 2 immersed tubes

2 280 m

08.1992

Australia

Sydney Harbour

I895, Baltimore. 520 m immersed part

8 x 122 m immersed part

China

Yan'an Donglu

2 261 m

1989

2 tubes. Shield

Japan

Osakaho Sakishima

2 200 m

1997

Road and subway, Osaka. 1033 m immersed part

China

2nd Yan'an Donglu

2 193 m

1996

2 tubes. Shield

USA

Fort McHenry

2 184 m

23.11.1995

Tamagawa

2 170 m

1994

Tama River. Bay Shore Route. 12 x 130 m immersed Rv 866, Skjervøy, Finnmark

Japan Norway

Maursund

2 122 m

1991

China

Eastern Harbour

2 100 m

09.1989

I95. Baltimore. 1 650 m immersed part

Hong Kong. 1860 m immersed part

15

Općenito o podzemnoj gradnji Norway

Bjorøy

2 012 m

1996

Fv 207 near Bergen (-88 m)

Ivan Vrkljan

2. Geotehnička istraživanja za tunele i druge podzemne prostore Opisani su uobičajeni postupci i tehnike geotehničkih istraživanja za potrebe projektiranja i građenja tunela i okana. Istaknute su specifičnosti ovih istraživanja s obzirom da se tuneli nekada grade na velikim dubinama te su tehnike bušenja i geofizičkih istraživanja gotovo ne primjenjive

Podzemne građevine i tuneli

2 Geotehnička istraživanja za tunele i druge podzemne prostore

2.1

Uvod

Uspješno projektiranje i građenje zahtjeva dobru prognozu svojstava tla i stijena, podzemne vode i primarnog stanja naprezanja. Bez ovih prognoza, čak ni najnovije projektne metode su slabo ili nikako upotrebljive. 2.2 Planiranje geotehničkih istraživanja

Geotehnička istraživanja kao i projekt, dimenzioniranje i izvođenje uvjek treba razmatrati kao cjelinu. Zato geotehnička istraživanja moraju objediniti aktivnosti različitih eksperata i trebaju započeti u vrlo ranoj fazi projekta. Cilj geotehničkih istraživanja je opis svih svojstava tla relevantnih za projekt tunela. Vrsta i razmjer istraživanja trebaju odgovarati veličini i svrsi tunela, uvjeta u tlu uključujući moguća zagađeenja kao i efekte utjecaja izrade i eksploatacije tunela na okoliš. Geološki, geotehnički i hidrogeološki čimbenici više od svih drugih određuju troškove građenja i probleme koji prate građenje. U kratko, za potrebe projektiranja tunala, potrebno je osigurati sljedeće informacije: • • • •

Geološke profile (stratigrafija, struktura, identifikacija osnovnih tipova stijena i njihove općenite karakteristike) Detaljan opis stijenske mase i njena mehanička svojstva Hidrogeološka svojstva masiva (rezervoari podzemne vode i tlakovi) Rizici gradnje (glavni rasjedi ispunjeni vodom, pojava plina (metan).

2

3

Geotehnička istraživanja

GEOLOGIJA

GEOTEHNIČKA ISTRAŽIVANJA ISKUSTVO I PROCJENA

REGIONALNA DETERMINACIJA TRASE I ORIJENTACIJE KARAKTERISTIKE MASIVA PRIMARNA NAPREZANJA, ČVRSTOĆA PUKOTINSKI SISTEMI, ANIZOTROPIJA METODA ISKOPA KONSTRUKTIVNI ELEMENTI STATIČKI SISTEM I PRORAČUN

MEHANIČKI MODEL KONCEPT SIGURNOSTI HIPOTEZE SLOMA

PROJEKTNI KRITERIJ TEORETSKE PROGNOZE DA

ANALIZA RIZIKA

NE

PROBLEMI UGOVARANJA ISKOP TUNELA

VERIFIKACIJA PROJEKTA TUNELA NEPOZNATA SIGURNOST ZA STVARNO STANJE

MJERENJA INSITU DA LI SU DEFORMACIJE OGRANIČENE

“SIGURNO”

DA

NE

PROCES PROJEKTIRANJA TUNELA (ITA, SMJERNICE ZA PROJEKTIRANJE TUNELA (ITA GUIDELINES FOR THE DESIGN OF TUNNELS)

Slika XXX Pozicija istraživanja u procesu projektiranja prema smjernicama Međunarodne tunelske udruge (1988)

Podzemne građevine i tuneli 2.2.1

Prethodna istraživanja

Temeljni princip tunelogradnje je prikupljanje potrebnih informacija korak po korak, počinjući od prvih sitraživanja pa sve do detaljnih istraživanja (glavna istraživanja) u fazi izvođenja kroz istraživanja i mjerenja u tunelu za vrijeme i nakon izvođenja. Rezultati svakog koraka istraživanja trebaju biti prikazani u izvještaju i uključeni u odgovarajuću fazu planiranja i izvođenja. Tunel kao građevina treba generalno biti grupirana u u geotehničku kategoriju 3 Eurocode 7 (European prestandard ENV 1997-1). Treći geotehnički razred uključuje vrlo velike ili neuobičajene konstrukcije, konstrukcije koje uključuju rizike veće od uobičajenih, ili neuobičajene ili izuzetno teške uvjete opterećenja i temeljnog tla, kao i konstrukcije u područjima visoke seizmičnosti. Istraživanja koja prethode izradi projekta mogu se podjeliti na početna koja obuhvaćaju minimum dodatnih radova te glavna prethodna istraživanja. Početna istraživanja koja obuhvaćaju: • razradu geoloških karata i terenskog kartiranja, hidroloških, hidrogeoloških i inženjerskogeoloških karata, karata mineralnih sirovina, karata rizika i topografskih karata, avio i satelitske snimke i slično, • analizu iskustva stečenih građenjem susjednih građevina, • Određivanje geotehničkih profila i parametara na osnovi rijetke mreže istražnih radova. Početna istraživanja trebaju otkriti na posebno važna svojstva tla za projekt te omogućiti definiranje tipa i količine glavnih istraživanja. Početna istraživanja također trebaju omogućiti procjenu utjecaja projekta na uvjete u tlu. Obično obuhvaćaju širu zonu a ne samo zonu koja će biti pod utjecajem projekta. U kasnijoj fazi pripreme projekta provode se glavna istraživanja unutar površine koju zahvaća projekt. Površina projekta (project area) je površina na kojoj se osjete utjecaji projekta (smanjenje nivoa podzemne vode može rezultirati slijeganjem okolnih građevina) ili površina koja direktno ili indirektno vezana uz projekt. Glavna istraživanja trebaju osigurati informacije potrebne za projektiranje i dimenzioniranje, izradu ponudebne dokumentacije, proračune i izvođenje kao i procjenu opasnosti za okolne objekte. 2.2.2

Istraživanja tijekom građenja

Geotehničke prognoze koje su rezultat prethodnih istraživanja provjeravaju se tijekom građenja pomoću terenskih i laboratorijskih ispitivanja. Ovisno o metodi građenja i tlu, ova istraživanja obuhvaćaju: • • • • • •

inženjerskogeološko snimanje čela i izradu uzdužnog profila tunela, mjerenje pomaka konture tunela i točaka u stijenskoj masi u kojoj je tunel iskopan, mjerenje naprezanja na kontaktu obloge i tla kao i u samoj oblozi (beton) ili elementima za stabiliziranje iskopa (sidra), mjerenje vibracija tla i objekata, promatranje nivoa podzemne vode, geotehnička istraživanaj (mehanička svojstva tla).

U tunelogradnji su in situ ispitivanja osnovni dio metode građenja. 2.2.3

Dokumentacija koja ostaje nakon završetka građenja

4

5

Geotehnička istraživanja Nakon završetka tunela na jednom se mjestu treba naći cjelopkupna dokumentacija vezana uz projektiranje i građenje tunela. • • • • • •

rezultati prethodnih geotehničkih istraživanja, rezultati geotehničkih istraživanja tijekom građenja, rezultati opažanja, projekt, izvedbeni nacrti, ponudbena dokumentacija.

Ova dokumntacija treba poslužiti za procjenu: • • • • 2.3

stabilnosti, sigurnosti, garantnih zahtjeva, oštećenja. Tipovi i količina geotehničkih istražnih radova

Geotehnički istražni radovi služe za: • • •

definiranje metode građenja, dimenzioniranje podgrade (privremene i konačne), procjenu utjecaja metode građenja i konstrukcije na okoliš.

Pri planiranju geotehničkih istraživanja potrebna je bliska suradnja investitora, projektanta i geotehničara, vodeći računa o planiranoj metodi građenja. Geotehničar treba predložiti tip i količinu geotehničkih istraživanja a također preuzima odgovornost prema investitoru za pravilno tumačenje i validaciju dobivenih informacija o tlu. Za odabir sigurne i ekonomične metode građenja koja ovisi o ponašanju tla i uvjetima podzemne vode, geotehnička istraživanja i geotehnički izvještaj trebaju omogućiti procjenu svih niže navedenih elemnata. Općenito:

• • • • • • • • • • •

struktura stijenske mase, definiranje homogenih zona, klasifikacija tla, prepreke u tlu (kameni blokovi, djelovi građevine i sl), uvjeti podzemne vode (po mogućnosti nivo podzemne vode, pravci i brzina tečenja), vodopropusnost, uvjeti hidrostatskog tlaka, brzina procurivanja, kemizam podzemne vode, deponije otpada, zagađivači, emisija plinova u tlu, otopljeni prostori u tlu i izgrađeni podzemni prostori.

Tuneli u tlu:

• • • • •

granulometrijski sastav i minerološka svojstva, konzistencija, relativna gustoća, vlažnost, volumen pora, potencijal likvefakcije.

Tuneli u stijenama:

• • •

geološko grupiranje, mineraloško-petrografska svojstva, skupovi diskontinuiteta,

6

Podzemne građevine i tuneli • • • • • • U slučaju pozmene vode:

stupanj oštećenja, rasjedne zone, tvrdoća, tlačna i vlačna čvrstoća, koeficijenti trošenja (wear coefficients), abrazivnost, otpornost na zrak, vodu i temperaturne promjene, oslabljenje i otapanje ili adsorpcija vode.

Kod snižavanja nivoa pomoću dreniranja, gravitacijski sl. bitne informacije su: • količina vode, • efekt na okolne gređevine (slijeganje zbog povećanja efektivnih naprezanja), • mogućnost reinfiltracije podzemne vode, • mogućnost korištenja ove vode tijekom građenja, • kemizam podzemne vode. Za spriječavanje dotoka vode pomoću dijafragmi, injektiranja, smrzavanja i sl. bitno je procjeniti: • efekt na treća lica (presumjeravanje vode), • zahtjeve za ograničenja sniženja nivoa, • utvrđivanje rezidualnih količina vode. Prevencija prodora vode komprimiranim zrakom, isplakom pod tlakom ili korištenjem EPB metoda (earth pressure balance methods) zahtjeva poznavanje: • plinopropusnosti tla, • zona rasjeda s obzirom na mogućnost gubitka zraka, • odgovor iskopanog tla na mješavinu isplake i aditiva.

Za projektiranje privremene i stalne podgrade bitno je poznavati niže navedene parametre: Općenito:

• •

primarno stanje naprezanja (naročito horizontalna naprezanja) efekte u tlu (potresi, slijeganja zbog rudarenja, klizišta)

Tuneli u tlu:

•

•

posmična čvrstoća (nedrenirana posmična čvrstoća za gline, čvratoća iskazana u obliku efektivnih naprezanja za sve vrste tla), gustoće, deformabilnost tla (Youngov modul, confined modul i promjena s naprezanjem i deformacijom, poissonov koeficijent), dinamički parametri tla.

• • • • • • •

gustoće različitih tipova stijena i stijenske mase, deformabilnosti stijenske mase, čvrstoća stijenske mase koja uključuje i deformabilnost diskontinuiteta, anizotropija stijenaske mase, bubrivo ponašanje, vremesnki ovisno ponašanje stijenske mase, dinamički parametri stijenske mase.

• •

Tuneli u mekanoj stijeni:

Utjecaj na okoliš može biti različite prirode. Ovisno o uvjetima u tlu i lokalnim uvjetima, često su neophodne sljedeće informacije: Iskopani materijal:

• • • •

mogućnost ponovnog korištenja, uvjeti odlaganja, konzistencija, ponašanje u uvjetima promjenjenog okliša.

Metoda građenja:

• • •

deformacije tla zbog izgradnje tunela, slijeganje zbog snižavanja nivoa podzemne vode, utjecaj promjene hidrogeoloških uvjeta tijekom građenja (zaštićena vodna

7

Geotehnička istraživanja

• • • Građevina:

2.4

• • •

područja, brzina tečenja i novo podzemne vode, pravac tečenja, kemizam podzemne vode), Efekt vibracija na postoječe građevine, izdizanje površine ako se primjenjuje zamrazavanje, kemijske promjene ili kontaminacija tla i podzemne vode kao posljedica injektiranja utjecaj na hidrogeološke uvjete, mjere za izjednačavanje podzemne vode, dinamički efekti na objekte.

Metode geotehničkih istraživanja

Metode terenskih i laboratorijskih istraživanja opisane su u brojnim nacionalnim, europskim i međunarodnim noramma (ISO) kao i preporukama više međunarodbnih udruga (ISRM-International Society for Rock Mechanics, ISSMGE-International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, IAEG-International Association of Engineering Geology, ITA-International Tunnelling Association). Ponekad su potrebne posebne metode kako bi se dobili odgovori na važna pitanja vezana uz specijalne metode građenja kao što su: • • • • 2.5

istražne galerije, in-situ ispitivanja radi određivanja plinopropusnosti tla tijekom korištenja komprimiranog zraka, ispitivanja za procjenu adhezivnosti tla i mekane stijene u slučaju mehaniziranog iskopa potpomognutog isplakom ili korištenjem EPB metode (Earth Pressure Balance method), pokusi za određivenje koeficijenta trošenja reznog alata (wear coefficients) u slučaju mehaničkog iskopa u tlu i mekanoj stijeni. Analiza rezultata istraživanja

Rezultate geotehničkih istraživanja treba pripremiti i ilustrirati prema zahtjevima Eurocode7, ili nekoj od nacionalnih normi. Rezultati se prikazuju u geotehničkom projektu i implementiraju se u kasnije faze projektiranja. Za pouzdanu procjenu rezultata istraživanja potrebno je detaljno opisati primjenjenu tehniku ispitivanja. To je naročito važno u slučajevima: • •

kada ispitivanja nisu provedene po normiranim metodama, kada su primjenjene nove tehnike ispitivanja.

Ako su parametri relevantni za metodu građenja, utjecaj na okoliš, ili projekt stalne podgrade izvedeni iz korelativnih proračuna, ekstrapolacija ili pretposavki, primjenjeni metod treba biti opravdan i objašnjen. Geotehnički model tla treba biti kreiran na bazi geotehničkih istraživanja te između ostalog treba sadržavati: • • • •

prognozni geološki profil s ucrtanim kvazihomogenim zonama, diskontinuitete, karakteristične vrijednosti parametara tla i stijena, podzemnu vodu.

Ako se predviđa tretman tla u kojem će se izvoditi radovi, svojstva poboljšanog tla treba istražiti.

Podzemne građevine i tuneli Kada se govori o modelu tla, uvijek treba imati na umu nemogućnost detaljnog istraživanja s obzirom na duljinu tunela i visinu nadsloja. Zbog toga, karakteristične parametre tla i stijena za proračunske modele treba shvatiti samo kao reprezetante općenito očekivanog ponašanja tla. Karakteristične vrijednosti treba odrediti na takav način da rezultati proračuna budu na strani sigurnosti. Kako tlo djeluje kao opterećenje (u krovu tunela) ali isto tako ima i efekt podgrađivanja (u zidovima tunela) na stalnu podgradu (permanent support), nije uvijek jasno jeli rezultat proračuna baziran na odabranim parametrima tla stvarno na strani sigurnosti. 2.6

Tehnike istraživanja

Naprijed je rečeno da se za potrebe istraživanja terna u kojme će se graditi tunel koriste ove metode geotehničkih istraživanja: • • • • • •

razradu geoloških karata i terenskog kartiranja, hidroloških, hidrogeoloških i inženjerskogeoloških karata, karata mineralnih sirovina, karata rizika i topografskih karata, avio i satelitske snimke i slično, analiza iskustva stečenih građenjem susjednih građevina, uzorkovanje tla u bušotinama, istražnim galerijama, istražnim raskopima, statička i geofizička ispitivanja u bušotinama, istražnim galerijama, istražnim raskopima, geofizička ispitivanja na površini terena, laboratorijska ispitivanja mehaničkih i fizikalnih svojstava tla, vode, plina

Nije u svakoj situaciji moguće primjeniti sve ove metode. Ako se radi o tunelu s vrlo velikim nadslojem, istražna bušenja nisu ekonomična i obično se ne izvode. U ovim uvjetima ni geofizičke metode ne pomažu previše. To znači da će se veći dio tunela projektirati samo na osnovi podtaka dobivenih razradom geoloških karata i terenskog kartiranja. 2.6.1

Istražna bušenja i iskopi

Ako ekonomski i drugi uvjeti dopuštaju, direktan uvid u stanje stijenske mase moguće je postići na ove načine: • • •

analizom stijenske mase u zidovima iskopa (površinski raskop i istražne gelarije (okna) u koje čovjek može pristupiti), analizom stijenske mase u zidovima bušotine (video kamere), analizom jezgre dobivene bušenjem.

Površinski i podzemni iskopi Iskop zasjeka i usjeka u sklopu izrade građevnih jama, prometnica i sl. pruža dobru priliku za uvid u stanje stijenske mase i uzorkovanje za obavljenje laboratorijskih kao i za obavljenje nekih terenskih ispitivanja. Prirodni izdanci stijenske mase na površini također omogućavaju procjenu stanja stijenske mase. Podzemni iskopi (tuneli, podzemne građevine) pružaju izvanrednu priliku za pročavanje stijenske mase jer se obično nalaze na značajnim dubinama. Za posebno rizične projekte nekada se izvode posebne istražne galerije (mali tuneli). Podzemni iskopi, bez obzira radi li se o konačnoj građevini ili istražnom tunelu, omogućavaju: • •

uzorkovanje radi obavljanja laboratorijskih ispitivanja na intaktnoj stijeni i diskontinuitetima, izvođenje terenskih ispitivanja stijenske mase,

8

Geotehnička istraživanja • •

opažanja pokreta i naprezanja u stijenskoj masi, prikupljanje parametara za kvalitetno klasificiranje stijenske mase (diskontinuiteti, podzemne vode i sl.)

Kod proučavanja stijenske mase u zidovima iskopa ili na izdancima stijenske mase, treba voditi računa o sljedećem: • •

ako se iskop vrši miniranjem, stijenska masa do neke dubine može biti oštećena. O tome treba voditi računa kod klasificiranja stijenske mase kao i kod uzorkovanja i terenskih ispitivanja. ako se radi o prirodnim izdancima ili o starim iskopima, stijenska masa može biti alterirana

9

Podzemne građevine i tuneli

A

Slika 2.1 Moguća zona oštećenja stijenske mase usljed miniranja

Slika 2.2 Istražni tunel na projektu-Shimuzu No.3 tunnel (WT, 4/99, p.122)

Slika 2.3 Istražni tunel na projektu -Gothard bazni tunel (WT, 4/95, p.109)

10

Geotehnička istraživanja Istražna bušenja Izvođenjem istražnih bušenja otvara se cijeli niz mogućnosti za pručavanje stanja stijenske mase. • • • • • •

Bušenjem se dobiju cilindrični uzorci za ispitivanje intaktne stijene i diskontinuiteta u laboratoriju (fizikalna i mehanička svojstva) U bušotini se mogu izvoditi pokusi za statičko određšivanje čvrstoće i deformabilnosti kao i mjerenje primarnih naprezanja U bušotini se mogu izvoditi geofizička ispitivanja radi određivanja dinamičkih svojstava elastičnosti stijenske mase Bušotina može poslužiti za ispitivanja vodopropusnosti stijenske mase U bušotinu se mogu ugraditi uređaji za opažanja pokreta Snimanjem zidova bušotine video kamerom, može se dobiti dobar uvid u stanje stijenske mase

Slika 2.4 Istražna bušenja (Tunel ispod Stockholma, WT 10/97.p.363) 2.6.2

Geofizička ispitivanja

Geofizička ispitivanja predstavljaju mjerenja fizikalnih veličina (otpornost, brzina prostiranja zvuka, gustoća, magnetizam, vodljivost itd.) radi upoznavanja značajki strukture i litologije stijenske mase i tala. Prednost geofizičkih metoda je da su instrumenti relativno jeftini, a istraživanja su puno brža i jeftinija od konvencionalnih istraživanja - istražnog bušenja. Pravilnim odabirom geofizičkih metoda ubrzavaju se i poboljšavaju istraživanja što omogućava smanjenje opsega istražnog bušenja kao skupe i zahtjevene metode istraživanja. Geofizičke se metode mogu grupirati u tri skupine: • • •

Seizmičke metode Geoelektrična ispitivanja Mjerenja u bušotinama (karotaža)

Seizmičke metode koriste sljedeće tehnike ispitivanja • • •

refrakcijska ispitivanja, metoda “petite sismiqe”, seizmička tomografija,

11

Podzemne građevine i tuneli • •

12

down(up)hole ispitivanja, crosshole ispitivanja.

Refrakcijska seizmika zasniva se na određivanju brzina seizmičkih valova i lociranju značajnijih geofizičkih diskontinuiteta. (http://www.igh.hr/)

Slika XXX Refrakcijska seizmika Refrakcijska metoda temelji se na refrakciji elastičnih seizmičkih valova na kontaktu dviju sredina čije seizmičke karakteristike zadovoljavaju uvjet, v2 > v1. Elastični val generira se na površini i počinje se širiti brzinom gornje površinske zone. Val se dalje širi duž kontakta brzinom donjeg medija v2 i vraća se na površinu gdje se njegov nailazak registrira geofonima. Za uspješnu primjenu metode seizmičke refrakcije treba postojati tzv. normalan slijed brzina, što znači da se materijali veće brzine elastičnih valova trebaju nalaziti ispod onih s manjom brzinom. Iz rezulatat mjerenja izračunaju se brzine i debljine zona različitih seizmičkih karakteristika. Kontinuirano se prate dubine do pojave seizmičkih diskontinuiteta. Veza između vrste i kvalitete, litoloških članova, i brzine prostiranja elastičnih valova ocijeni se iz empirijski određenih vrijednosti. Detaljnija litološka slika dobije se u kombinaciji sa geološkom prospekcijom i bušenjem. (http://www.igh.hr/) Metoda “petite sismiqe” je u osnovi slična prethodno opisanoj metodi refrakcije, s razlikom što se izvodi na kratkim udaljenostima (2 do 10 m) između izvora elastičnog vala i geofona. Ova metoda se uglavnom koristi kako bi se odredila frekvencija poprečnih valova (S-valova) koja je u direktnom korelativnom odnosu s modulom deformabilnosti. Kod ovih mjerenja od primarne je važnosti da energija kojom je val iniciran bude uvijek konstantna. To se može postići tako da čekić kojim se val inicira, uvijek pada s iste visine. Za registraciju elastičnih valova koriste se tri geofona. Prvi geofon, vertikalne osjetljivosti, smješta se neposredno uz izvor vala i služi za registraciju nultog vremena. Druga dva geofona smještaju se dalje od izvora po profilu koji se ispituje. Horizontalno osjetljivim geofonom koji se usmjeri prema izvoru vala registrira se p-val, a vertikalnim s-val Seizmička tomografija podrazumijeva više izvora vala i brojne geofone koji se smještaju oko zone koja se istražuje kako bi se dobio veliki broj seizmičkih mjerenja u raznim smjerovima. Zona koja se istražuje okonturi se bušotinama, istražnim potkopima ili površinom terena, a iz brojnih mjerenja seizmičkih valova koji prolaze zonom u različitim smjerovima moguće je odrediti dvodimenzionalnu distribuciju seizmičkih brzina, odnosno odgovarajućom interpretacijom dvodimenzionalnu distribuciju svojstava zone. (ISRM, 1988, P. 450). Downhole ispitivanje je seizmička metoda koja omogućuje direktno mjerenje intervalnih brzina elastičnih valova duž bušotine. Metoda koristi kao izvor vala udarac čekićem po ploči uz ušće ili u neposrednoj blizini ušća bušotine. Valovi se šire kroz podzemlje do geofona koji su smješteni u bušotini Prednost metode pred refrakcijskom seizmikom je mogućnost dobivanja intervalnih brzina i u formacijama koje imaju inverzni raspored seizmičkih brzina sa dubinom ( v1>v2 ) (http://www.igh.hr/)

Geotehnička istraživanja

Kod uphole ispitivanja izvor vala se smješta u bušotinu sukcesivno na različite dubine, a jedan ili više geofona se smješta na površinu terena. Ponekad se geofoni smještaju u istu bušotinu iznad izvora, te se zajedno premještaju duž bušotine. Kod dubljih bušotina koristi se obično uphole metoda, kod koje se seizmički impulsi generiraju eksplozivom u bušotini Crosshole ispitivanje je seizmička metoda koja omogućuje direktno mjerenje intervalnih brzina elastičnih valova u geološkim formacijama između dvije bušotine po dubini. Postupak generiranja i registracije seizmičkih valova obuhvaća iniciranje impulsa u predajnoj bušotini i registriranje prvih nailazaka longitudinalnih i transverzalnih valova u prislušnoj bušotini. Na taj način dobivaju se, posredno preko brzina, najtočniji podaci o modulima elastičnosti u samim geološkim formacijama između bušotina (http://www.igh.hr/)

13

Podzemne građevine i tuneli Geoelektrična ispitivanja Postojanje razlike među električnim svojstvima pojedinih prirodnih materijala, koji se nalaze na ispitivanom području, omogućuje korištenje geoelektričnih metoda mjerenja u cilju otkrivanja litologije i zona intenzivne razlomljenosti (pukotina, rasjeda). Od električnih svojstava najvažniji je specifični otpor, pa zato i metode, koje se zasnivaju na mjerenju razlika u specifičnom otporima, čine pretežni dio svih geoelektričnih metoda Geoelektrično sondiranje je metoda kod koje se koristi raspored s četiri elektrode, tako da se struja uvodi u tlo preko dvije strujne elektroda (ab), a između dvije mjerne elektrode (mn) mjeri se razlika potencijala nastala propuštanjem struje kroz tlo. Podaci mjerenja odnose se na centralnu točku. Postupnim udaljavanjem strujnih elektroda od centralne točke, po točno određenom pravcu, dubina prodiranja struje se povećava, a samim tim i podaci mjerenja odnose se na sve dublje horizonte. Razlika potencijala između unutarnjih elektroda (mn) ovisna je od geološke građe terena, vlažnosti tla, jačine struje koja se propušta kroz tlo i drugo, a preko odgovarajućih jednadžbi moguće je izračunati prividne specifične električne otpore. Geoelektrično profiliranje lis metodom (lund imaging system) je multielektrodni sistem za dvodimenzionalno mjerenja otpornosti podzemlja koji koristi wennerov raspored elektroda. Koristi se elektrodni raspored s više elektroda (42 i više), a selektor elektroda i notebook računalo vrše odabir aktivnih elektroda (četiri, dvije strujne i dvije potencijalne) za mjerenje. Podaci mjerenja odnose se na više dubinskih nivoa i spremaju se u toku mjerenja na disk notebook računala. Obrada rezultata geoelektričnog profiliranja lis metodom vrši se pomoću kompjuterskog programa koji daje dvodimenzionalnu sliku rasporeda otpornosti. Na temelju izračunate otpornosti interpretator daje prognoznu litološku determinaciju

Mjerenja u bušotinama (karotaža) Karotažom se mjere razlike istih fizikalnih svojstava različitih stijena i tala Ove metode omogućuju prikupljanje podataka o o litologiji, granicama slojeva, porozitetu i gustoći naslaga, vodljivosti i otpornosti i sl. Za izradu karotažnog dijagrama služe različite sonde koje se povlače kroz istražnu bušotinu, a promjene registrira i sprema instrument na površini. (http://www.igh.hr/) Gama karotažom registrira se prirodnu radioakivnost formacija. Minerali glina vrlo često su radioaktivni pa se može reći da je to metoda za određivanje zaglinjenosti naslaga Gama - gama karotažom mjeri se gustoća formacija. Gama zrake, emitirane iz radioaktivnog izvora, raspršuju se, sudarajući se s elektronima u formaciji i gube energiju. Broj emitiranih gama zraka, koje

14

Geotehnička istraživanja

15

dolaze na prijemni detektor na određenoj udaljenosti od izvora, ovisi o broju elektrona u jedinici volumena formacije Dual neutron (ima dva prijemnika i na taj način se eliminira utjecaj bušotine) i neutron-neutron (ima jedan prijemnik) karotažom mjerimo porozitet formacija. Brzi neutroni emitirani iz radioaktivnog izvora bivaju raspršeni i dolazi do sudaranja s jezgrama drugih atoma i pri tome gube energiju. U fazi usporavanja vodik ima odlučujuću ulogu. U mnogo slučajeva termički neutroni su apsorbirani jezgrom atoma vodika ili klora. Tako se mjerilo gubitka energije neutrona često može izjednačiti sa koncetracijom iona vodika. Da bi se dobio točan porozitet pore moraju biti zapunjene medijem koji nosi vodik (voda). Induktivna karotaža mjeri vodljivost formacija. Oscilator šalje struju izmjenične frekvencije u svitak, stvara se magnetsko polje i inducira struju u formaciji, tj. u zidu bušotine stvaraju se vrtložne struje koje imaju svoje magnetsko polje i to uzrokuje da se u prijemnoj zavojnici inducira struja. Na taj način mjeri se vodljivost formacije i metoda je dobra kada imamo velike otpore; prazna bušotina - vapnenci

2.7 Rječnik adit, drift, gallery pit

pilot drift,pioneer tunnel

A nearly horizontal passageway leading from the surface underground to a large chamber or connecting two such chambers (ISRM) A nearly horizontal passage from the surface into a mine An excavation in the surface of the earth from which ore is obtained as in large open pit mining or an excavation made for test purposes, i.e., a testpit (ISRM) A surface excavation for extracting stone or slate A drift or tunnel first excavated as a smaller section than the dimensions of the main tunnel. A pilot drift or tunnel is usually used to investigate rock conditions in advance of the main tunnel, to permit installation of bracing before the principal mass of rock is removed, or to serve as a drainage tunnel

2.8 Literatura ISSMFE Working Committee ERTC 9, (1997) Recommendations: Geotechnical Aspects of the design of shallow bored tunnels in soil and soft rock) EC 7: Geotechnical design, Part 1: General rules, ENV 1997-1-1 Hudec, M., Prager, A., (1992) Konstruktivni projekt tunela, Građevinar, Zagreb (Prijevod Smjernica Međunarodne tunelske asocijacije: ITA Guidelines for the Design of Tunnels,1988)

Ivan Vrkljan

3. Klasifikacija stijenskih masa Klasifikacija stijenskih masa nezamjenjiv je element empirijskog pristupa projektiranju geotehničkih građevina. Opisani su danas najčešće korišteni klasifikacijski sustavi-RMR klasifikacija Bieniawskog i Bartonov Q-sistem. Prikazan je i način korištenja klasifikacije za određivanje elemenata podgradnih sustava kao i mehaničkih svojstava stijenske mase.

Podzemne građevine i tuneli

3 Klasifikacija stijenskih masa 3.1

Uvod

«....when you can measure what you are speaking about, and express it in numbers, you know something about it, but when you can not express it in numbers, your knowledge is of a meagre and usatisfactory kind....» Lord Kelvin (1824-1907) Barton, Lien, Lunde, 1974 Iako su tehnike ispitivanja stijena i stijenskih masa dostigle zavidan nivo, ostaje još uvijek mnogo problema pri primjeni teorija na rješavanje praktičnih inženjerskih problema. U takvim okolnostima pojavile su se klasifikacije kao kompromis između korištenja teorijskih rješenja i potpunog ignoriranja svojstava stijenske mase. Sve klasifikacije uključuju nekoliko ključnih parametara stijenske mase i pridruživanje pojedinog parametra nekoj od unaprijed određenih klasa. Svakoj od klasa pridružena je odgovarajuća numerička vrijednost. Zbrajanjem pridruženih numeričkih vrijednosti za svaki od parametara stijenske mase, dobije se konačna numerička vrijednost koja obilježava ponašanje tretirane stijenske mase. Ciljevi inženjerskih klasifikacija su: • identificirati najznačajnije parametre koji utječu na ponašanje stijenske mase, • podjelu stijenske mase na strukturne regione u kojima stijenska masa ima slično ponašanje, • osigurati bazu za razumjevanje karakteristika svake od klase, • uporediti iskustvo sa svojstvima stijenske mase na jednoj lokaciji sa svojstvima na nekoj drugoj lokaciji, • ponašanje stijenske mase opisati numeričkim vrijednostima kako bi se mogle obaviti analize, • osigurati temelje za komunikaciju između geologa i inženjera. Identifikacija i klasifikacija stijenskih masa predstavljaju prvi korak u procesu definiranja njihovog ponašanja. Bienawski (1989, p 1) pravi razliku između ovih pojmova na slijedći način: Klasifikacija se definira kao postupak grupiranja objekata na bazi njihovih međusobnih odnosa. Identifikacija znači svrstavanje neidentificiranih objekata u odgovarajuću klasu koja je prethodno ustanovljena klasifikacijom. Klasifikacija se može bazirati samo na jednom svojstvu i tada se naziva jednovarijantna (univariate). Ako se klasifikacija bazira na dva ili više svojstava, tada se naziva dvovarijantna (bivariate) ili viševarijantna (multivariate). Što je više parametara u igri to je i slika o proučavanim objektima bolja. Međutim i tu se mora postići kompromis između broja parametara i zahtjeva koji se postavljaju pred klasifikaciju. Osnovni princip kod stvaranja klasifikacijskog sustava je da treba koristiti samo one parametre koji imaju najveći utjecaj na ponašanje stijenske mase, te da se ti parametri mogu odrediti na jednostavan način. U samim počecima inženjerske geologije, ime stijene se koristilo kao indikacija mehaničkih svojstava. Naravno da su se pri tome dešavala vrlo velika iznenađenja. Slijedeći korak bilo je uvođenje tzv. klasifikacije trošenja (weathering classification). Po ovoj klasifikaciji, uz ime stijene su se dodavali termini - svježa (frech), ili jako trošna (highly weathered). Međutim i ova je klasifikacija pokazala niz nedostataka što je dovelo do uvođenja pokusa s ciljem mjerenja određenih parametara. Prva kvantitativna klasifikacija bila je bazirana na jednom parametru - jednosnoj tlačnoj čvrstoći. Stijene su bile klasificirane od slabih do jakih. Ova klasifkacija može poslužiti za razdvajanje stijena koje se mogu ripati od onih koje se moraju minirati. Kasnije spoznaje, da diskontinuiteti imaju odlučujuću ulogu u ponašanju stijenske mase, dovele su do klasifikacije koja je bazirana na tzv. RQD parametru (Rock Quality Designation). RQD indeks razvio je Deere, 1967.

2

Klasifikacija stijenskih masa Ubrzo je postalo jasno da klasifikacije bazirane na jednom parametru ne mogu dati odgovarajuću sliku o stanju stijenske mase. Tako je došlo do uvođenja klasifikacija s dva (bivariate) i više (multivariate) parametara. Deere i Miller su 1966. god. predložili klasifikacijski sistem koji je uzimao u obzir jednoosnu tlačnu čvrstoću i Young-ov modul. Ova klasifikacija ima dva osnovna nedostatka: jednoosna tlačna čvrstoća i modul elastičnosti nisu parametri koji imaju dominantan utjecaj na ponašanje stijenske mase; modul elastičnosti se ne može odrediti jednostavnim postupcima na terenu. Od viševarijantnih klasifikacijskih sustava u praksi se najčešće korite: •

Terzaghijeva klasifikacija (1946)

•

Lauferova klasifikacija (1958)

•

Modiffikacija Lauferove klasifikacije kao dio NATM pristupa (New Austrian Tunneling Method)

•

RSR (Rock Structure Rating, Wickeham i dr. 1972)

•

Geomehnička klasifikacija Bieniawskog (RMR-Rock Mass Rating System)

•

Q-klasifikacija Bartona (Rock Tunnelling Quality Indexs, Q)

Treba naglasiti da klasifikacija stijena ne može i ne smije zamjeniti kompletnu proceduru projektiranja. Međutim, kompletna procedura projektiranja zahtjeva detaljno poznavanje stanja naprezanja i svojstava stijenske mase te uvjete tečenja vode što obično nije slučaj u ranoj fazi projektiranja. Kod primjene klasifikacijskih sistema, stijenska masa se podjeli u strukturne regione, i svaki se region klasificira odvojeno. Granice strukturnih regiona obično se podudaraju sa glavnim strukturnim obilježjima kao što su rasjedi ili s granicama različitih tipova stijena. U nekim slučajevima značajne promjene u gustoći pojave diskontiniteta tražit će da se u jednom tipu stijene izdvoji više strukturnih regiona. Danas se najčešće koriste Gemehanička klisfikacija Bieniawskog i Q-klasifikacija Bartona.

Slika 3.1

Strukturni regioni tunela Sv. Rok

3

4

Podzemne građevine i tuneli 3.2

RMR-Gemehanička klisfikacija (Rock Mass Rating system)

RMR sistem razvijen je u Južnoj Africi, 1973. god. Detalje ovog sistema objavio je Bieniawski, 1976. god. Tijekom godina sistem se razvijao te je Bieniawski 1989 godine obajvio sistem u kojem se određenim parametrima pridružuju druge vrijednosti bodova u odnosu na verziju iz 1976. Kako se još uvijek neka druga istraživanja vezuju na klasifikaciju iz 1976 godine, treba razlikovati ove dvije varijante: RMR (1976) i RMR (1989) U nastavku će biti opisana verzija iz 1989 godine. Ovaj sistem uzima u obzir šest parametara: 1. jednoosnu tlačnu čvrstoću, 2. indeks kvalitete jezgre (rock qualiti designation index-RQD), 3. razmak diskontinuiteta (diskontinity spacing), 4. stanje diskontinuiteta, 5. uvjete podzemne vode, 6. orijentaciju diskontinuiteta. Tablica 3.1

RMR-Gemehanička klisfikacija (Rock Mass Rating system) (Bieniawski 1989)

A. Klasifikacijski parametri i njihovi bodovi

2 3

4

5

Stanje diskontinuiteta (vidi E)

Podzemna voda

1

Parametri Čvrstoća Indeks čvrstoće u točki intaktne stijene Jednoosna tlačna čvrstoća (MPa) Bodovi RQD (%) Bodovi Razmak diskontinuiteta Bodovi

Vrijednosti parametara Preporča se ispitati jednoosnu tlačnu č.

>10

4-10

2-4

1-2

250

100-250

50-100

25-50

5-25

1-5

<1

15 90-100 20 >2 m 20

12 75-90 17 0,6-2 m 15

7 50-75 13 200-600 mm 10

4 25-50 8 60-200 mm 8

2

1 <25 3 <60 mm 5

0

Vrlo hrapave površine Nisu kontinuirani Zijev=0 mm Zidovi nisu rastrošeni

Neznatno hrapave površine Zijev<1 mm Stijena u zidovima neznatno rastrošena

Neznatno hrapave površine zijev<1 mm Stijena u zidovima jako rastrošena

Skliski ili ispuna<5 mm debljine Zijev 1-5 mm Kontinuirani

Mekana ispuna >5 mm debljine ili Zijev>5 mm Kontinuirani

Bodovi

15

10

7

4

0

Dotok na 10 m duljine tunela (l/m)

nema

<10

10-25

25-125

>125

Odnos tlaka pukotinske vode i većeg glavnog naprezanja

0

<0,1

0,1-0,2

0,2-0,5

>0,5

kom pletno suho 15

vlažno 10

mokro 7

kapanje 4

tečenje 0

Općeniti uvjeti

Bodovi

B. Korekcija bodova s obzirom na orijentaciju diskontinuiteta (vidi F) Orijentacija diskontinuiteta Bodovi

Vrlo povoljna

Povoljna

Dobra

Nepovoljna

Vrlo nepovoljna

Tuneli i rudnici

0

-2

-5

-10

-12

Temelji

0

-2

-7

-15

-25

Kosine

0

-5

-25

-50

-60

5

Klasifikacija stijenskih masa

C. KATEGORIZACIJA STIJENSKE MASE NA OSNOVI UKUPNOG BROJA BODOVA Ukupni bodovi Oznaka kategorije

100-81 I VRLO DOBRA STIJENA

Opis

80-61 II DOBRA STIJENA

60-41 III POVOLJNA STIJENA

40-21 IV

80-61 II 1 godina za 10 m raspona 300-400 35-45

60-41 III 1 tjedan za 5 m raspona 200-300 25-35

40-21 IV 10 sati za 2,5 m raspona 100-200 15-25

<21 V 30 min za 1 m raspona <100 <15

3-10 2 0,1-1,0 mm 4 neznatno hrapavi 3 tvrda ispuna>5 mm 2 umjereno rastrošeni 2

10-20 1 1-5 mm 1 glatki 1 mekana ispuna<5 mm 2

>20 0 >5 mm 0 skliski 0 mekana ispuna>5 mm 0

SLABA STIJENA

<21 V VRLO SLABA STIJENA

D. ZNAČENJE POJEDINIH KATEGORIJA Ukupni bodovi Oznaka kategorije Srednje vrijeme Kohezija stijenske mase (kPa) Kut trenja (stupnjevi)

100-81 I 20godina za 15 m raspona >400 >45

E. Vodič za klasifikaciju stanja diskontinuiteta Duljina diskontinuiteta (m) Bodovi Zijev diskontinuiteta Bodovi Hrapavost diskontinuiteta Bodovi

<1 6 nema zijeva 6 vrlo hrapavi 6

1-3 4 <0,1 mm 5 hrapavi 5

Ispuna diskontinuiteta Bodovi

nema ispune 6

tvrda ispuna<5 mm 4

Rastrošnost zidova diskontinuiteta Bodovi

nerastrošeni 6

neznatno rastrošeni 4

jako rastrošeni 1

potpuno rastrošeni 0

F. Efekt orijentacije diskontinuiteta u tunelogradnji Pružanje okomito na os tunela Iskop u smjeru nagiba Iskop u smjeru nagiba diskontinuiteta diskontinuiteta 45-900 20-450 Vrlo povoljno Povoljno Iskop u smjeru suprotnom od Iskop u smjeru suprotnom od nagiba nagiba diskontinuiteta 45-900 diskontinuiteta 20-450 Dobro Nepovoljno

Pružanje paralelno s osi tunela Nagib 45-900

Nagib 20-450

Vrlo nepovoljno

dobro 0

Nagib 0-20 bez obzira na pružanje Dobro

Sjever (North) Reversno pružanje= Pravac 0 nagiba-90 (Reverse strike)

Pravac nagiba (Dip Direction; Azimuth) Pružanje= Pravac 0 nagiba+90 (Strike) Nagib (Dip)

6

Podzemne građevine i tuneli

3.2.1

Primjena geomehaničke klasifikacije

Geomehanička klasifikacija prevenstveno je namjenjena definiranju podgrade tunela i drugih podzemnih građevina u građevinarstvu. Postoji više modifikacija RMR sistema koje su napravljene s ciljem da se područje primjene RMR sistema proširi i na druge građevina. Četiri najpoznatije modifikacije su: 1. MRMR-Modified Rock Mass rating system for mining MBR (Modified Basic RMR) objavili su Cummings i dr. (1982) 3. SRM (Slope Mas Rating), Romana 1985 4. QTBM (Q sistem prilagođen strojnom iskopu tunela) (Barton, 2000) Kako je RMR klasifikacija tijekom vremena postala opće prihvaćena, počela se koristiti i kao polazište za određivanje mehaničkih parametara stijenske mase. Primjećujući da se često RMR klasifikacija nekritički primjenjuje, Bieniawski 1989, upozorava da RMR sistem treba koristiti u slučajevima za koje je i razvijen a ne kao odgovor na sva projektne probleme. Preporuke za iskop i podgrađivanje tunela

Raspon (m)

Trenutni lom

Nije potrebno podgrađivanje Primjeri tunela Primjeri rudnika

Vrijeme stabilnosti (sati)

Slika 3.2

Vrijeme stabilnosti u odnosu na raspon za različite vrijednosti RMR

Bieniawski je 1989 objavio preporuke za iskop i podgrađivanjetunela na osnovi vrijednosti RMR (tablica xxx). Preporuke u tablici xxx odnose se na tunel potkovičastog oblika, raspona 10 m koji je iskopan miniranjem u stijenskoj masi s primarnim vertikalnim naprezanjem <25 MPa (ekvivalentna dubina <900 m).

7

Klasifikacija stijenskih masa

Tablica 3.2

Preporuke za iskop i podgrađivanje tunela raspona 10 m prema geomehaničkoj klasifikaciji

Kategorija stijenske mase I-Vrlo dobra stijenska masa RMR: 81-100 II-Dobra stijenska masa RMR: 61-80

III-Povoljna stijenska masa RMR: 41-60

IV-Slaba stijenska masa RMR: 21-40

IV-Vrlo slaba stijenska masa RMR:<20

Iskop Puni profil, napredovanje 3 m Puni profil, napredovanje 1-1,5 m. Kompletna podgrada 20 m od čela iskopa Iskop u dvije faze. Napredovanje u svodu 1-3 m. Započeti podgrađivanje nakon svakog miniranja. Kompletna podgrada 10 m od čela iskopa Iskop u dvije faze. Napredovanje u svodu 1-1,5 m. Započeti podgrađivanje nakon svakog miniranja. Kompletna podgrada 10 m od čela iskopa Razrada profila, napredovanje u svodu 0,5-1,5 m. Podgrađivanje uporedo s iskopom. Nanošenje mlaznog betona odmah nakon iskopa

Sidra (promjer 20 mm, adheziona)

Mlazni beton

Čelični lukovi

Općenito nije potrebna podgrada osim mjestimičnog sidrenja Mjestimično sidrenje svoda. Sidra duljine 3 m na razmaku 2,5 m. Mjestimično čelična mreža.

50 mm u krovu po potrebi

Nepotrebno

Sistematsko sidrenje u svodu i zidovima. Sidra duljine 4 m na razmaku 1,5-2 m. Čelična mreža u svodu.

50-100 mm u krovu i 30 mm na zidovima

Nepotrebno

Sistematsko sidrenje u svodu i zidovima. Sidra duljine 4-5 m na razmaku 1-1,5 m. Čelična mreža u svodu i zidovima

100-150 mm u krovu i 100 mm na zidovima

Lagani do srednji lukovi na razmaku 1,5 m po potrebi

150-200 mm u krovu, 150 mm na zidovima i 50 mm na čelu

Srednje teški do teški lukovi na razmaku 0,75 m s čeličnim platicama i predbijanjem po potrebi. Zatvaranje podnožnog svoda.

Sistematsko sidrenje u svodu i zidovima. Sidra duljine 5-6 m na razmaku 1-1,5 m u krovu i zidovima. Čelična mreža u svodu i zidovima. Sidrenje podnožnog svoda.

8

Podzemne građevine i tuneli Coulomb-Mohrov kriterij čvrstoće Polazeći od pretpostavke da za stijensku masu vrijedi Coulomb-Mohrov kriterij čvrstoće, Bieniawski (1989) je uspotavio vezu između RMR i Coulomb-Mohrovih parametara (kohezija i kut trenja). Vrijednosti kuta trenja i kohezije za pojedine kategorije stijenske mase dani su u tablici 3.1. Treba naglasiti da se radi o parametrima vršne čvrstoće. Deformabilnost stijenske mase Bieniawski (1989) preporuča sljedeću vezu RMR i modula deformabilnosti: Estijenske mase=2*RMR-100 (GPa) (za RMR>50) Serafim i Pereira (1983) predložili su odnos između in situ modula deformabilnosti i RMR klasifikacije Bieniawskog.

E m = 10

 RMR −10    40  

[GPa]

Ovaj odnos temeljen je na povratnim analizama pomaka temelja brana i dobro odgovara boljoj kvaliteti stijenske mase. Međutim za mnoge stijene lošije kvalitete čini se da je prognozirani modul previsok. U ranijim verzijama Hoek-Brownovog općenitog kriterija, Hoek i suradnici uspostavili su ovisnost deformacijskog modula stijenske mase i RMR-a. U posljednjoj verziji ovog kriterija (Hoek, CarranzaTorres i Corkum, 2002), autori uspostavljaju vezu deformacijskog modula i indeksa GSI (Geological Strength Indeks) te uvode efekt oštećenja stijenske mase usljed miniranja preko faktora (D) na sljedeći način:

D  σ ci ((GSI −10 ) / 40 )  (σ ci < = 100 ) E m (GPa ) = 1 −  10 2  100 

 D E m (GPa ) = 1 − .10 ((GSI −10 ) / 40 ) (σ ci 〉 100) 2  GSI-Geological Strength Indeks D-faktor koji uključuje oštećenje stijenske mase usljed miniranja i naponske relaksacije

9

Klasifikacija stijenskih masa 3.3

Q sistem

Q sistem su razvili Barton, Lien i Lunde, 1974 na Norveškom geotehničkom institutu. Indeks kvalitete stijene Q, služi za određivanje kvalitete stijenske mase i elmenata podgradnog sustava u tunelogradnji. Numerička vrijednost indeksa Q varira na logaritamskoj skali u granicama od 0,001 do 1000. Indeks Q definiran je izrazom:

Q=

J RQD J r * * w Jn J a SRF

Ovaj sistem uzima u obzir slijedećih šest parametara: RQD-Indeks kvalitete jezgre, Jn-broj familija pukotina, Ja-koeficijent alteracije pukotina, Jr-koeficijent hrapavosti pukotina, Jw-faktor koji uzima u obzir vodu u pukotinama, SRF-faktor koji uzima u obzir naponsko stanje. Ako se analizira struktura gornje jednadžbe, vidi se da je indeks Q funkcija tri parametra: Veličine bloka Posmične čvrstoće među blokovima Aktivnog naprezanja

RQD/ Jn Jr/Ja Jw/ SRF

Tablica 3.3 prikazuje klasifikaciju pojedinačnih parametara koji dovode do indeksa Q.

10

Podzemne građevine i tuneli Tablica 3.3

Klasifikacija pojedinačnih parametara korištenih u Q-klasifikaciji (Barton i dr. 1974.)

Opis 1. Indeks kvalitete jezgre

Vrijednost

RQD

A vrlo slaba B slaba C povoljna D dobra E odlična 2. Boj familija pukotina (J)

0-25 25-50 50-75 75-90 90-100

A. B. C. D. E. F. G. H.

0,5-1,0 2 3 4 6 9 12 15

masivna stijena bez ili s nekoliko pukotina jedna familija pukotina jedna familija pukotina i slučajne pukotine dvije familije pukotina dvije familije pukotina i slučajne pukotine tri familije pukotina tri familije pukotina i slučajne pukotine četiri ili više familija pukotina, slučajne pukotine, jako ispucale stijene J. razdrobljena stijena slična zemlji 3. Indeks hrapavosti pukotine

Napomene Kada se izmjeri RQD<10 (uključujući i 0) kod izračunavanja vrijednosti Q uzima se da je RQD=10 Dovoljno je točno da se RQD izrazi u intervalima od 5 (100; 95, 90 i.t.d)

Jn

Na križanjima koristi (3,0*Jn) Za portale koristi (2,0*Jn)

20

Jr

a) kontakt zidova pukotina b) kontakt zidova pukotine prije posmika od 10 cm A. diskontinualne pukotine B. hrapave ili nepravilne pukotine, valovite C. glatke, valovite D. skliske valovite E. hrapave ili nepravilne, ravne F. glatke, ravne G. skliske, ravne c) nema kontakta zidova pukotina pri posmiku glinovita min. ispuna dovoljne debljine da spriječi H. kontakt stijenki pukotine pjeskovita, šljunčana ili zdrobljena ispuna dovoljne J. debljine da spriječi kontakt stijenki pukotine

4 3 2 1,5 1,5 1,0 0,5

4. Indeks alteracije pukotina

Ja

a) kontakt zidova pukotina zbijena, zacijeljena, čvrsta pukotina, A. nerazmekšavajuća, nepropusna ispuna B. nepromijenjen zid pukotine, površina samo s mrljama neznatno promijenjeni zid pukotine. C. Nerazmekšavajuća mineralna prevlaka pjeskovite čestice, dezintegrirana stijena bez gline itd. prašinasta ili pjeskovito-glinovita prevlaka, mali dio D. glinene frakcije (nerazmekšavajuća) prevlaka od glinenih materijala,meka ili s niskim E. kutem trenja (diskontinualna prevlaka, 1-2mm ili manje debljine) b) kontakt zidova pukotine prije posmika od 10 cm pjeskovite čestice, dezintegrirana stijena bez gline F. itd. jako prekonsolidirana nerazmekšavajuća glinovito G. mineralna ispuna (neprekinuta, <5mm debljine) srednja ili mala prekonsolidacija, razmekšana glinovito H. mineralna ispuna (neprekinuta <5mm debljine) bubriva glinovita ispuna tj. montmorilonit (neprekinuta <5mm debljine). Vrijednosti Ja ovise o J. postotku bubrivih glinovitih čestica, pristupu vode itd. c) nema kontakta zidova pukotina pri posmiku

Dodaj 1,0 ako je srednji razmak kod mjerodavnog skupa pukotina veći od 3 m Jr=0,5 za planrne pukotine koje imaju izraženu lineaciju

1,0 1,0 Približni rezidualni kut trenja (0)

0,75 1,0

25-35

2,0

25-30

3,0

20-25

4,0

8-16

4,0

25-30

6,0

16-24

8,0

12-16

8,0-12,0

6-12

Rezidualni kut trenja odnosi se na produkte alteracije ako postoje

11

Klasifikacija stijenskih masa K,L,M N O,P,R

zone ili pojasevi dezintegrirane ili zdrobljene stijene i gline (vidi G, H i J za opis uvjeta u pogledu gline) zone ili pojasevi prašinaste ili pjeskovite gline, mala frakcija gline (nerazmekšavajuća) debela neprekinuta zona ili pojas gline (vidi G,.H i J za opis uvjeta u pogledu gline)

6-24

6,8 ili 8-12 5,0 10, 13. ili 13-20

6-24

5. Faktor pukotinske vode

JW

A. B.

1,00

Približni tlak vode (bara) <1

0,66

1,0-2,5

0,50

2,5-10,0

0,33

2,05-10,0

0,2-0,1

>10

0,1-0,05

>10

suhi iskop ili manji priliv (dotok<5l/min, lokalno) srednji priliv ili tlak (ispuna ponegdije isprana iz pukotina) C. veliki priliv ili visoki tlak vode u zdravoj stijeni (pukotine bez ispune) D. veliki priliv ili visoki tlak vode, značajno ispiranje ispune pukotina E. iznimno veliki priliv ili tlak vode kod miniranja, opada s vremenom F. iznimno veliki priliv ili tlak vode koji se nastavlja bez zamjetljivog opadanja 6 Faktor redukcije naprezanja a) oslabljene zone sijeku iskop što može uzrokovati rastresanje stijenske mase pri iskopu A. učestala pojava rasjed. zona koje sadrže glinu ili kem. raspadnutu stijenu, vrlo rastresena okolna stijena (sve dubine) B. jedna rasjedna zona koja sadrži glinu ili kem. raspadnutu stijenu (dubina iskopa ≤ 50m) C. jedna rasjedna zona koja sadrži glinu ili kem. raspadnutu stijenu (dubina iskopa ≥ 50m) D. učestale rasjedne zone u zdravoj stijeni (bez gline) rastresena okolna stijena (sve dubine) E. jedna rasjedna zona u zdravoj stijeni (bez gline, dubina iskopa ≤ 50m) F. jedna rasjedna zona u zdravoj stijeni (bez gline, dubina iskopa > 50m) G. rastresene otvorene pukotine, jaka ispucanost itd. (sve dubine) b) Zdrava stijena, problemi naprezanja H J

niska naprezanja, blizu površine srednja naprezanja

K L

visoka naprezanja, vrlo zbijena struktura (obično povoljno za stabil., može biti nepovoljno za stabilnost zidova) gorski udari slabog intenziteta (masivna stijena)

M

gorski udari jakog intenziteta (masivna stijena)

c) zgnječena stijena: plastični tok stijene pod utjecajem visokog naprezanja N slabi tlak zgnječene stijene O jaki tlak zgnječene stijene d. bubriva stijena, intenzitet ovisi o raspoloživoj vodi P slabi tlak bubrive stijene

R

jaki tlak bubrive stijene

1.

2.

faktori C iD su grubo određeni; Povećaj Jw ako je ugrađena drenaža Nije razmatrano smrzavanje vode

SRF

10,0 5,0 2,5 7,5 5,0 2,5 5,0 σC/σ1 >200 200-10 10-5

σt/σ1 >13 130,66 0,660,33

5-2,5

0,33-0,16

<2,5

<0,16 SRF 5,0-10,0 10,0-20,0 5,0-10,0 10,0-15,0

SRF 2,5 1,0 0,5-2,0 5,010,0 10,020,0

Reduciraj ove vrijednosti SRF-a za 25-50% samo ako relevantne posmične zone ne presjecaju iskop Za jako anizotropno polje naprezanja (ako je izmjereno): • kada je 5 ≤ σ1/σ3 ≤ 10, reducirati σC i σt na 0,8 σC i 0,8 σt • kada je σ1/σ3 > 10, reducirati σC i σt na 0,6 σC i 0,6 σt σc i σt-Jednoosna tlačna i vlačna čvrstoća σ1 i σ3-Veće i manje glavno naprezanje U slučajevima kad je debljina nadsloja manja od širine raspona tunela SRF treba povećati od 2,5 na 5 (vidi H)

12

Podzemne građevine i tuneli Dodatne napomene uz tablicu 3.3: When making estimates of the rock mass Quality (Q), the following guidelines should be followed in addition to the notes listed in the tables: 1. When borehole core is unavailable, RQD can be estimated from the number of joints per unit volume, in which the number of joints per metre for each joint set are added. A simple relationship can be used to convert this number to RQD for the case of clay free rock masses: RQD = 115 - 3.3 Jv (approx.), where Jv = total number of joints per m3 (0 < RQD < 100 for 35 > Jv > 4.5). 2. The parameter Jn representing the number of joint sets will often be affected by foliation, schistosity, slaty cleavage or bedding etc. If strongly developed, these parallel 'joints' should obviously be counted as a complete joint set. However, if there are few 'joints' visible, or if only occasional breaks in the core are due to these features, then it will be more appropriate to count them as 'random' joints when evaluating J n . 3. The parameters J r and J a (representing shear strength) should be relevant to the weakest significant joint set or clay filled discontinuity in the given zone. However, if the joint set or discontinuity with the minimum value of Jr /Ja is favourably oriented for stability, then a second, less favourably oriented joint set or discontinuity may sometimes be more significant, and its higher value of Jr /Ja should be used when evaluating Q. The value of Jr /Ja should in fact relate to the surface most likely to allow failure to initiate. 4. When a rock mass contains clay, the factor SRF appropriate to loosening loads should be evaluated. In such cases the strength of the intact rock is of little interest. However, when jointing is minimal and clay is completely absent, the strength of the intact rock may become the weakest link, and the stability will then depend on the ratio rock-stress/rock-strength. A strongly anisotropic stress field is unfavourable for stability and is roughly accounted for as in note 2 in the table for stress reduction factor evaluation. 5. The compressive and tensile strengths (σc and σt) of the intact rock should be evaluated in the saturated condition if this is appropriate to the present and future in situ conditions. A very conservative estimate of the strength should be made for those rocks that deteriorate when exposed to moist or saturated conditions.

3.3.1

Primjena Q-sistema

Preporuke za podgrađivanje tunela U cilju uspostavljanja veze indeksa Q i potrebne podgrade tunela, Barton i dr. (1974) definirali su dodatni parametar koji su nazvali ekvivalentnom dimenzijom iskopa, De. Ova dimenzija dobije se djeljenjem raspona, promjera ili visine tunela sa veličinom koju su nazvali indeksom podgrade ESR (excavation support ratio). Vrijednosti ESR dobivene su empirijski i prikazane su u tablici xxx.

De =

Raspon, promjer ili vi sin a tunela (m) ESR

13

Klasifikacija stijenskih masa

Tablica 3.4

A B C D E F

Vrijednosti indeksa podgrade (Barton i dr. 1974)

Kategorija iskopa Privremeni rudarski otvori Vertikalna okna: • kružni presjek • pravokutni presjek Stalne rudarske prostorije, hidrotehnički tuneli (nisu uključeni tuneli pod visokim tlakom) , pilot tuneli, tuneli kod razrade profila za veće iskope Skladišta, postrojenja za tretman vode, manje značajni cestovni i željeznički tuneli, prilazni tuneli i slično. Skladišta nafte, strojarnice, glavni cestovni i željeznički tuneli, skloništa, portali, raskrižja Podzemne nuklearne centrale, željezničke postaje, sportski i javni objekti, tvornice i slično.

ESR 3-5 2,5 2,0 1,6 1,3 1,0 0,8

De=

U odnosu na kvalitetu stijenske mase i ekvivalentnu dimenziju iskopa, Barton i dr (1974) izdvojeili su 38 kategorija iskopa. Grimsted i Barton su 1993. objavili drugi oblik ovog dijagrama u kojem je izdvojeno 9 kategorija stijenske mase kako bi ukazali na povećanu uporabu mikroarmiranog mlaznog betona. Ovaj drugi oblik Q-ESR dijagrama prikazuje slika xxx.

1. 2. 3. 4.

Nepodgrađeno Mjestimično sidrenje Sistematsko sidrenje Sistematsko sidrenje sa 40-100 mm nearmiranog mlaznog betona 5. Mikroarmirani mlazni beton, 50-90 mm, i sidrenje

Slika 3.3

6. Mikroarmirani mlazni beton, 90-120 mm, i sidrenje 7. Mikroarmirani mlazni beton, 120-150 mm, i sidrenje 8. Mikroarmirani mlazni beton, >150 mm, sa armiranim lukovima mlaznog betona i sidrenjem 9. Ljevani beton

Određivanje podgradnih kategorija na osnovi Q indeksa (Grimsted i Barton, 1993)

14

Podzemne građevine i tuneli

Slika 3.4

Armirani lukovi (Grimsted i Barton, 1993)

Barton i dr. (1980) su prikazali dodatne informacije koje se odnose na duljinu sidara, maksimalni nepodgrađeni raspon i tlak na podgradu u krovu tunela kako bi se dopunile preporuke iz 1974. Duljina sidara u krovu tunela

L=

2 + 0,15B ESR

B-širina tunela (m) Maksimalni nepodgrađeni raspon Maksimalni raspon (nepodgrađeno)=2 ESR Q0,4 Deformabilnost stijenske mase Barton i dr. (1980) upozoravaju da se deformabilnost stijenake mase kreće u širokom rasponu. 10 log10Q<E stijenske mase<40 log10Q Srednja vrijednost deformabilnosti stijenske mase za Q>1 je E stijenske mase=25 log10Q (GPa) Tlak na podgradu Stalni tlak na podgradu u krovu tunela:

 2,0  −1 / 3 Q Pkrov =  (kg / cm 2 ) J  r  Kada broj skupova diskontinuiteta padne ispod tri, vrijedi sljedeći oblik gornje jednadžbe:

Pkrov =

2 JnQ 3J r

−

1 3

(kg / cm 2 )

15

Klasifikacija stijenskih masa Veza Q i brzine P-vala Vrijednost indeksa Q može se grubo odrediti iz brzine P vala (

Q = 10

 V p −3500     1000   

Vp-brzina P vala (uzdužni val) (m/s) 3.4

Veza Q-sistema i RMR klasifikacije

Najpoznatija korelacija RMR i Q sistema je: RMR=9logeQ+44 Ovu jednadžbu treba shvatiti kao grubu aproksimaciju. 3.5

Rječnik

3.6

Literatura

Barton, N., By, T.L., Chryssanthakis, L., Tunbridge, L., Kristiansen, J., Lřset, F., Bhasin, R.K., Westerdahl, H. and Vik, G. 1992. Comparison of prediction and performancefor a 62 m span sports hall in jointed gneiss. Proc. 4th. int. rock mechanics and rockengineering conf., Torino. Paper 17. Barton, N.R. 1987. Predicting the behaviour of underground openings in rock. Manuel RochaMemorial Lecture, Lisbon. Oslo: Norwegian Geotech. Inst. Barton, N.R., Lien, R. and Lunde, J. 1974. Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mech. 6(4), 189-239. Barton, N., (1978), Recent Experiances with the Q-system of Tunnell Support Design, Norwegian Geotechnical Institute, Publication, Nr. 119, pp.1-9. Barton, N., (2000), TBM Tunnelling in Jointed and Faulted Rock, Balkema 172.p. Barton, N., (2007), Rock Quality, Seismic Velocity, Attenaution and Anisotropy, Taylor & Francis 729.p. Bieniawski Z.T. 1989. Engineering Rock Mass Classifications. Wiley, New York. 251pages. Bieniawski, Z.T. 1967. Mechanism of brittle fracture of rock, parts I, II and III. Int. J. RockMech. Min. Sci. & Geomech. Abstr. 4(4), 395-430. Bieniawski, Z.T. 1976. Rock mass classification in rock engineering. In Exploration for rockengineering, proc. of the symp., (ed. Z.T. Bieniawski) 1, 97-106. Cape Town: Balkema. Bieniawski, Z.T. 1979. The geomechanics classification in rock engineering applications. Proc. 4th. congr., Int. Soc. Rock Mech., Montreux 2, 41-48. Franklin J.A., Dusseault, M.B., (1989), Rock Engineering, McGraw-Hill Publishing Company, Grimstad, E. and Barton, N. 1993. Updating the Q-System for NMT. Proc. int. symp. on sprayed concrete - modern use of wet mix sprayed concrete for underground support, Norway. Norwegian Concrete Associatio. Hoek, E., Carranza-Torres, C., Corkum, B. (2002) Hoek-Brown Failure Criterion-2002 Edition, Proc. North American Rock Mechanics Society Meeting in Torinto in July 2002. Hoek, E., Kaiser, P.K., Bawden, W.F., (1995), Support of Underground Excavations in Hard Rock, Balkeme, 215 p 27-47 O.K. Hoek, E., Rock Engineering (a course) http://www.rocscience.com/ 40-58 O.K

Podzemne građevine i tuneli of rock jointing. Proc. 4th congr. Int. Assn Engng Geol., Delhi 5, 221-228. Singh, B., Goel, R.K., 1999, Rock Mass Classification, A practical approach in civil engineering, Elsevier, 267 p. Riedmuller, G., Schubert, W., 1999, Critical Comments on quantitative Rock Mass Classifications, Felsbau, 17, Nr.3 Mihalić, S., Kvasnička, P., Jurak, V., 2002, Identifikacija i opis stijena i tala u geotehnici, Priopćenja trećeg savjetovanja Hrvatske udruge za mehaniku tla i geotehničko inženjerstvo, Geotehnika kroz Eurocode 7, Hvar, 2-5. listopada 2002. str. 322-331.

16

Ivan Vrkljan

4. Primarna i sekundarna naprezanja Prirodna napregnutost je specifičnost stijenske mase u odnosu na druge inženjerske materijale. Kasnija naprezanja (sekundarna) najvećim su dijelom posljedica primarnih naprezanja a samo manji njihov dio posljedica su djelovanja geotehničke građevine. Prikazana je priroda primarnih naprezanja te probelmi njihovog određivanja.

2

Podzemne građevine i tuenli

4 Primarna i sekundarna naprezanja 4.1

Uvod

Stijenska masa ispod zemljine površine izložena je naprezanjima koja su posljedica mase gornje ležećih naslaga i tektonskih aktivnosti u zemljinoj kori. Ova naprezanja nazivaju se primarnim ili in-situ naprezanjima (in-situ stress; natural stress, initial stress; virgin stress; absoluet stress). Kada se u stijenskoj masi izvrši iskop, podzemni ili površinski, u okolici iskopa dolazi do promjene primarnih naprezanja. Ova izmjenjena naprezanja zovu se sekundarna ili inducirana naprezanja (induced stresses). Poznavanje veličine i orijentacije primarnih i sekundarnih naprezanja vrlo je važan dio geotehničkih projekata pošto u mnogim slučajevima, sekundarna naprezanja premašuju čvrstoću stijenske mase što za posljedicu može imati nestabilnost iskopa.

4.2

Primarna naprezanja

Poznavanje primarnih naprezanja bitno je za definiranje rubnih uvjeta u analizama sekundarnog stanja naprezanja. Mnoga mjerenja provedena širom svijeta pokazuju da se vertikalno naprezenja mogu prilično točno iraziti sljedećom jednadžbom: σv=γz gdje je: σv=vertikalno naprezanje γ=jedinična masa (tipično 2,7 Mg/m3) z=dubina ispod površine Primjer: Na dubini od 1000 m vlada vertikalno naprezanje: σv=2,7*1000=2700 Mg/m2=27 MN/m2=27 MPa Određivanje vodoravnog naprezanja teži je problem. Obično se vodoravno naprezanje izražava u funkciji vertikalnog na sljedeći način: σh=kσv=kγz Terzaghi i Richter (1952) predložili su za stijensku masu opterećenu samo težinom gornjeležećih slojeva, vrijednost k koja ne ovisi o dubini

k= gdje je ν= Poissonov koeficijent stijenske mase

υ

1−υ

Primarna i sekundarna naprezanja

3

Ovaj način određivanja vodoravnog naprezanja vrlo se često koristio. Značajna odstupanja izmjerenih od na ovaj način određenih vrijednosti vodoravnih naprezanja, doveli su do gotovo potpunog napuštanja ovog pristupa. Mjerenja vodoravnih naprezanja u velikom broju rudnika i građevinskih podzemnih građevina, pokazala su da koeficijent k ima veće vrijednosti na malim dubinama i da ima tendenciju smanjivanja s povećanjem dubine. Ova pojava se može objasniti samo promatranjem problema na znatno većoj skali nego što je istraživana lokacija. Sheorey je razvio elasto-statički termalni model zemlje. Ovaj model razmatra zakrivljenost zemljine kore i varijaciju elastičnih konstanti, gustoće i termalne ekspanzije zemljine kore. Sheorey za koeficijent k predlaže sljedeći izraz:

1  k = 0,25 + 7 E h  0,001 +  z  • •

z=dubina (m) Eh(GPa)=srednji modul deformabilnosti gornjeg dijela zemljine kore mjeren u vodoravnom pravcu.

Uslojene stijene imaju značajno različite module u pravcu okomitom na slojevitost i pravcu paralelenom sa slojevitosti. Međutim, ni pristup koji je predložio Sheorey, ne objašnjava pojavu vertikalnih naprezanja koja su veća od izračunatih, pojavu vrlo visokih vodoravnih naprezanja ili zašto su dva izmjerena vodoravna naprezanja na istoj lokaciji rijetko jednaka. Ove pojave vjerojatno su posljedica lokalne topografije i geoloških svojstava koja se ne mogu uzeti u obzir na velikoj skali kao što predlaže Sheorey. Ako analize sekundarnih naprezanja pokažu da veličina primarnih naprezanja ima značajnu ulogu na stabilnost iskopa, treba obaviti mjerenja njihove veličine i orijentacije. Razlozi pojave visokih vrijednosti vodoravnih naprezanja Mjerenjima je pokazano da vodoravna naprezanja mogu imati vrlo visoke vrijednosti te da na nekim lokacijama mogu biti nekoliko puta veća od vertikalnih. Na ovu pojavu mogu utjecati: • • • • •

erozija, tektonske aktivnosti, anizotropija stijenske mase, lokalni efekti u blizini diskontinuiteta, efekt mjerila (scale effect).

4

Podzemne građevine i tuenli

σv

σ3 σh

σ1 σ1 σ3

σh

σv Slika 4.1

Utjecaj diskontinuitata na promjenu pravca glavnih naprezanja

kanjon

Slika 4.2

Utjecaj topografije terena na veličinu i orijentaciju glavnih naprezanja

5

Primarna i sekundarna naprezanja

σv σh

Normalni rasjed

σv

σh

Reversni rasjed

Slika 4.3

4.2.1

Naprezanja potrebna za stvaranje normalnog i reversnog rasjeda

Mjerenje primarnih naperzanja

Postoje metode direktnog mjerenja i metode indirektnog mjerenja (indikativne metode). Međunarodna udruga za mehaniku stijena (ISRM, 1987) preporuča 4 direktne metode. Trenutno se vodi rasprava o primjeni pete direktne metode (ISRM, 1999). 1. 2. 3. 4.

Pokus tlačnim jastucima Pokus hidrauličkog frakturiranja USBM metoda (United States Bureau of Mines) Određivanje naprezanja korištenjem CSIR ili CSIRO sonde

Za potpuno definiranje naprezanja u nekoj točki potrebno je izmjeriti šest komponenti tenzora naprezanja (tri normalne i tri posmične komponente) ili pravce i veličine tri glavna naprezanja (σ1; σ2; σ3). Normalna narezanja (σxx; σyy; σzz; σ1; σ2; σ3) mogu se mjeriti direktno. Posmične komponente tenzora naprezanja ne mogu se mjeriti već se one izračunaju iz normalnih komponenti mjerenih u različitim pravcima.

6

Podzemne građevine i tuenli

Ako je naprezanje izmjereno u zoni utjecaja iskopa, ono treba biti ekstrapolirano izvan ove zone numeričkim ili analitičkim postupcima

Zona promjene primarnih naprezanja

Slika 4.4

Utjecaj iskopa na mjerenja primarnih naperzanja

4.2.1.1 Pokus tlačnim jastucima Tlačnim jastukom moguće je odrediti samo jednu normalnu komponentu tenzora naprezanja. U ovom slučaju je x os okomita na ravninu jastuka pa će σxx biti paralelan s x osi. Da bi se odredile sve komponente tenzora naprezanja potrebno je na jednoj lokaciji obaviti najmanje šest pokusa sa različito orijentiranim jastucima. ISRM (1987) preporuča da se obavi 9 pokusa, kako bi se čim točnije odredile komponente tenzora naprezanja (po tri jastuka u svakom od zidova tunela i tri u kaloti tunela). Ovom metodom mjeri se naprezanje u zoni promjene primarnih naprezanja zbog iskopa. Da bi se dobilo primarno naprezanje, izmjerene veličine treba ekstrapolirati izvan ove zone primjenom teorije elestičnosti ili numeričkim modeliranjem. Na mjestu gdje će biti postavljen tlačni jastuk, ugrade se reperi te se izmjeri njihova udaljenost (d0). Slot u koji će biti postavljen jastuk izreže se pilom ili se dobije bušenjem niza bušotina jedne pored druge. Tijekom rezanja slota, reperi će se primicati jedan prema drugome, ukoliko je normalno naprezanje tlačno. U slot se umeće jastuk koji se ispuni uljem ili vodom pomoću tlačne pumpe. Tlak u jastuku prenosi se na zidove slota te počinje razmicanje repera. Tlak u jastuku potreban da se reperi vrate u položaj koji su imali prije rezanja slota, predstavlja normalno naprezanje u pravcu okomitom na plohu jastuka. Osnovni nedostatak ove metode je veliki broj jastuka koje treba ugraditi da bi se izmjerile sve komponente tenzora naprezanja. Za interpretaciju rezultata mjerenja potrebno je poznavati raspodjelu naprezanja u okolini podzemne prostorije u kojoj je ispitivanje obavljeno. Za uspješno korištenej ove metode potrebno je ispuniti tri uvjeta: • • •

stijenska masa u zidovima prostorije ne smije biti poremećena prostorija treba imati geometriju za koju postoji zatvoreno rješenje za izračunavanje naprezanja (najbolji je kružni poprečni presjek) stijenska masa treba se ponašati elastično

7

Primarna i sekundarna naprezanja

Prvi i treći zahtjev obično eliminiraju uporabu eksploziva tijekom izrade prostorije.

d

Pogled na izrezani slot i jastuk u njemu

τ xz   τ yz  σ zz 

d0

cancelation pressure

τ xy σ yy τ zy

Razmak repera

σ xx   τ yx  τ zx 

Vrijeme rezanja slota

Slika 4.5

Pc Tlak u jastuku

Pokus tlačnim jastucima

4.2.1.2 Pokus hidrauličkog frakturiranja Pokus hidrauličkog frakturiranja izvodi se duboko u bušotini. Najveća prednost ovog pokusa je činjenica da se on može izvesti daleko od iskopa te promjena naprezanja izazvana iskopom neće utjecati na rezultat mjerenja. Pokus se može izvesti čak na dubinama od 5 do 6 km. Najveći mu je nadostatak što se ne mogu izmjeriti sve komponente tenzora naprezanja. Da bi se dobilo kompletno stanje naprezanja moraju se uvesti sljedeće pretpostavke: • • •

pravci glavnih naprezanja paralelni su i okomiti na os bušotine vertikalno glavno naprezanje posljedica je mase gornjeležećih naslaga pretpostavi se vrijednost trećeg glavnog naprezanja σ2.

Na mjestu gdje se želi izmjeriti naprezanje pakerima se izolira dio bušotine u duljini približno 1 m. U izoliranu zonu dovede se voda te se tlak vode povećava sve dok ne dođe do loma stijene. Tijekom pokusa

Podzemne građevine i tuenli

8

mjeri se tlak vode. Promjena tlaka tijekomm vremena prikazana je na slici xxx. Za pokus su bitne dvije vrijednosti tlaka: • •

tlak pri kojem je došlo do loma stijene PB (breakdown pressure) tlak koji je potreban da se pukotina drži otvorenom Ps (shut-in pressure)

Napomene vezane za izvođenje pokusa: • • • •

pokus se mora izvoditi na lokacijama koje nemaju prirodne diskontinuitete što se može utvrditi TV kamerom, tlak vode treba po mogućnosti mjeriti na mjestu frakturiranja a ne na površini, orijentacija i lokacija pukotine koja je nastala tijekom pokusa odredi se pakerom na kojem ostaje trag pukotine (impression packer) ili na neki drugi način, Treba uvijek imati u vidu pretpostavku da je pravac glavnog naprezanja paralelan s osi bušotine.

Bez obzira na nedostatke koji su posljedica uvođenja niza pretpostavki, ovo je jedina metoda mjerenja koja se može koristiti na značajnim udaljenostima od iskopa te na enormnim dubinama od nekoliko kilometara. Metoda je primjenjiva u stijeni koja se može smatrati linearno elastičnom, homogenom i izotropnom. Također se podrazumjeva da je stijena vodnepropusna kako voda pod tlakom nebi utjecala na raspodjelu naprezanja. Prema teoriji elastičnosti, faktor koncentracije naprezanja ne ovisi o konstantama elastičnosti niti o promjeru bušotine. Međutim, za izračunavanje naprezanja potrebno je poznavati vlačnu čvrstoću stijene, koja nije materijalno svojstvo. Naime, materijalno svojstvo ne ovisi o geometriji uzorka i uvjetima opterećenja tijekom pokusa a vlačna čvrstoća ovisi.

9

Primarna i sekundarna naprezanja

1

σH

2

2

σh

σh

3 4 3

σH

PB

Tlak

σ 1 0 0  0 σ 0  2  0 x 0 σ 3 

Ps Vrijeme

1. 2. 3. 4.

Visokotlačna pumpa, mjerilo protoka, mjerilo tlaka Tlačna pumpa za aktiviranje pakera Pakeri za izoliranje ispitne dionice Paker za identifikaciju pukotine

σh-manje glavno vodoravno naprezanje σH-veće glavno vodoravno naprezanje σt-vlačna čvrstoća stijene σh=Ps

σH=3Ps-PB+σt

Slika 4.6

Pokus hidrauličkog frakturiranja

Podzemne građevine i tuenli

10

4.2.1.3 Overcoring metode Kod svih overcoring metoda, kao priprema za obavljanje pokusa izbuši se bušotina proizvoljnog promjera do mjesta na kojem se žele izmjeriti naprezanja. Na dnu bušotine izbuši se pilot bušotina malog promjera (kod USBM metode promjer pilot bušotine je 37 mm). U pilot bušotinu umetne se sonda koja radi na jednom od sljedećih principa: • •

mjeri promjenu promjera pilot bušotine, mjeri deformaciju zidova pilot bušotine.

Pošto je sonda ugrađena u pilot bušotinu, izvrši se nulto mjerenje. Nakon toga, vrši se bušenje koncentrične bušotine većeg promjera (overcoring) čime se stijena u koju je ugrađena sonda oslobađa utjecaja okolnog masiva. Naprezanja se mogu odrediti na dva načina: 1. Izvađena sonda sa cilndrom stijene koji je dobiven overcoringom, stavlja se u uređaj kojim se aplicira naprezanje na vanjski plašt cilindra. Naprezanja kod kojih se mjerene veličine vrate na vrijednosti koju su imale prije overcoringa, predstavljaju naprezanja u ravnini okomitoj na os bušotine. 2. Iz izmjerenih deformacija uz poznavanje konstanti elastičnosti izračuna se naprezanje. Overcoring metode omogućavaju mjerenje naprezanja daleko od iskopa, čime se eliminira utjecaj iskopa na izmjerena naperzanja. USBM metoda (United States Bureau of Mines) Kod USBM metode sonda omogućava mjernje promjene promjera pilot bušotine u tri pravca koji se sijeku pod kutem od 1200. Nakon što je izvršeno nulto mjerenje u pilot bušotini izvrši se bušenje koncentrične bušotine s tankostijenom sržnom cijevi (overcoring). Tijekom bušenja kontinuirano se prati promjena tri promjera pilot bušotine. Nakon završenog overcoringa, cilindar stijene zajednos sa sondom izvadi se iz bušotine te ugradi u biaksijalnu ćeliju radi određivanja modula elastičnosti. U biaksijalnoj ćeliji cilindar se tlači po vanjskom plaštu nastojeći postići stanje naprezanja koje je djelovalo prije nego je izvršen overcoring. Tijekom pokusa, deformacija pilot bušotine mjeri se istom sondom koja je bila korištena tijekom overcoringa. Koristeći formule za tankostijeni cilindar izračuna se Youngov modul elastičnosti iz naprezanja koje je postignuto u biaksijalnoj ćeliji i promjene promjera pilot bušotine. Naprezanja u ravnini okomitoj na os bušotine, izračunaju se iz izmjerenih deformacija pilot bušotine tijekom overcoringa i parametara elastičnosti stijene. Ako se na istoj lokaciji izvede tri (ili više) pokusa u bušotinama različite orijentacije, moguće je izračunati sve komponente tenzora naprezanja.

11

Primarna i sekundarna naprezanja

Bušenje pilot bušotine i postavljanje sonde

σ xx τ xy τ xz    τ yx σ yy τ yz  τ zx τ zy σ zz   

Overcoring uz istovremeno mjerenje promjene promjera pilot bušotine Promjena promjera pilot bušotine (mm)

Tlačenje cilindra, koji je dobiven overcoringom, u biaksijalnoj ćeliji radi određivanja modula elastičnosti. Promjena unutarnjeg promjera cilindra (pilot bušotine)

u1 u2 u3 Dubina overcoringa (mm)

Slika 4.7

USBM metoda (United States Bureau of Mines)

12

Podzemne građevine i tuenli

Određivanje naprezanja korištenjem CSIR ili CSIRO sonde I ova metoda pripada skupini tzv. overcoring metoda. Za razliku od USBM metode, gdje se jednom sondom može obaviti više mjerenja, sonde CSIR i CSIRO metoda lijepe se za stijenke pilot bušotine te se tako mogu koristiti samo jedan puta. Na sondi se nalaze mjerila pomaka (deformacije) u tri rozete. Kako svaka od rozeta sadrži tri ili četiri mjerila (strain gauges), ukupno se izmjeri 9 ili 12 pomaka (deformacija). Nakon što je sonda zaljepljena u pilot bušotini, obavi se nulto mjerenje. Nakon toga obavi se overcoring. Overcoringom se cilindar stijene oslobađa naprezanja koje vlada u okolnoj stijenskoj masi što će za posljedicu imati deformiranje pilot bušotine. Deformiranje pilot bušotine zabilježit će mjerila na sondi. Iz izmjerenih deformacija stijenki pilot bušotine, izračuna se svih 6 komponenti tenzora naprezanja. Ovo je jedna od metoda kojom se jednim mjerenjem mogu odrediti sve komponente tenzora naprezanja. Uporaba ove metode ograničena je na homogene stijene koje se ponašaju kao perfektno elastičan medij. Može se pojaviti problem ljepljenja sonde u saturiranoj stijeni. U ovom slučaju treba koristiti jednu od tri naprijed opisane metode. Sonda, koja se često naziva troosnom deformacijskom ćelijom (triaxial strain cell), razvijena je u South African Council for Scientific and Industrial Research (CSIR). Sondu slične koncepcije razvili su u Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) u Australiji. Ova sonda poznata je pod imenom CSIRO Hollow Inclusion (HI) cell. Jedna od glavnih razlika između CSIR i CSIRO HI sondi je u tome što je CSIRO HI sonda cijelo vrijeme priključena na uređaj za mjerenje deformacija. Na taj način se mogu dobiti podaci o naprezanju tijekom overcoringa. Na istom principu radi i sonda LNEC instituta iz Portugala (stress tensor tube).

σ xx  τ yx  τ zx 

τ xy τ xz   σ yy τ yz  τ zy σ zz 

13

Primarna i sekundarna naprezanja

4.3

Sekundarna naprezanja

Da bi se razumjeli mehanizmi nestabilnosti uzrokovani visokim sekundarnim naprezanjima, neophodno je razumjeti osnovne koncepte naprezanja i čvrstoće. Naprezanje koje vlada u stijenskoj masi prije nego se u njoj izvrši iskop, posljedica je mase gornje ležećih naslaga i geološke povijesti stijenske mase (primarna naprezanja). Polje primarnih naprezanja poremeti se nakon iskopa podzemnog prostora do neke udaljenosti od konture iskopa. Ova naperzanja se u engleskoj literaturi obično nazivaju izazvanim naprezanjima (induced stresses). U njemačkoj se literturi često označavaju kao sekundarna naprezanja što je prihvaćeno i u našoj inženjerskoj praksi. Nekada ova naprezanja mogu biti dovoljno visoka da premaše čvrstoću stijenske mase. U ovom slučaju, slom stijenske mase dovodi do nestabilnosti konture iskopa što se manifestira na različite načine ovisno o svojstvima stijenske mase i nivou sekundarnih naprezanja. Različiti modeli sloma i mjere koje se poduzimaju da bi se osigurala stabilnost građevine, prikazat će se u posebnim poglavljima.

Zona promjene primarnih naprezanja

PRIJE ISKOPA Stanje primarnih naprezanja posljedica je mase gornje ležećih slojeva i geološke povijesti

Slika 4.8

POSLIJE ISKOPA Iskop poremeti polje primarnih naprezanja u ograničenoj zoni oko tunela. Naprezanja u ovoj zoni nazivaju se-sekundarna naprezanja

Primarno i sekundarno stanje naprezanja oko tunelskog otvora

Podzemne građevine i tuenli

14

Modeliranje je proces pojednostavljenja koji se ne može izbjeći zbog vrlo kompleksne geologije i kompleksnog ponašanja stijenske mase. Prije nego su se pojavila računala, kompleksna površina poprečnog presjeka često je aproksimirana kružnim otvorom, ispucalost je zanemarivana i uglavnom je pretpostavljano elastično ponašanje stijena. Tako je na početku razvoja mehanike stijena metodologija utvrđivanja mehaničkih svojtava prednjačila pred mogućnostima modeliranja. Danas najveća ograničenja u korištenju moćnih numeričkih programa predstavlja nemogućnost preciznog definiranja geoloških odnosa i parametara koji opisuju ponašanje stijenske mase. Tehnike modeliranja mogu se svrstati u nekoliko skupina: MATEMATIČKI MODELI

Zatvorena rješenja Numerički modeli Modeliranje kontinuuma Metoda konačnih razlika (FDM-Finite Difference Method) Metoda konačnih elemenata (FEM-Finite Element Method) Metode rubnih elemenata (Boundary element Methods) Hibridni modeli Modeliranje diskontinuuma DEM-Metoda diskretnih elemenata (Distinct (discret) Element Method) Blok teorija (Key block method (Goodman)) Metode granične ravnoteže (Limiting equillibrium method) ANALOGNI MODELI Fotoelastični modeli FIZIČKI MODELI Fotoelastični modeli. Boja polarizirane svjetlosti u nekim materijalima koji su slični staklu ili plastici (stress-birefringent material) ovisi o naprezanjima koja u njemu vladaju. Ako se u ploči od ovakovog materijala izreže rupa koja ima oblik poprečnog presjeka tunela te ploča optereti po rubovima naprezanjima koja odgovaraju primarnim naprezanjima u stijenskoj masi, moguće je odrediti raspodjelu i veličinu naprezanja u okolini rupe. Fizički modeli. Fizičkim modelima se u laboratoriju simulira ponašanje stijenske mase u prirodi. Modeli se rade od prirodnih i umjetnih materijala koji se opterećuju na različite načine te prati njihovo ponašanje u okolini tunela. Do danas se u geotehničkoj praksi održao jedino centrifugalni model kod kojeg se gravitacijsko naprezanja modelira na način da se model rotira u centrifugi.

Primarna i sekundarna naprezanja

15

Slika XXX Fizički model podzemnog rudnika ugljena koji je izveden u DMT, Essen, Njemačka (prospekt tvrtke Interfels)

16

Podzemne građevine i tuenli

Tablica 4.1 Usporedba nekih metoda za modeliranje podzemnih iskopa Zatvorena rješenja

Djelovanja Geometrija iskopa

Najčešće korišteni modeli

Proizvoljne konstitutivne jednadžbe. Mogućnost modeliranja nehomogene i anizotropne stijenske mase; rasjednih zona i sl. Mogućnost modeliranaj termalnih naperzanja, tečenja vode ili dianmičkih opterećenja. Proizvoljni oblici poprečnog presjeka tunela i prizvoljna geometrija podzemmnih galerija • Metoda konačnih razlika • Metoda konačnih elemenata • Meteda rubnih elemenata • Metoda diskretnih elemenata Ako se kombiniraju neke od ovih metoda dobiju se tzv. hibridni (coupled) modeli Dvdimenzionalni modeli:

Komercijalni programi

• • •

Rocsupport (http://www.rocscience.com/)

• • •

Phase2 (FEM) (http://www.rocscience.com/) FLAC (Fast Lagrangian Analysis of Continua) (FDM) (http://www.itascacg.com/) Final (prof. Svoboda, Austrija) (FEM) Examine (BEM) (http://www.rocscience.com/)

Trodimenzionalni modeli:

•

FLAC3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions) (FDM) (http://www.itascacg.com/)

•

Examine 3D (BEM) (http://www.rocscience.com/) Modeli diskretnih elemenata: • UDEC (Universal Distinct Element Codes) (http://www.itascacg.com/) • 3DEC (3 Universal Distinct Element Codes) (Itasca) (http://www.itascacg.com/)

Napomene

Iako se danas rijetko koriste, vrlo su korisna za razumjevanje problema preraspodjele naprezanja u okolini iskopa te za ispitivanje i provjeru novih numeričkih modela.

Fizički i analogni modeli

Razvoj računala omogućio je širokom krugu korisnika uporabu najkompleksnijih numeričkih programa

Rijetko se koriste zbog visokih troškova i raznih ograničenja. Potisnuti su naglim razvojem numeričkih modela

Materijal

Većina zatvorenih rješenja pretpostavlja linearno-elastičan, homogen i izotropan materijal (teorija elastičnosti). Kompleksnija zatvorena rješenja modeliraju razvoj plastične zone oko tunela, te elastično ortotropni i linearno viskoelastični materijal. Statička djelovanja iskazana primarnim naprezanjima u stijenskoj masi. Najčešće kružni i eliptični poprečni presjek u uvjetima stanja ravne deformacije. Podzemni prostori u obliku kugle i elipsoida Dvodimenzionalne analize tunela • Otvor kružnog poprečnog presjeka u masivnim stijenama • Otvor kružnog poprečnog presjeka u Mohr-Coulombovom materiajlu • Otvor kružnog poprečnog presjeka u Hoek-Brownovom materiajlu

Numerički modeli

17

Primarna i sekundarna naprezanja

4.3.1

Zatvorena rješenja

Pod zatvorenim rješenjima podrazumjevaju se rješenja koja neki model ponašanja opisuju jednostavnim jednadžbama za koje postoji jedinstveno rješenje. Većina zatvorenih rješenja pretpostavlja elastičan, homogen i izotropan medij. Neka kompleksna zatvorena rješenja omogućavaju modeliranje: • • •

razvoja plastične zone, elastično ortotropnog ili linearno viskoelastičnog materijala, uslojene i anizotropne stijenske mase.

Iako su numeričke metode gotovo u potpunosti eliminirale zatvorena rješenja ona su vrlo korisna za razumjevanje problema preraspodjele naprezanja u okolini iskopa te za ispitivanje i provjeru novih numeričkih modela. Zatvorenim rješenjima može se dobiti slika o mjestima najvećih naprezanja te pravcima i redu veličine glavnih naprezanja. Hoek preporuča da se u ranoj fazi projektiranja koriste jednostavna zatvorena rješenja za procjenu radijalnih pomaka tunela. Veliki radijalni pomaci ukazuju na potrebu korištenja numeričkih analiza (dvodimenzionalnih i trodimenzionalnih). Hoek i Marinos, (2000) preporučaj da se jednostavnim zatvorenim rješenjima procjeni radijalna deformacija tunela, to ovisno o izračunatim vrijednostima odabere adekvatna numerička metoda proračuna (tablica XXX) Tablica 4.2. Približni odnosi deformacije nepodgrađenog tunela i očekivanih problema Deformacija ε (%) A

B

C

Geotehnički uvjeti

Manja od 1

Očekuju se mali problemi stabilnosti te se mogu koristiti vrlo jednostavne metode projektiranja. Klasifikacije stijenskih masa predstavljaju dobru osnovu za projektiranje

1 do 2,5

Koristi se metoda karakterističnih krivulja za prognozu formiranja plastificirane zone oko tunela i interakcije između progresivnog razvoja ove zone i različitih tipova podgrade.

2,5 do 5

Dvodimenzionala analiza konačnim elementima u koju su uključeni i elementi podgrade i iskop po fazama. Stabilnost čela općenito nije glavni problem.

D

5 do 10

E

Veća od 10

Stabilnost čela je dominantni problem projektiranja te treba predvidjeti mjere osiguranja i na čelu iskopa. Dvodimenzionalna analiza nije primjerena. Nestabilnost čela i gnječenje u okolini tunela čine ovaj slučaj tipično trodimenzionalnim. Danas ne postoji efikasna metoda projektiranja za ove uvjete. Većina rješenja je temeljena na iskustvu.

deformacija ε (%)=(radijalni pomak/promjer tunela)*100

Tiovi podgrade Jednostavni uvjeti u tunelu. Tipično se koriste sidra i mlazni beton. Manji problemi gnječenja (squeezing) koji se općenito rješavaju sidrima i mlaznim betonom a ponekad sa laganim punim čeličnim profilima (steel sets) ili rešetkastim lukovima (lattice girders) koje se dodaju za dodatnu sigurnost. Ne tako izraženi problemi gnječenja traže brzu ugradnju podgrade i pažljivu kontrolu kvalitete. Općenito je potrebna ugradnja teških čeličnih profila u mlazni beton. Izraženi problemi gnječanja i stabilnosti čela. Obično je potreban pipe roof i sidrenje čela sa čeličnim lukovima ugrađenim u mlazni beton. Ekstremni problemi gnječenja. Pipe roof i sidrenje čela i popustljiva podgrada u ekstremnim slučajevima.

18

Podzemne građevine i tuenli Dvodimenzionalne analize tunela

Problemi analize prostornog stanja naprezanja, često dovode do pojednostavljenja u smislu da se napreaznje analizira kao dvodimenzionalni problem u jednoj od ravnina glavnih naprezanja. Dvodimenzionalne analize korisne su za razumjevanje trodimenzionalnih raspodjela naperzanja. U mehanici stijena dogovereno je: • •

da su tlačna naprezanja uvijek pozitivna te da najveće glavno naprezanje nosi oznaku σ1 a najmanje σ3 . Pod elastičnom stijenom podrazumjeva se stijena kod koje postoji linearan odnos naprezanja i deformacije, dok elastična deformacija ne mora biti potpuno povratna.

Ravno stanje naprezanja Ravno stanje naprezanja definira se kao stanje u kojem su sve komponente naprezanja koje djeluju na jednu od tri ortogonalne plohe jednake nuli.

z

σz τzy

τzx

Trodimenzionalno stanje naprezanja

τxz

τyz σy

τyx

τxy

y Slika 4.9

Tenzor prostornog naprezanja

σx x

σ x τ xy τ xz    τ σ τ y yz   yx τ zx τ zy σ z   

19

Primarna i sekundarna naprezanja

Za slučaj kada naprezanje na ravnini koja je okomita na os Y jednako nuli (σy=τyx=τyz=0) tenzor naprazanja ima tri komponente (σx; σz; τzx=τxz)

z

σz τzx

Ravno stanje naprezanja

τxz

σ x τ xz  τ   zx σ z 

σx

x y Slika 4.10

Tenzor ravnog stanja naprezanja

Za ravno stanje naprezanja u linearno elastičnom mediju vrijede sljedeće veze naprezanja i deformacija:

εx =

1 (σ x − νσ z ) E

εz =

1 (σ z − νσ x ) E

εy = − γ xz =

τ xz G

ν E =

(σ x + σ z ) 2(1 + ν ) τ XZ E

gdje je: E= modul elastičnosti ν=Poissonov koeficijent G-Modul posmični modul (shear modul or modulus of rigidity) Stanje ravnog naperzanja vlada u fotoelastičnom modelu i fizičkim modelima iskopa u kojima je perforirana ploča izložena djelovanju sila u ravnini ploče.

20

Podzemne građevine i tuenli

Ravno stanje deformacija Ako je spriječeno deformiranje tijela uzduž njegove osi i svi pomaci se dešavaju u ravnini okomitoj na njegovu os, postoje uvjeti ravnog stanja deformacija. Tunel je tipičan primjer kod koga se analiza naperzanja može pojednostaviti s ravnim stanjem deformacija. Tijekom iskopa tunela u homogenoj izotropnoj stijenskoj masi, svi pomaci se dašavaju u ravnini okomitoj na os tunela. Za ravno stanje deformacija u linearno elastičnom mediju vrijede sljedeće veze naprezanja i deformacija:

(

)

(

)

εx =

1 σ x − ν ,σ z , E

εz =

1 σ z − ν ,σ x , E

εy = 0 γ xz =

2(1 + ν , ) τ XZ E,

gdje je:

E, =

ν, =

E 1 −ν 2

ν 1 −ν

E= modul elastičnosti ν=Poissonov koeficijent Ako se uporede ove jednadžbe s jednadžbama za ravno stanje naprezanja, vidi se da one imaju istu strukturu a razlikuju se samo u koeficijentima. Ako se zna da distribucija naprezanja oko otvora u elastičnom mediju ne ovisi o elastičnim konstantama onda slijedi da za iste rubne uvjete ravno stanje naprezanja i ravno stanje deformacija daju isti oblik raspodjele naprazanja. Zamislimo situaciju u kojoj prije iskopa tunela u stijeni vladaju glavna napreznja σ1, σ2 i σ3. Iskop tunela izazvat će preraspodjelu naprezanja u okolini tunela. Izuzimajući početak i kraj tunela, na cijeloj duljini tunela preraspodjela naprezanja biti će identična. Zamislimo da je stijena podjeljena ravninama okomitim na os tunela na ploče jedinične debljine. Svaka od ovih ploča nalazi se u stanju ravne deformacije jer je uklještena između susjednih paralelnih ploča koje spriječavaju njeno deformiranje uzduž osi tunela. U ovj situaciji, u okolini tunela vlada ravno stanje deformacija.

21

Primarna i sekundarna naprezanja z σz

z

y

σz

τxz τzx

σx

σx σx

σx

dz σ1

σy

x

y

x σz

dy

σ3

dx σ3 σ2

σz

Slika 4.11

Uvjeti ravnog stanja deformacija

σ1

22

Podzemne građevine i tuenli

Tunel kružnog poprečnog presjeka u masivnim stijenama Pretpostavimo iskop tunela u stijeni koja je napregnuta ispod njene tlačne čvrstoće (do ½ tlačne čvrstoće) i koja ima diskontinitete na većim razmacima. U ovom slučaju stijena će se ponašati elastično te se može koristiti rješenje problema rupe u biaksijalno opterećenoj ploči, homogenog, izotropnog, kontinuiranog, linearno elastičnog materijala. Za definiranje polja radijalnih i tangencijalnih pomaka i raspodjele naprezanja oko cilindrične rupe za ravno stanje deformacija rješenje je dao Kirsch.

P2

σθ

σr

ur

τrθ

uθ

r

P1

a

θ

σθ

P2 Slika 4.12

Komponente naprezanja u polarnom koordinatnom sustavu

Naprezanja σr, σθ i τrθ u polarnom koordinatnom sustavu, mogu se prikazati jednadžbama:

σr =

p1 + p2  a 2  p1 − p2  4a 2 3a 4  1 − 2  +  1 − 2 + 4  cos 2θ 2  2  r r  r 

p1 + p2  a 2  p1 − p2  3a 4  σθ = 1 + 2  −  1 + 4  cos 2θ 2  2  r  r 

τ rθ = −

p1 − p 2  2a 2 3a 4 1 + 2 − 4 2  r r

  sin 2θ 

P1

Primarna i sekundarna naprezanja

23

Radijalna i tangencijalna deformacija može se prikazati jednadžbama:

p1 + p2 a 2 p1 − p2 a 2  a2  4(1 − v ) − 2  cos 2θ ur = + 4G r 4G r  r  uθ = −

p1 − p2 a 2  a2  ( ) 2 1 2 − v +  sin 2θ 4G r  r2 

Na konturi iskopa (r=a) radijalno naprezenje jednako je nuli jer se radi o slobodoj površini (nema podgrade u tunelu). E

Youngov modul

ν

Poissonov koeficijent

G

Posmični modul

K

Bulk modul

G=

E 2(1 + ν )

K=

2(1 + ν ) G 3(1 − 2ν )

24

Podzemne građevine i tuenli

PRIMEJR:

Naprezanje (Pa)

a (m) P1 (Pa) Radijus rupe 1 3,00E+07 θ= 90 Rad. naprezanje r (m) σr (Pa) 1,00 0,00E+00 1,10 5,21E+06 1,20 9,17E+06 1,30 1,22E+07 1,40 1,47E+07 1,55 1,75E+07 1,70 1,96E+07 1,90 2,17E+07 2,10 2,32E+07 2,30 2,43E+07 2,50 2,52E+07 2,80 2,62E+07 3,10 2,69E+07 3,40 2,74E+07 3,70 2,78E+07 4,00 2,81E+07 4,50 2,85E+07 5,00 2,88E+07

P2 (Pa) 3,00E+07 Tang. naprez.

σθ (Pa)

6,00E+07 5,48E+07 5,08E+07 4,78E+07 4,53E+07 4,25E+07 4,04E+07 3,83E+07 3,68E+07 3,57E+07 3,48E+07 3,38E+07 3,31E+07 3,26E+07 3,22E+07 3,19E+07 3,15E+07 3,12E+07

E (Pa) Youngov modul 6,78E+09

ν Poissonov koef. 0,21

Radijalni pomak ur (m) 5,36E-03 4,87E-03 4,46E-03 4,12E-03 3,83E-03 3,46E-03 3,15E-03 2,82E-03 2,55E-03 2,33E-03 2,14E-03 1,91E-03 1,73E-03 1,58E-03 1,45E-03 1,34E-03 1,19E-03 1,07E-03

Tang. pomak

G (Pa) Posmični modul 2,80E+09

uθ (m) 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00 0,00E+00

7,00E+07

Primarno vertikalno naprezanje

6,00E+07 5,00E+07 4,00E+07

rad stress tang stress

3,00E+07 2,00E+07 1,00E+07 0,00E+00 1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

Radijalni pomak (mm)

Udaljenost od centra otvora (m) rad disp 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

Udaljenost od centra otvora (m)

6,00

25

Primarna i sekundarna naprezanja Tunel kružnog poprečnog presjeka u Mohr-Coulombovom materijalu

Ako naperzanja u okolini tunela premaše čvrstoću stijenske mase, doći će do formiranja takozvane plastificirane zone. Ako je čvrstoća stijenske mase definirana Mohr-Coulombovim kriterijem čvrstoće, tada će radijus plastificirane zone, za hidrostatsko primarno stanje naprezanja biti: 1/ K −1 q  ( p )  P0 +   K p − 1 2  R0 = a  Kp + 1 q  Pi +  K p − 1  

gdje je: a=radijus otvora c=kohezija Φ=kut trenja P0= početno primarno naperzanje Pi= unutarnji tlak

Kp =

1 + sin φ 1 − sin φ

P0

q = 2c tan( 45 + φ / 2)

σθ

σr

ur

τrθ

uθ

r

P0

θ

a R0

P0 Slika 4.13

Komponente naprezanja u polarnom koordinatnom sustavu

Radijalno naperzanje na kontaktu elastične i plastificirane zone:

σθ

P0

26

Podzemne građevine i tuenli

σ re =

1 (2 P0 − q ) Kp + 1

Naprezanja i radijalni pomak u elestičnoj zoni:

R  σ r = P0 − ( P0 − σ re ) 0   r 

2

R  σ θ = P0 + ( P0 − σ re ) 0   r 

2

R02  2P − q 1  P0 − 0  ur = K p + 1  r 2G  gdje je: r=udaljenost promatrane točke od centra otvora Naprezanja i radijalni pomak u plastičnoj zoni: K −1  q  r  ( p ) q   σr = − +P + K p − 1  i K p − 1  a  K −1  q  r  ( p ) q   σθ = + K p  Pi +   K p − 1  a  Kp − 1 

ur =

(

)  P +

2  r q  (1 − v ) K p − 1  + ( 2v − 1)  P0 + [ 2G K p − 1 K p + K ps 

gdje je:

K ps =

1 + sin ψ 1 − sin ψ

ψ=kut dilatacije ν=Poissonov keficijent G= Posmični modul

 

i

(

)

K −1  q   R0  ( K p −1)  R0  ( K ps +1)  (1 − v ) K p K ps + 1 q  r  ( p )       + − v  Pi +     K p − 1  a   r  K p + K ps K p − 1  a   

]

27

Primarna i sekundarna naprezanja

PRIMJER Radijus otvora

Kut trenja

(1+sinφ)/(1-sinφ)

Kohezija

q

Prim. napr.

Unutarnji tlak

a (m)

φ sinφ (deg)

Kp

c (Pa)

2*c*tan(45+φ/2)

Po (Pa)

P1 (Pa)

3

3,45E+06

1,20E+07

3,00E+07

0,00E+00

1

30

0,5

Radijus plastifikacije

Posmični modul

Kp-1

R0 (m)

G (Pa)

2

1,73E+00

2,80E+09

Naprezanje na granici elastične i plastične zone: σre (Pa) = 1,20E+07 Naprezanja-PLASTIČNA ZONA Udaljenost od centra

Naprezanje

r (m)

σr (Pa)

σθ (Pa)

1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7

1,25E+06 2,63E+06 4,12E+06 5,74E+06 7,47E+06 9,32E+06 1,13E+07

1,57E+07 1,98E+07 2,43E+07 2,92E+07 3,44E+07 3,99E+07 4,58E+07

σr/P0 (normalizirano) 4,18E-02 8,76E-02 1,37E-01 1,91E-01 2,49E-01 3,11E-01 3,76E-01

σθ/ P0 (normalizirano) 5,24E-01 6,61E-01 8,11E-01 9,72E-01 1,15E+00 1,33E+00 1,53E+00

Naperzanja-ELASTIČNA ZONA Udaljenost od centra r (m) 1,75 1,85 2 2,2 2,4 2,6 2,9 3,2 3,6 4 4,5 5

Naprezanje σr (Pa)

σr/P0 (normalizirano) 4,11E-01 4,73E-01 5,49E-01 6,27E-01 6,87E-01 7,33E-01 7,85E-01 8,24E-01 8,61E-01 8,87E-01 9,11E-01 9,28E-01

σθ (Pa)

12319290,7 14179058,5 16463206,9 18812567,7 20599449,3 21990063,3 23561572,9 24712190,2 25821977,5 26615801,7 27326065,6 27834113,1

47680709,3 45820941,5 43536793,1 41187432,3 39400550,7 38009936,7 36438427,1 35287809,8 34178022,5 33384198,3 32673934,4 32165886,9

Radijalni pomak-PLASTIČNA ZONA r (m) ud. od centra 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 1,40 1,50 1,65

X1

X2

X3

pomoć

pomoć

pomoć

-2,09E+07 -2,09E+07 -2,09E+07 -2,09E+07 -2,09E+07 -2,09E+07 -2,09E+07 -2,09E+07 -2,09E+07 -2,09E+07

1,72E+08 1,41E+08 1,17E+08 9,82E+07 8,28E+07 7,03E+07 6,01E+07 4,47E+07 3,39E+07 2,32E+07

6,88E+06 7,58E+06 8,32E+06 9,09E+06 9,90E+06 1,07E+07 1,16E+07 1,35E+07 1,55E+07 1,87E+07

ur (m) radijalni pomak 2,82E-02 2,40E-02 2,06E-02 1,77E-02 1,54E-02 1,34E-02 1,18E-02 9,33E-03 7,64E-03 6,19E-03

σθ/ P0 (normalizirano) 1,59E+00 1,53E+00 1,45E+00 1,37E+00 1,31E+00 1,27E+00 1,21E+00 1,18E+00 1,14E+00 1,11E+00 1,09E+00 1,07E+00 Radijalni pomakELASTIČNA ZONA r (m) ur (m) ud. od centra 1,80 1,95 2,10 2,30 2,50 2,70 3,00 3,30 3,60 4,00

radijalni pomak 5,37E-03 4,96E-03 4,60E-03 4,20E-03 3,87E-03 3,58E-03 3,22E-03 2,93E-03 2,69E-03 2,42E-03

28

Normalizirano naprezanje

Podzemne građevine i tuenli

2,50

Granica plastificirane zone

2,00

Tangencijalno naperzanje

1,50

Primarno naperzanje 1,00

Radijalno naperzanje

0,50

0,00 1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

5,50

Udaljenost od centra otvora (m)

rad. pomak (m)

Radijalni pomak (m)

0,035 0,030 0,025

Granica plastificirane zone

0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

Udaljenost od centra otvora (m)

Slika 4.14

Naperzanja i pomak oko cilindrične rupe u Mohr-Coulombovom mediju

29

Primarna i sekundarna naprezanja

Tunel kružnog poprečnog presjeka u Hoek-Brownovom materijalu Ako naperzanja u okolini tunela premaše čvrstoću stijenske mase, doći će do formiranja takozvane plastificirane zone. Ako je čvrstoća stijenske mase definirana Hoek-Brownovim kriterijem čvrstoće, tada će radijalna i tangencijalna naprezanja, za hidrostatsko primarno stanje naprezanje,biti:

P0

U elastičnoj zoni:

r  r

σ r = P0 − ( P0 − σ re ) e 

2

r  σ θ = P0 + ( P0 − σ re ) e  r

σθ

2

ur

τrθ

uθ

gdje je: P0=primarno naprezanje re=radijus plastične zone σre=radijalno naprezanje na granici plastične i elastične zone (r=re)

r

P0

θ

a re

P0 Slika 4.14

Komponente naprezanja u polarnom koordinatnom sustavu

U plastificiranoj zoni:

mσ σr = r c 4

2

  r  r 2 1/ 2 ln a   + ln a  ( mr σ c Pi + sr σ c ) + Pi  

σ θ = σ r + (mr σ cσ r + sr σ c2 )

σr

1/ 2

gdje je: Pi=radijalni tlak koji djeluje na zidove iskopa a=radijus ikopa σc=jednoosna tlačna čvrstoća stijene m,s=Hoek-Brownovi parametri za stijensku masu u elastičnoj zoni mr,sr=Hoek-Brownovi parametri za stijensku masu u plastičnoj zoni Vrijednosti σre i re definirani su kao:

σθ

P0

30

Podzemne građevine i tuenli

σ re = P0 − Mσ c gdje je: 2  mP 1  m  M =   + 0 + s σc 2  4  

1/ 2

−

m 8

re = ae gdje je:

N=

2

mr σ c

(m σ r

c

P0 + sr σ c2 − mr σ c2 M )

1/ 2

 2 mr σ c Pi + sr σ c2 N− σ m r r 

(



) 1/ 2  

31

Primarna i sekundarna naprezanja

PRIMJER: ri (m)

m

s

mr

sr

Po (Pa)

Pi (Pa)

Jednoosna tlačna čvrst. σc (Pa)

1

2,515

0,003865

0,5

1,00E-05

3,00E+07

0,00E+00

1,00E+08

Radijus otvora

Primarno naprezanje

Hoek-Brownovi parametri

Unutarnji tlak

GRANICA

σre (Pa) = 7,73E+06 PLASTIČNA ZONA Udaljenost od centra

r (m) 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1

Naprezanje

σr (Pa)

σθ (Pa)

1,44E+05 4,73E+05 9,43E+05 1,52E+06 2,18E+06 2,91E+06 3,69E+06 4,50E+06 5,35E+06 6,22E+06 7,12E+06

2,84E+06 5,35E+06 7,82E+06 1,02E+07 1,26E+07 1,50E+07 1,73E+07 1,95E+07 2,17E+07 2,39E+07 2,60E+07

σr/P0

(normalizirano) 4,79E-03 1,58E-02 3,14E-02 5,07E-02 7,28E-02 9,70E-02 1,23E-01 1,50E-01 1,78E-01 2,07E-01 2,37E-01

σθ/ P0

(normalizirano) 9,48E-02 1,78E-01 2,61E-01 3,42E-01 4,21E-01 4,99E-01 5,76E-01 6,51E-01 7,24E-01 7,96E-01 8,66E-01

ELASTIČNA ZONA Udaljenost od centra

r (m) 2,2 2,4 2,6 2,9 3,2 3,6 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

Naprezanje

σr (Pa)

σθ (Pa)

8,37E+06 1,18E+07 1,45E+07 1,76E+07 1,98E+07 2,19E+07 2,35E+07 2,48E+07 2,58E+07 2,65E+07 2,71E+07 2,75E+07 2,79E+07

5,16E+07 4,82E+07 4,55E+07 4,24E+07 4,02E+07 3,81E+07 3,65E+07 3,52E+07 3,42E+07 3,35E+07 3,29E+07 3,25E+07 3,21E+07

σr/P0

(normalizirano) 2,79E-01 3,94E-01 4,84E-01 5,85E-01 6,59E-01 7,31E-01 7,82E-01 8,28E-01 8,60E-01 8,85E-01 9,03E-01 9,17E-01 9,29E-01

σθ/ P0

(normalizirano) 1,72E+00 1,61E+00 1,52E+00 1,41E+00 1,34E+00 1,27E+00 1,22E+00 1,17E+00 1,14E+00 1,12E+00 1,10E+00 1,08E+00 1,07E+00

Rad. plas.

M

N

re (m)

2,23E-01 7,87E-01 2,17E+00

32

Podzemne građevine i tuenli

Naprezanje (Pa)

7,00E+07

6,00E+07

4.1 5,00E+07

Radijus plastificirane zone

Tangencijalno naprezanje

4,00E+07

3,00E+07

Primarno naperzanje 2,00E+07

Radijalno naprezanje 1,00E+07

0,00E+00 1

2

3

4

5

6

7

Udaljenost od centra otvora (m)

8

33

Primarna i sekundarna naprezanja

4.3.2

Numerički modeli

Numeričkim metodama mogu se modelirati svi slučajevi za koje ne postoje zatvorena rješenja. Zahvaljujući eksplozivnom razvoju računala, danas svaki inženjer na stolu ima računalo većeg kapaciteta nego što su prije 20 godina imali najrazvijeniji znanstveni centri u svijetu. Potpuno je jasno da najveće ograničenje u korištenju numeričkih modela danas predstavlja nemogućnost boljeg definiranje primarnih naprezanja, inženjerskogeološkog stanja stijenske mase i konstitutivnih odnosa za stijene koje se nalaze u zoni utjecaja iskopa. Dvodimenzionalni modeli ravnog stanja deformacija, mogu predvidjeti pomake i naprezanja na određenoj udaljenosti od čela iskopa. Međutim, za stabiliziranje stijenske mase potrebno je poznavati polja naprezanja i deformacije ispred i neposredno iza čela iskopa. Da bi se ipak koristili dvodimenzionalni modeli, uvode se razne aproksimacije kako bi se uključili trodimenzionalni efekti. Trodimenzionalni modeli sve više istiskuju dvodimenzionalno modeliranje i uskoro će dvodimenzionalni numerički modeli, a naravno i zatvorena rješenja, postati stvar prošlosti. Što se konstitutivnih odnosa tiče, većina numeričkih analiza pretpostavlja elastično-perfektno plastično ponašanje. Za kompleksnije konstitutivne odnose (očvršćavanje ili omekšavanje) još je uvijek teško odrediti ulazne parametre. Ponašanje intaktne stijene može se prikazati kompletnom naponskodeformacijskom krivuljom koja prikazuje ponašanje stijene prije i nakon loma. Ova se krivulja dobije laboratorijskim ispitivanjima. Slično je i kod diskontinuiteta gdje rezidualna čvrstoća predstavlja postlomnu čvrstoću. Međutim, definiranje postlomnog ponašanja stijenske mase je neuporedivo teži problem. Slika 4.15 prikazuje tri modela ponašanja stijenskih masa različite kvalitete. Ponašanje vrlo kvalitetne stijenske mase može se modelirati elastičnim ponašanjem prije sloma i niskom rezidualnom čvrstoćom nakon trenutnog sloma. Srednje kvalitetna stijenska masa pokazat će omekšavanje i povećanu rezidualnu čvrstoću nakon sloma. Slaba stijenska masa zadržat će vršnu čvrstoću i nakon sloma (ponašanje: elastično-idealno plastično). 2

Naprezanje

Naprezanje

Elastično-krto

Naprezanje

15

70

Omekšavanje s deformacijom

0,003

0,003 Deformacija

Vrlo dobra kvaliteta tvrdih stijenskih masa

Slika 4.15

Elastično-plastično

Deformacija

Srednja kvaliteta stijenskih masa

Različiti konstitutivni odnosi za stijensku masu

0,003 Deformacija

Vrlo loša kvaliteta mekanih stijenskih masa

Podzemne građevine i tuenli

34

Slom vrlo kvalitetnih tvrdih stijenskih masa dešava se iznenada, a prati ga značajna dilatacija slomljenih komada stijene. Stijenska masa ima elastično-krto ponašanje. Ako se ovako slomljena stijenska masa izloži prostornim naprezanjima (to se dešava ugradnjom podgrade) može se pretpostaviti da se stijenska masa ponaša kao ispuna s kutem trenja od približno 380 bez kohezivne čvrstoće (c=0). Neki su programi nestabilni bez kohezije. U tom slučaju zadaje se vrlo mala kohezija. U slučaju stijenskih masa srednje kvalitete izgleda logično da se postlomne karakteristike odrede reduciranjem GSI vrijednosti sa in situ vrijednosti na niže koje karakteriziraju ispucalu stijensku masu. Reduciranje čvrstoće stijenske mase sa in situ na ispucalo stanje odgovara modelu omekšavanja sa deformacijom. Na slici je prikazano da se u postlomnom području deformacija događa uz stalnu vrijednost naprezanja. Nije poznato vrijedi li ova pretpostavka. Analize progresivnog sloma vrlo slabe stijenske mase u okolini tunela, preporučuju da se postlomno ponašanje stijene može opisati modelom perfektne plastičnosti. To znači da se stijenska masa nastavlja kontinuirano deformirati pri konstantnom nivou naprezanja te da ovo deformiranje ne prati povećanje volumena. Metoda konačnih elemenata i metoda konačnih razlika U praksi se metoda konačnih elemenata obično ne razlikuje od metode konačnih diferencija. Obje su metode pogodne za rješavanje problema koji uključuju heterogena i nelinearna svojstva materijala, pošto svaki element eksplicitno modelira odgovor materijala koji se nalazi unutar njega. Međutim, one nisu prilagođena modeliranju beskonačnih granica kakve se javljaju u problemima podzemnih iskopa. Taj se problem može jednostavno riješiti parametarskim analizama utjecaja udaljenosti granica modela u odnosu na konture iskopa ponavljajući proračun s različitim udaljenostima granica. Pukotina se može eksplicitno uključiti koristeći specifični «joint elements». Predložene su različite tehnike za modeliranje pukotine, ali nije nađeno jedinstveno univerzalno riješenje. Metoda konačnih elemenata i metoda konačnih razlika pružaju mogućnost: modeliranja nelinearnog ponašanja stijenske mase, modeliranja rasjeda i drugih značajnih diskontinuiteta, modeliranja iskopa proizvoljnog oblika kao i podgrade koja se koristi u cilju stabiliziranja iskopa; pri tome je moguće simulirati vremenski tijek ugradnje pojedinih elemenata podgrade, modeliranja vremenski ovisnog ponašanja materijala te se na taj način može modelirati i tečenje mlaznog betona. Danas se još uvijek češće koristi metoda konačnih elemenata. Akumulirano je veliko iskustvo u korištenju ove metode pa su mnogi inženjeri postali s njom familijarni. Metoda konačnih razlika nema tako dugu tradiciju u geotehnici kao metoda konačnih elemenata sa izuzetkom analiza tečenja tijekom kontaminacije tla. Razvojem koda konačnih razlika (FLAC) i korištenjem dinamičkih jednadžbi kretanja i za statičke probleme, stvorena je atraktivna alternativa metodi konačnih elemenata.

Primarna i sekundarna naprezanja

35

Glavne prednosti ove metode su: izbjegava se rješavanje velikog broja jednadžbi, modeliranje velikih plastičnih deformacija, uvođenje modela očvršćavanja i omekšavanja postlomnog ponašanja medija kao i modeliranje interakcije konstrukcije i tla je lakše nego kod metoda konačnih elemenata, priprema modela za jednostavne probleme je vrlo jednostavna. Metoda rubnih elemenata Metoda rubnih elemenata dobila je svoje ime po činjenici da su samo granice iskopa podijeljene na elemente. Drugim riječima, na elemente se dijele samo površine iskopa, slobodne površine za plitke iskope, diskontinuiteti i kontaktne površine kod problema gdje se upotrebljava više materijala. Zapravo, nekoliko tipova modela rubnih elemenata zajedno se opisuju kao "Metoda rubnih elemenata". Prednosti ove metode su: diskretizacija površine iskopa rezultira manjim brojem sustava jednadžbi i zauzima manje prostora glede pohrane podataka na disku, tako je vrijeme proračuna smanjeno, mogu se modelirati različiti diskontinuiteti i uključuje nelinearno ponašanje tla. Hibridni modeli Kombiniranjem dobrih i eliminiranjem loših svojstava različitih numeričkih metoda, dobiju se tzv. hibridne metode. Na primjer kod modeliranja podzemnog iskopa, većina nelinearnosti će se desiti u neposrednoj blizini iskopa, dok će se stijenska masa na nekoj udaljenosti od iskopa ponašati uglavnom elastično. Zato se u neposrednoj okolini iskopa koriste metode konačnih elemenata ili konačnih razlika dok se preostala stijenska masa modelira rubnim elementima. Modeliranje diskontinuuma metodama diskretnih elemenata (Discret Element Method, DEM) Kod ovih se metoda stijenska masa predstavlja kao diskontinuum, a pažnja se u stadiju projektiranja posvećuje karakterizaciji stijenskih elemenata, pukotinama u stijeni i diskontinuitetima. Pri modeliranju se koristi pristupom prema kojemu se u obzir uzima blokovska struktura analiziranog sustava. Veza između nekog bloka i susjednih blokova može se ostvariti s pomoću pukotina. Zanimljivost ovog pristupa jest u mogućnosti analiziranja osnovnih ponašanja stijenske mase, jer se u zoni kontakta mogu događati relativni pomaci proizvoljne veličine.

Podzemne građevine i tuenli

4.4

36

Rječnik

ISRM, Terminology, 1975 (English, German, French) biaxial state of stress compressive stress

State of stress in which one of the three principal stresses are zero Normal stress tending to shorten the body in the direction in which it acts

constitutive equation

Force-deformation function for a particular material

dilatancy dilatation, volumetric strain

Property of volume increase under loading The quotient of the change in volume and the original volume of an element of material under stress Point on stress/strain curve at which transition from elastic to inelastic behaviour takes place Failure in rocks means exceeding of maximum strength of the rock or exceeding the stress or strain requirement of a specific design Theoretically or empirically derived stress or strain relationschip characterizing the occurrence of failure in the rock Decrease of strength by repetitive loading Point on stress/strain curve below which no fatigue can be obtained regardless 9f number of loading cycles One of the regular geometrical shapes into which a figure is subdivided for the purpose of numerical stress analysis A state of stress in which all the principal stresses are equal (and there is no shear stress) The portion of deformation under stress that is not annulled by removal of stress

elastic limit failure failure criterion fatigue fatigue limit finite element hydrostatic pressure inelastic deformation

linear (normal) strain mathematical model modulus of elasticity, Young's modulus mohr circle of stress/strain Mohr envelope plane stress/strain plasticity Poisson's ratio primary state of stress principal stress/strain progressive failure residual shear strength residual strain residual stress

The change in length per unit of length in a given direction The representation of a physical system by mathemattcal expressions from which the behaviour of the system can be deduced with known accuracy The ratio of stress to corresponding strain below the proportional limit of a matprial A graphical representation of the components of stress/strain acting across the various planes at a given point, drawn with reference to axes of normal stress//strain and shear stress strain The envelope of a sequence of Mohr circles representing stress conditions at failure for a given material A state of stress/strain in a solid body in which all stress/strain components normal to a certain plane are zero Property of a material to continue to deform indefinitely while sustaining a constant stress The ratio of the shortening in the transverse direction to the elongation in the direction of an applied force in a body under tension below the porportional limit The stress in a geological formation before it is disturbed by man-made works The stress/strain normal to one of three mutually perpendicular planes on which the shear stresses/ strains at a point in a body are zero Formation and development of localized fractures which, after additional stress increase eventually form a continuous rupture surface and thus lead to failure after steady deterioration of the rock Shear strength along a failure surface after a large displacement The strain in a solid associated with a state of residual stress Stress remaining in a solid under zero external stress after some process that causes the dimensions of the various parts of the solid to be incompatible under zero stress, e.g. (i) deformation under the action of external stress when some parts of the body suffer permanent strain; (ii) heating or cooling of a body in which the thermal

Primarna i sekundarna naprezanja secant modulus secondary state of stress shear force shear plane shear strain shear stress stiffness strain ellipsoid strain/stress rate strength stress

stress ellipsoid

stress relaxation stress/strain field stress/strain tensor tangent modulus tensile stress triaxial compression triaxial state of stress uniaxial compression, unconfined compression uniaxial state of stress unloading modulus uplift viscoelasticity yield stress

4.5

37

expansion coefficient is not uniform throughout the body Slope of the line connecting the origin and a given point on the stress/strain curve The resulting state of stress in the rock around man-made excavations or structures A force directed parallel to the surface element across which it acts A plane along which failure of material occurs by shearing The change in shape, expressed by the relative change of the right angles at the corner of what was in the undeformed state an infinitessimally small rectangle or cube Stress directed parallel to the surface element across wl'1ich it acts Force-displacement ratio The representation of the strain in the form of an ellipsoid into which a sphere of unit radius deforms and whose axes are the principal axes of strain Rate of change of strain/stress with time Maximum stress which a material can resist without failing for any given type of loading Force acting across a given surface element, divided by the area of the element The representation of the state of stress in the form of an ellipsoid whose semi-axes are proportional to the magnitudes of the principal stresses and lie in the principal directions. The coordinates of a point P on this ellipsoid are proportional to the magnitudes of the respective components of the stress across the plane normal to the direction OP, where O is the centre of the ellipsoid Stress release due to creep The ensemble of stress/strain states defined at all points of an elastic solid The second order tensor whose diagonal elements consist of the normal stress/strain components with respect to a given set of coordinate axes and whose off-diagonal elements consist of the corresponding shear stress/strain components Slope of the tangent to the stress/strain curve at a given stress value (generally taken at a stress equal to half the compressive strength) Normal stress tending to lengthen the body in the direction in which it acts Compression caused by the application of normal stresses in three perpendicular directions State of stress in which none of the three principal stresses are zero Compression caused by the application of normal stress in a single direction State of stress in which two of the three principal stresses are zero Slope of the tangent to the unloading stress-strain curve at a given stress value The hydrostatic force of water exerted on or underneath a structure tending to cause a displacement of the structure Property of materials which strain under stress partly elastically and partly viscously, i,e. whose strain is partly dependent on time and magnitude of stress The streSS beyond which the induced deformation is not fully annulled after complete destressing

Literatura

Primarna naprezanja Brady, B.H.G., Brown; E.T., (1985), Rock Mechanics for Underground Mining, George Allen and Unwin (Publishers) Ltd, 527 p. Franklin J.A., Dusseault, M.B., (1989), Rock Engineering, McGraw-Hill Publishing Company, 600 p.(138-159) Goodman, R.E., (1980), Introduction to Rock Mechanics, Wiley, New York, pp. (96-135)

Podzemne građevine i tuenli

38

Harrison, J.P., Hudson, J.A., (2000) Engineering Rock Mechanics, Illusstrative Worked Exsamples, Pergamon, 506 p. (39-57) Hoek, E., Brown, E.T., (1980), Underground excavation in Rock, The Institute of Mining and Metallurgy, London, 527 p. Hoek, E., Rock Engineering (a course) http://www.rocscience.com/ (137- ) Hudson, J.A. and Harrison J.P.,(2000), Engineering Rock Mechanics, An introduction to the principles, Pergamon, 444 p.(41-69) Suggested Method for in Situ Stress Measurement Using the Compact Conical-Ended Borehole Overcoring (CCBO) Technique, 1999 April Suggested Methods for Rock Stress Determination, 1987 February Suggested Methods for Rock Stress Estimation – Part 1: Strategy for Rock Stress Estimation, 2003 October Suggested Methods for Rock Stress Estimation – Part 2: Overcoring Methods, 2003 October Suggested Methods for Rock Stress Estimation – Part 3: Hydraulic Fracturing(HF) and/or hydraulic testing of pre-existing fractures (HTPF), 2003 October Sekundarna naperzanja Barla, G., Barla, M., (2000) Modeliranje kontinuuma i diskontinuuma u tunelogradnji, Građevinar, 52, br.10 str.563-576 Franklin J.A., Dusseault, M.B., (1989), Rock Engineering, McGraw-Hill Publishing Company, 600 p (str. 205-233). Hoek, E. and Marinos, P. Predicting tunnel squeezing. Tunnels and Tunnelling International. Part 1 – November 2000, Part 2 – December 2000. Hoek, E., Rock Engineering (a course) http://www.rocscience.com/ (str. 137-160) Hudec, M., (2000) Primjena principa graničnih stanja u tunelogradnji, Građevinar, 52, br.8. str. 443-450. Hudson, J.A. and Harrison J.P.,2000, Engineering Rock Mechanics, An introduction to the principles, Pergamon, 444 p. (¸339-392 ITA working group on general approaches to design of tunnels (1988): Guidelines for the Design of Tunnels. Prijevod: Hudec, M., Prager, A., (1992) Konstruktivni projekt tunela, Građevinar, Zagreb. Schweiger, H., Beer, G., (1996) Numerical simulation in Tunnelling, Felsbau (14) Nr.2. pp. 87-92 Jašarević, I., Kovačević, M.S., Miščević, P., (1995), Modeliranje geotehničkih problema u stijenskim masama, Kompjutorski program FLAC., Građevinski godišnjak ’95, Hrvatsko društvo građevinskih inženjerastr. 504540.

Ivan Vrkljan

5. Stijena kao inženjerski materijal Naglašena su neka osnovna fizikalna i mehanička svojstva koja potpunosti kontroliraju ponašanje intaktne stijene. Kako je intaktna stijena osnovna komponenta stijenske mase, to ce njeno ponašenje značajno utjecati na ponašanje stijenske mase. U narednim će poglavljima biti više riječi o mehaničkim svojstvima stijene, diskontinuiteta i stijenske mase kao i o metodama za njihovo određivanje u laboratoriju, na terenu ili empirijskim postupcima.

Podzemne građevine i tuneli

2

5 Stijena kao inženjerski materijal 5.1

Uvod

Većina inženjerskih materijala (izuzev drva i tla) proizvedeno je s unaprijed određenim svojstvima. Ispitivanjima se samo potvrđuju svojstva koja proizvod treba imati. Sa potpuno pozantim materijalom projektiraju se i izvode uobičajene građevina. Međutim, stijena je neuporedivo starija (starost se mjeri milijunima godina) i pretrpjela je brojna mehanička, kemijska i termalne djelovanja. Stijena se u inženjerstvu koristi kao: • materijal od kojeg se gradi (arhitektonski i građevni kamen), • materijal u kojem se gradi (iskopi podzemni i površinski), • materijal na kojem se gradi (temeljenje građevina). Korištenje stijena kao materijala od kojeg se gradi najlakši je inženjerski problem vezan za korištenje stijene kao inženjerskog materijala. Razlog ovome leži u činjenici da možemo birati stijenu sa kojom ćemo graditi.Različite građevine stavlaju različite zahtjeve pred stijenu. Tako se nasip lokalne ceste može graditi sa stijenom loše kvalitete, ali stijena kojom se oblaže fasada zgrade, mora zadovoljiti vrlo visoke kriterije kvalitete. Loš kvalitet radova ove vrste posljedica je našeg neznanja ili površnog pristupa poslu. Raspadanje stijeneskih obložnih ploča, vitoperenje kamenih ploča na fasadama zgrada, slijeganje visokih nasipa zbog uporabe neadekvatne stijene samo su neki primjeri koje susrećemo svakodnevno. Neuporedivo teži problem je građenje u i na stijeni. Naime, kod ovih radova najčešće nismo u mogućnosti birati stijenu već moramo raditi u stijenu kakva se nalazi u prirodi. Samo kod vrlo skupih i zahtjevnih građevina kao što je, na primjer, podzemno skladište nuklearnog otpada u prilici smo istraživati više lokacija i nakon toga odabrati onu najbolju. Međutim, lokaciju zgrade nećemo mjenjati bez obzira na kvalitet stijene već moramo tražiti načine temeljenja koji će osigurati stabilnost i trajnost zgrade. Kod trase cesta i željeznica može se lokalno izbjeći neka zona izrazito loše stijene ali zbog zahtjevanih elemenata trase takve prilike su sve rjeđe. Dakle, moramo se suočiti sa stijenom kakva je u prirodi a ona je: • heterogena, • anizotropna, • ispucala, • prirodno napregnuta. Kao inženjeri, moramo odrediti svojstva materijala, i prirodno stanje naprezanja (koje će biti poremećeno inženjerskim zahvatom) kako bi mogli projektirati naš inženjerski objekt. Općenito je poznato da ispucalost stijene kontrolira stabilnost građevina blizu površine dok prirodna napregnutost kontrolira stabilnost dubokih građevina. Naprimjer, stabilnost temelja betonske brane ili mosta, ovisit će o deformabilnosti i vodopropusnosti (kod brana) temeljne stijene koja je u funkciji njene ispucalosti. Slično je i sa plitkim površinskim iskopima i plitkim tunelima. Međutim kod srednje dubokih tunela u slaboj stijeni ili kod dubokih tunela (južnoafrički rudnici zlata), prirodna naprezanja, koja će se inženjerskim zahvatom poremetiti, postaju glavni problem. Kao što smo vidjeli, medij u kojem ili na kojem se gradi, sastavljen je od ispucale, prirodno napregnute stijene. Ovakav prirodni medij nazivamo stijenskom masom. Kako bi lakše razlikovali elemente stijenske mase, stijenu obično nazivamo intaktnom stijenom dok diskontinuiteti različitih tipova i geneze opisuju njenu ispucalost.

3

Stijena kao inženjerski materijal

Intaktna stijena (intact rock) je materijal stijenske mase, tipično predstavljen cijelom jezgrom iz bušotine koja ne sadrži guste strukturne diskontinuitete (ISRM, 1975). Stijenska masa (rock mass) je stijena kakva se javlja in-situ, uključujući njene strukturne diskontinuitete (ISRM, 1975). Diskontinuitet (discontinuity)-Opći naziv za bilo koji mehanički diskontinuitet u stijenskoj masi koji ima malu ili nikakvu vlačnu čvrstoću. To je kolektivni termin za većinu tipova pukotina, ploha slojevitosti, ploha škriljavosti te oslabljenih zona i rasjeda. Grupa paralelnih diskontinuiteta čini set diskontinuiteta (ISRM, 1978). Diskontinuiteti

Intaktna stijena

Intaktna stijena

Intaktna stijena + diskontinuiteti=stijenska masa

Slika 5.1 Stijenska masa (mala gustoća diskontinuiteta)

Slika 5.2 Stijenska masa (velika gustoća diskontinuiteta)

5.2

Intaktna stijena

Intaktna stijena je opisana kao kao stijena koja ne sadrži guste strukturne diskontinuitete. Međutim, u malom mjerilu promatranja, ona je sačinjena od zrna koja su posljedica njene geneze i dijagenetskih procesa krjima je ona bila izložena tijekom geološke povijesti.

Podzemne građevine i tuneli

4

Kod opisa intaktne stijene obično definiramo: • • • • • • 1 2

ime, boju, mineralni sastav, alteraciju1, teksturu, veličina i oblik zrna1, poroznost, gustoću, vlažnost1, čvrstoću, izotropnost, tvrdoću2, trajnost, plastičnost, potencijal bubrenja2.

-fizikalno svojstvo -mehaničko svojstvo

Ime stijene ukazuje na njen sastav, genezu i strukturna svojstva: pješčenjak, breča, muljanjak, slejt, granit i sl.

5.2.1

Fizikalna svojstva

Boja stijene ukazuje na njen mineralni sastav kao i stupanj trošenja i alteracije. Šejl je često smeđe boje sa postepenim prelazom u sive na vaćim dubinama. Veća preciznost u definiranju boje postiže se upotrebom etalona kao na primjer Rock Color Chart koji ima 40 uzoraka (Geological Society of America, 1963) ili mnogo opširnija Soil Color Chart podjela sa 248 boja. Mineralni sastav Precizno određivanje mineralnog sastava često nije potrebno pri rješavanju nekog inženjerskog problema. Poznato je oko 1700 minerala. Međutim, samo otprilike 6 mineralnih skupina kontrolira mehaničko popnašanje stijene u stijenskom inženjerstvu (Franklin i Dusseault, 1989, str.21). Oni se obično mogu otkriti na terenu ili glim okom, ručnom lećom ili stereo mikroskopom. Dijagnostička svojstva uključuju boju, kristalni oblik, klivaž i tvrdoću. Paranjem džepnim nožićem može se razlikovati kvarc i kalcit kojivizualno izgledaju vrlo slično (kvarc je tvrđi od čelika noža a kalcit je mekši pa se može parati; kvarz para staklo). Kao što se može i očekivati, svojstva stijene uvelike ovise o tvrdoći minerala od kojih je sastavljena i od i teksturnih svojstava kao što je pojavljivanje minerala u pločastoj formi što ukazuje na kalavost (fissility) stijene. Prikazat će se šest mineralnih skupina i to od najčvršćih i najtvrđih prema slabijim i mekšim. Kvarcno feldspatska skupina. Minerali ove skupine obilježavaju kisele magmatske stijene, kvarzne pješčenjake, gnajseve i granulite. Obično su čvrsti i krti. Kvarz je najzastupljeniji minerala i glavna komponenta granita i većine pješčenjaka. Obično je provida, bijeli do siv, staklast i teško se para. Uobičajena dijagnostička svojstva feldspata su neprozinost, rumena do bijela boja i dobro razvijene linije klivaža često vidljive na kristalu. Lakos e para džepnim nožićem. Tinjčasti minerali. Šist koji po definiciji sadrži više od 50% pločastih minerala, i gnajsevi koji sadrže više od 20% tinjca, često kalavi (fissile) i slabi.Važna indeksna svojstva: anizotropija čvrstoće, kalavost (fissility) sadržaj tinjca i kvarca,m poroznost. Tinjac i pločasti minerali kao što su biotit, muskovit i klirit pojavljuju se kao sporedne ali važne komponente nekih magmatskih stijena i glavne komponente šistoznih metamorfnih stijene. Identificiraju se, kao grupa, sa heksagonalnim pločicama i dobro razvijenim klivažom a pojedinačno po boji. Biotit je tipično smeđ do crn, muskovit srebren i klorit zelen. Njihova pločasta tekstura, i često njihova segregacija u trake koje sadrže visok postotak tinjaca, uzrok su oslabljenja stijene u ovim zonama. Tinjci su često pod utjecajem alteracije i trošenja i pojavljuju se kao mekane glinene inkluzije.

Stijena kao inženjerski materijal

5

Karbonati. Vapnenci, mramori i dolomiti, slabiji su od druge i treće kategorije i topivi mjereno geološkim vremenom. Obično su krti a viskozni i plastični samo na visokim temperaturama i pod visokim naprezanjima. Važna indeksna svojstva: poroznost, tekstura, odnos sadržaja kalcita i dolomita, sadržaj kvarca i gline. Karbonatni minerali dolomit i kalcit, kao glavne komponente, uglavnom se prepoznaju lakoćom grebanjem (scratched) i njihovim ponašanjem u razrijeđenoj sonoj kiselini. Često sadrže fosilne ostatke. Saline. Kamena sol, potaša (potash) i gips su obično slabi i plastični, ponekad viskozni, naročito u dubokim rudnicima, otopivi tijekom trajanja inženjerskog objekta. Važni indeksi: mineralni sastav i topivost. Peliti (glinom bogati). Muljnjaci, slejtovi i filiti su često viskozni, plastični i slabi. Važni indeksi: slake durability, sadržaj kvarca i gline, poroznost i gustoća. Glineni minerali kao što su ilit, kaolinit i montmorilonit glavni su sastojcu šejlova i slejtova i kao sekundarni produkta alteracije u mnogim magmatskimi metamorfnim stijenama i vapnencima. Glineni kristali su vrlo sitni i zato se teško identificiraju. Kvalitativna a nakad i kvantitativna identifikacija glinenih minerala moguća je uporabom rendgena ili diferencijalno-termičkom analizom. Identifikacija minerala smektitske grupe posebno je značajna jer minerali iz ove grupe (naročito montmorilonit) imaju svojstvo bubrenja. O mineralim glina više će se govoriti u poglavlju u kojem je opisano trošenje i bubrenje stijena.

Podzemne građevine i tuneli

Tabliac 5.1. Mohs-ova skala tvrdoće Mineral Talk Gips Kalcit Fluorit Apatit Feldspat Kvarc Topaz Korund Dijamant

Tvrdoća po Mohs-u 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tabliac 5.2. Brzina uzdužnih valova u minerlima Brzina uzdužnih valova u minerlima Vl Mineral m/s Kvarc 6050 Olivin 8400 Augit 7200 Amfibol 7200 Muskovit 5800 Ortoklas 5800 Plagioklas 6250 Kalcit 6600 Dolomit 7500 Magnetit 7400 Gips 5200

6

Stijena kao inženjerski materijal

7

Tabliac 5.3. Gustoća nekih minerala Mineral Halit Gips Serpentin Ortoklas Kalcedon Kvarz plagioklas Klorit i ilit Kalcit Muskovit Biotit Dolomit Anhidrit Piroksen Olivin Barit Magnetit Pirit Galena

G (Mg/m3) 2,1-2,6 2,3-2,4 2,3-2,6 2,5-2,6 2,6-2,64 2,65 2,6-2,8 2,6-3,0 2,7 2,7-3,0 2,8-3,1 2,8-3,1 2,9-3,0 3,2-3,6 3,2-3,6 4,3-4,6 4,4-5,2 4,9-5,2 7,4-7,6

Tekstura, veličina i oblik zrna Tekstura stijene opisuje se veličinom, oblikom i uređenjem komponenata u mjerilu od nekoliko centimetara. Za razliku od teksture, struktura predstavlja uređenje komponenata stijenske mase u mjerilu od nekoliko metara. Teksturna i strukturna obilježja ključni su elemnt za razlikovanje magamtskih, metamorfnih i sedimentnih stijena, pošto sve one imaju vrlo sličan mineralni sastav. Prije svakog opisivanja i spitivanja, stijenska masa ili jezgra bušotine podjeli se na tzv. geotechnical mapping units (GMU), unutar granica u kojima se stijena može smatrati homogenom i zbog toga se može opisati istim svojstvima. Uređenje komponenata unutar svake GMU naziva se tekstura, dok se uređenje između GMU naziva strukturom.

Poroznost, gustoća i vlažnost Sa inženjerskog stanovišta, pore su najvažnija komponenta stijene pošto su najslabije. Pore kontroliraju čvrstoću, deformabilnost i propusnost. Poroznost se definira kao odnos volumena pora i ukupnog volumena tla ili stijena (ISRM, 1975). Stijena je sastavljena od tri faze: krute, tekuće i plinovite. Posljednje dvije ispunjavaju pore. Relativni odnosi ovih faza opisuju se različitim parametrima. Suha gustoća definirana je kao odnos mase krutih čestica i ukupnog volumena uzorka. Poroznost se definira kao odnos volumena pora i ukupnog volumena. Stupanj saturacije je odnos volumna vode i ukupnog pornog volumena. Vlažnost je odnos mase vode i mase krutih čestica.

5.2.2

Mehanička svojstva intaktne stijene

Čak i kada je stijenska masa intenzivno ispucala, poznavanje mehaničkih svojstava intaktne stijene je vrlo bitno kod definiranja posmične čvrstoće diskontinuiteta (čvrstoća stijene u zidovima diskontinuiteta), ispitivanja bušivosti i rezivosti stijena; miniranja i sl.

8

Podzemne građevine i tuneli

Čvrstoća (strength) je maksimalno naprezanje koje materijal može podnijeti bez loma za bilo koji tip opterećenja (ISRM, 1985). Čvrstoća je jedna od osnovnih informacija pri opisu stijena. Jednoosna tlačna čvrstoća je najčešće korišteni parametar pri opisu stijena. Slika 5.3 pokazuje da se ona može kretati u vrlo širokom rasponu ovisno o tipu stijene.

Jednoosna tlačna čvrstoća (MPa) 100

200

300

Šejl Pješčenjak Vapnenac Granit Dolerit Bazalt Kvarcit

Slika 5.3

Jednoosna tlačna čvrstoća nekih stijena

Može se vrlo točno odrediti u laboratoriju ili procjeniti nekim od jednostavnih pokusa kao što su pokus čvrstoće u točki, udaranje stijene geološkim čekićem ili guljenjem stijene nožem. Način ispitivanja u laboratroriju bit će opisan u narednim poglavljima. Ovdje će biti prikazana klasifikacija ISRM (1978) kod koje se za identifikaciju koristi pesnica, palac, geološki čekić i džepni nožić.

9

Stijena kao inženjerski materijal

Tablica 5.4 Procjena jednoosne čvrstoće jednostavnim pokusima na terenu (ISRM, 1978)

Klasa

Opis

Terenska identifikacija

Vrlo mekana glina Very soft clay Mekana glina Soft clay

Pesnica se lagano utiskuje nekoliko centimetara Palac se lagano utiskuje nekoliko centimetara Palac se se utiskuje nekoliko centimetara sa srednjim naporom Palac ostavlja udubinu ali penetrira samo uz visoki napor

Približna vrijednost jednoosne tlačne čvrstoće ( MPa )

S3 S4 S5 S6 R0

Firm clay Kruta glina Stiff clay Vrlo kruta glina Veri stiff clay Tvrda glina Hard clay Ekstremno slaba stijena Extremely weak rock

R1

Vrlo slaba stiejna Very weak rock

R2

Slaba stijena Weak rock

R3 R4 R5 R6

Srednje čvrsta stiejna Medium strong rock Čvrsta stiejna Strong rock Vrlo čvrsta stijena Very strong rock Ekstremno čvrsta stijena Extremely strong rock

Nokat palca ostavlja udubinu Nokat palca teško ostavlja udubinu Nokat palca ostavlja udubinu Mrvi se pod udarcima šiljka geološkog čekića, može se guliti džepnim nožićem. Može se guliti džepnim nožićem uz popteškoće, Plitko udubljenje može se napraviti udarcem šiljka geološkog čekića. Ne može se parati ili guliti džepnim nožićem, uzorak se može lomiti sa jednim udarcem geološkog čekića Za lomljenje uzorka potrebno je više od jednog udaraca geološkim čekićem Za lomljenje uzorka potrebno je mnogo udaraca geološkim čekićem Geološkim čekićem uzorak se može samo okrhnuti

0,025 – 0,05 0,05 – 0,10 0,10 – 0,25

Tlo

S2

< 0,025

0,25 – 0,50 > 0,50 0,25 – 1,0

1,0 – 5,0

5,0 – 25

25 -50

Stijena

S1

50 – 100 100 – 250 > 250

Gdje je granica između tla i stijena? Ove granice nema. Ipak se u više klasifikacija kao granica usvaja vrijednost jednoosne tlačne čvrstoće od oko 1MPa. Deformabilnost Deformabilnost, slično čvrstoći, uglavnom ovisi o poroznosti i stupnju ispucalosti uzorka. Pore i pukotine su najslabiji i najdeformabilniji element stijene. Deformacija (deformation) se definira kao promjena oblika (ekspanzija, sažimanje (contraction) ili neki drugi oblik distorzije (distortion)). Obično se dešava kao odgovor na djelovanje opterećenja ili naprezanja ali može biti i posljedica promjene temperature ili vlažnosti (bubrenje ili skupljanje (swelling or shrinkage). Deformabilnost (deformability) se može opisati kao lakoća kojom se stijena može deformirati. Krutost (stiffness) se može opisati kao otpor deformiranju. Deformacija

10

Podzemne građevine i tuneli

(deformation) se mjeri u jedinicama duljine (m) ali se obično izražava kao neimenovani broj i tada se zove deformacija (strain). Deformacija (strain) predstavlja odnos promjene duljine nekog elementa i njegove originalne duljine (Franklin J.A., Dusseault, M.B., 1989. p.271). Kompletna naponsko-deformacijska krivulja pri jednoosnom tlačenju daje najkorisniji opis mehaničkog ponašanja intaktne stijene. Na ovoj krivulji mogu se očiati sljedeći važni popdaci o ponašanju stijene: • •

•

Vrijednost jednoosne tlačne čvrstoće stijene. Modul deformabilnosti (E) koji se često naziva i Youngovim modulom. Visok modul imaju krte stijene (stiff) i kod njih je početni dio krivulje strm (kaže se da je stijena slabo dformabilna). Niski modul imaju mekane (soft) stijene i kod njih je početni dio krivulje blago nagnut (kaže se da jes tijena jako deformabilna). Postlomni dio krivulje je mjera krtosti (brittlness). Krtost je definirana nagibom krivulje u njenom postlomnom dijelu. Neke stijene se ponašaju kao duktilne (ductile) a neke kao krte (brittle). Između ova dva krajnja ponašanja postoji cijeli spektar međuslučajeva. D F

∆L

Naprezanje σ

σc

Jednoosna tlačna čvrstoća

Duktilno postlomno ponašanje (ductile)

L

E

F

Krto postlomno ponašanje (brittle)

D+∆D

1 prije loma

poslije loma

Aksijalna deformacija εax

Slika 5.4

Naponsko-deformacijska krivulja

ε ax =

∆L L

σ=

F A

Naprezanje σ

Stijena kao inženjerski materijal

11

• Visok modul • Niska deformabilnost • Visoka krutost

• Nizak modul • Visoka deformabilnost • Niska krutost

Aksijalna deformacija εax Slika 5.5

Naponsko-deformacijska krivulja stijena različitih deformacijskih svojstava

Tvrdoća Tvrdaoća se može definirati kao otpornost materijala na udubljivanje i grebanje (ISRM, 1975) Za određivanje tvrdoće koriste se obično ovi uređaji: • • • •

Pokus struganja (scratch pokus). Rezultat ispitivanja izražava se na Mohs-ovoj skali koja koristi 10 minerala. Na toj skali talk je najmekši (H=1) a dijamant je najtvrđi (H=10). Pokus utiskivanja (indentation test). Kod ovog pokusa utiskuje se kugla, piramida ili stožac u površinu uzorka. Koriste se tehnike Brinell-a, Vickers-a, Knoop-a i Rockwell-a koje su razvijene u metalurgiji. Uređaji koji rade na principu odskoka (Schmidtov čekić i skleroskop). Pokusi kojima se određuje abrazivnost.

Trajnost Trošnost (weatherability) je mjera podložnosti stijene oslabljenju (weakening) ili dezintegraciji za vrijeme trajanja inženjerskog objekta (suprotno značenje ima termin - trajnost (durability)). Trajnost (durability) određuje naizmjeničnim sušenjem i vlaženjem uzorka. Podložnost stijene trošenju izražava se tzv. slake durability indeksom (Id2). Bitno je primjetiti, da se ovaj proces trošenja dešava u vrlo kratkom periodu (vijek trajanja objekta) i ne treba ga mješati s trošenjem stijena u geološkom smislu (weathering). Međutim, razvoj tehnologije nameće nove zahtjeve po pitanju stabilnosti prirodnih materijala. Naprimjer, kontejneri s radioaktivnim otpadom mogu imati temperaturu do 300°C što pred izolacijski materijal (bentonit) postavlja zahtjev mineraloške i drugih stabilnosti tijekom tisuća godina. Plastičnost Ispitivanje Atterbergovih granica vrši se na stijenama kod kojih je indeks Id2 (slake durability indeks) manji od 80%.

12

Podzemne građevine i tuneli

Fizikalne osobine glinovitih stijena mijenjaju se sa sadržajem vode. Suho glinovito tlo može biti kruto i čvrsto. S porastom sadržaja vode u tlu ono postaje najprije plastično podatljivo, zatim meko i najzad prelazi u žitko tekuće stanje. Količina vode pri kojoj se odražavaju te promjene u glini ovisi o granulometrijskom sastavu, o sadržaju koloidnih čestica i o vrtama minerala gline što ih tlo sadrži Švedski istraživač Atterberg, definirao je na osnovi dugotrajnih opažanja stanje plastičnosti glinovitih materijala i granice između tih stanja. Razlika sadržaja vode između granica tečenja i granice plastičnosti naziva se indeks plastičnosti. (Nonveiller, XXX).

Stanje Granica

Čvrsto

Polučvrsto ws

Plastično wp

wl-granica tečenja wp-granica plastičnosti ws-Granica stezanja Ip= wl- wp-indeks plastičnosti

Slika 5.6

Žitko wl

w

Ip

Atterbergove granice plastičnosti

Bubrenje Einstein (1975) definira bubrenje kao vremenski ovisno povećanje volumena prirodnog tla uzrokovano promjenom naprezanja, povećanjem sadržaja vode ili kombinacijom obaju čimbenika. Bubrenje može izazvati značajne probleme u tunelogradnnji, cestogradnji i pri temeljenju objekata. Stijene bubre po različitim mehanizmima. Međutim, pod bubrenjem u strogom smislu misli se na bubrenje minerala iz grupe smektita. Iz ove grupe minerala, natrijska varijanta montmorilonita pokazuje najjače bubrenje. Sklonost stijene bubrenju dokazuje se identifikacijskim pokusima kojima se istražuje potencijal bubrenje neke stijene. Ako je dokazan potencijal bubrenja, pristupa se ispitivanju iznosa bubrenja različitim laboratorijskim i terenskim pokusima. O fenomenu bubrenja, kao i metodama laboratorijskih ispitivanja govorit će se u narednim poglavljima.

13

Stijena kao inženjerski materijal

5.3

Diskontinuiteti i struktura stijene

Tijekom geološke prošlosti stijena je bila izložena različitim naprezanjima koja su premašivala njenu čvrstoću. Kao posljedica djelovanja ovih naperzanja bilo je stvaranje brojnih diskontinuiteta. Postoje tri osnovna načina na koji su nastajali diskontinuiteti (slika 5.7)

Frakturiranje stijena vlačnim naprezanjem

Slika 5.7

Frakturiranje stijena posmičnim naprezanjem

Nastajanje diskontinuiteta

Kao što se vidi, jedan od načina posljedica je vlačnih naprezanja a druga dva su posljedica posmičnih naprezanja. Ovo ima za posljedicu nastajanje dva osnovna tipa diskontinuiteta: Pukotine (joints) su posljedica djelovanja vlačnih naprezanja Posmične zone ili rasjedi (shear zone or faults) posljediac su posmičnih naprezanja Sve stijenske mase su ispucale. Ispucalost značajno utječe na deformabilnost, čvrstoću i lom stijenskih masa, a u potpunosti kontrolira njenu vodopropusnot. Praksa je pokazala da diskontinuiteti značajno djeluju na sve aspekte stijenskog inženjerstva. Lom je često direktna povezan sa diskontinuitetima, koji su najslabija zona u stijeni kao inženjerskom materijalu. Zbog toga, za rješavanje probelma u stijenskoj masi inženjer treba dobro upoznati strukturu stijenske mase što je predmet strukturne geologije.

Podzemne građevine i tuneli

5.4

14

Stijenska masa

Stijenska masa (rock mass) je stijena kakva se javlja in-situ, uključujući njene strukturne diskontinuitete (ISRM, 1975). Deformabilnost, čvrstoća i lom stijenske mase ovise o mehaničkim svojstvima intaktne stijene te o geometrijskim i mehaničkim svojstvima diskontinuiteta.

5.4.1

Čvrstoća i deformabilnost stijenske mase

Za određivanje mehaničkih svojstava stijenske mase, danas se uglavnom koriste dva pristupa: • •

određivanje mehaničkih svojstava terenskim mjerenjima (veliki in situ pokusi), empirijski pristupi koji se temelje na klasifikacijama stijenskih masa.

Ispitivanja u mehanici stijena nailaze na jedan, do danas ne riješen, problem koji se u mehanici tla ne susreće ili je daleko manje izražen. To je efekt razmjere (scale effects). Iz ekonomskih i tehničkih razloga ne može se u većini inženjerskih problema postići geotehnički podatak koji odgovara pravom mjerilu. Ova činjenica čini rezultate ispitivanja nepouzdanim što često može imati ozbiljne a nekada i fatalne posljedice. Glavni uzrok nepouzdanosti posljedica je diskontinualnog i heterogenog karakter stijenske mase. Efekt razmjere, Ladany (1982) smatra jedinim od najvećih problema mehanike stijena. Utvrđivanje važećih veza između rezultata pokusa u različitim mjerilima i svojstva stijenske mase obavlja se na različite načine. Najčešće se ekstrapolacija rezultata jeftinih pokusa na malim uzorcima (laboratorijskim i terenskim) u mjerilo inženjerskog projekta radi pomoću faktora sigurnosti baziranog na tzv. "sound engineering judgement". Jasno je da puno bolje rezultate daje više kvantitativni probabilistički pristup baziran na poznavanju reprezentativnosti rezultata pokusa u različitim mjerilima.Zbog važnosti ovog problema ISRM je 1988 god. osnovalo komisiju za "Scale Effects in Rock Mechanics" Opseg ispitivanja varira ovisno o veličini objekta, dubine istraživanja, kompleksnosti stijenske mase i opsega ranije izvršenih istraživanja. Tipična cijena istraživanja je između 0,25 i 1% ukupne cijene objekta kod jednostavne geološke situacije, dok na kompleksnim i nepristupačnim terenima ova cijena može biti 5%i više. Empirijski pristupi temelje se na klasifikacijama stijenskih masa koje su prvenstveno bile razvijene za potrebe projektiranja podzemnih objekata. U poglavlju-Klasifikacija stijenskeih masa prikazane su klasifikacije Bieniawskog /RMR klasifikacija) i Bartonova klasifikacija (Q sistem) iz kojih se može procjeniti čvrstoća i deformabilnost stijenske mase. Bieniawski čvrstoću prikazuje Mohr-Coulombovim parametrima, kohezijom i kutem trenja, (linearni kriterij) a oba klasifilacijska sistema deformabiulnost dovode u funkciju sa kvalitetom stijenske mase iskazanom brojem bodova (klasom). Uočavajući nedostatke korištenja RMR i Q klasifikacije za procjenu čvrstoće i deformabilnosti stijenske mase, Hoek i Brown su razvili tzv. Hoek-Brownov nelinearni kriterij čvrstoće koji se u početku temeljio na bodovima iz RMR klasifikacije. Razvojem ovog kriterija autori su bodovanje po RMR klasifikaciji zamjenili s GSI indeksom (Geological Strength Index). Ovaj je pristup danas opće prihvaćen i svi noviji programi za analizu stanja naprezanja i deformacija imaju mogućnost korištenja ovog kriterija čvrstoće stijenske mase. Tablica 5.5 prikazuje razvoj Hoek-Brownovog kriterija čvrstoće.

15

Stijena kao inženjerski materijal

Tablica 5.5 Razvoj Hoek-Brownovog kriterija Literatura

Kriterij

Osnovne jednadžbe

Hoek, E. and Brown, E.T. 1980b. Empirical strength criterion for rock masses. J. Geotech. Engng Div., ASCE 106(GT9), 1013-1035. Hoek E. and Brown E.T. 1980. Underground Excavations in Rock . London: Institution of Mining and Metallurgy 527 pages

  σ 3' σ = σ + σ ci  m + s    σ ci

1/ 2

Originalni kriterij za teško ispucalu stijensku masu

Hoek, E. 1983. Strength of jointed rock masses, 23rd. Rankine Lecture. Géotechnique 33(3), 187-223.

Originalni kriterij za teško ispucalu stijensku masu sa raspravom o anizotropnom lomu i točnom rješenju za Mohrovu anvelopu koje je napravio J.W.Bray.

  σ 3' σ = σ + σ ci  m + s    σ ci

1/ 2

  σ 3' σ = σ + σ ci  m + s    σ ci

1/ 2

' 1

' 1

' 1

' 3

' 3

' 3

Poremećena stijenska masa:

Hoek E and Brown E.T. 1988. The HoekBrown failure criterion – a 1988 update. Proc. 15th Canadian Rock Mech. Symp. (ed. J.H. Curran), pp. 31-38. Toronto: Civil Engineering Dept., University of Toronto

Originalni kriterij Uvedeni su odnosi izmeđ parametara m i s kao i modificirani oblik RMR klasifikacije Bieniawskog u kojem je udio podzemne vode fiksiran na vrijednost 10 i utjecaj orijentacije pukotina uzet ja sa vrijednosti nula. Razlikuju se pojmovi poremećene (disturbed) i neporemećene (undisturbed) stijene zajedno sa prijedlogom za određivanje modula deformabilnosti stijenske mase.

 RMR − 100  mb = mi exp  14    RMR − 100  s = exp  6   Neporemećena stijenska masa:

 RMR − 100  mb = mi exp  28    RMR − 100  s = exp  9   (( RMR −10 ) / 40 ) E = 10 mb, mi-konstante za ispucalu i intaktnu stijenu

Hoek, E., Wood, D. and Shah, S. 1992. A modified Hoek-Brown criterion for jointed rock masses. Proc. rock characterization, symp. Int. Soc. Rock Mech.: Eurock ’92, (ed. J.A. Hudson), 209-214. London: Brit. Geol. Soc.

Hoek, E. 1994. Strength of rock and rock masses, ISRM News Journal, 2(2), 4-16. Hoek, E., Kaiser, P.K. and Bawden. W.F. 1995. Support of underground excavations in hard rock. Rotterdam: Balkema

Modificirani kriterij koji uzima u obzir činjenicu da teško ispucala stijenska masa nema vlačne čvrstoće

Uvođenje općenitog Hoek-Brownovog kriterija u koji je inkorponiran i originalni kriterij za dobru (fair) i vrlo lošu (very poor) kvalitetu stijenske mase i modificirani kriterij za vrlo lošu kvalitetu stijenske mase. Uveden je geeološki indeks čvrstoće (GSIGeological Strength Index) kako bi se prevazišao nedostatak RMR klasifikacije Bieniawskog za vrlo lošu stijensku masu. Razlika između poremećene i neporemećene stijenske mase je izostavljena jer je poremećenje općenito posljedica inženjerskih aktivnosti i treba se uzeti u obzir umanjenjem vrijednosti GSI.

 σ 3' σ = σ + σ ci  mb  σ ci ' 1

' 3

   

a

  σ' σ = σ + σ ci  mb 3 + s    σ ci ' 1

' 3

 GSI − 100  mb = mi exp  28   Za GSI>25 vrijedi

 GSI − 100  s = exp    9 a=0,5 Za GSI<25 vrijedi s=0

a = 0,65 −

GSI 200

a

16

Podzemne građevine i tuneli

Tablica 5.5 Razvoj Hoek-Brownovog kriterija (nastavak) Hoek, E., Marinos, P.2000. Predicting tunnel squeezing problems in weak heterogenous rock masses, Part 1: Estimating rock mass strength, Tunnels and tunnelling, december 2000.

Hoek, E., Carranza-Torres, C., Corkum, B. (2002) Hoek-Brown Failure Criterion-2002 Edition, Proc. North American Rock Mechanics Society Meeting in Torinto in July 2002.

Općeniti kriterij primjenjen je na izrazito heterogenu stijensku masu kao što je fliš Općeniti kriterij • Uvodi faktor D koji ovisi o stupnju poremećenja stijenske mase usljed miniranja i naponskog relaksiranja. Faktor D varira od 0 za neporemećenu stijensku masu do 1 za vrlo poremećenu stijensku masu.daje preporuku za određivanje faktora poremećenje (D). • Eliminirano je izračunavanje koeficijenata (s) i (a) za GSI>25 i GSI<25. Sada su ovi koeficijenti izrazeni istom jednadžbom za sve stijenske mase. • Uvedena su dva dijagrama za odabir GSI-a na osnovi opisa stijenske mase. Jedan općeniti i jedan koji se odnosi samo na fliš • Razlikuje pojmove jednoosne tlačne čvrstoće stijenske mase i globalne čvrstoće stijenske mase

  σ' σ = σ + σ ci  mb 3 + s    σ ci

a

  σ' σ = σ + σ ci  mb 3 + s    σ ci  GSI − 100  mb = mi exp   28 − 14 D   GSI − 100  s = exp   9 − 3D  1 1 a = + e −GSI / 15 − e − 20 / 3 2 6 σ c = σ ci s a

a

' 1

' 1

mjeseca 2002. dostupan bez naknade na stranici

http://www.rocscience.com/ Program pokriva sve aspekte korištenja Hoek-Brownovog kriterija

' 3

(

σt = −

Predstavlja Windows program

RocLab. Ovaj program je od srpnja

' 3

)

sσ ci mb

 D  σ ci ((GSI −10 ) / 40 ) (sigci ⇐ 100) E m (GPa ) = 1 −  10 2  100 

 D E m (GPa ) = 1 − .10 ((GSI −10 ) / 40 ) (sigci 〉 100 ) 2 

Program RocLab Hoek je na web stranici http://www.rocscience.com/ objavio program za određivanje parametara čvrstoće stijenske mase koji je temeljen na posljednjoj verziji općenitog Hoek-Brownovog kriterija čvrstoće. Od 15 srpnja 2002, ovaj program se može, bez nadoknade, skinuti i instalirati na osobno računalo (RocLab). Što novo donosi posljednja verzija općenitog Hoek-Brownovog kriterija? • •

Uvodi faktor D koji ovisi o stupnju poremećenja stijenske mase usljed miniranja i naponskog relaksiranja. Faktor D varira od 0 za neporemećenu stijensku masu do 1 za vrlo poremećenu stijensku masu. Autori daju preporuke za određivanje faktora poremećenje (D). Eliminirano je izračunavanje koeficijenata (s) i (a) za GSI>25 i GSI<25. Sada su ovi koeficijenti izraženi istom jednadžbom za sve stijenske mase.

• • •

Uvedena su dva dijagrama za odabir GSI-a na osnovi opisa stijenske mase. Jedan općeniti i jedan koji se odnosi samo na fliš Razlikuje pojmove jednoosne tlačne čvrstoće stijenske mase i globalne čvrstoće stijenske mase

17

Stijena kao inženjerski materijal   σ' σ = σ + σ ci  mb 3 + s    σ ci ' 1

a

' 3

 GSI − 100  mb = mi exp   28 − 14 D   GSI − 100  s = exp   9 − 3D  a=

(

1 1 −GSI / 15 + e − e − 20 / 3 2 6

)

Jednoosna tlačna čvrstoća stijenske mase

σ c = σ ci s a Vlačna čvrstoća stijenske mase

σt = −

sσ ci mb

Ovaj, vrlo dobro napravljen program, omogućava korištenje posljednje verzije općenitog HoekBrownovog kriterija čvrstoće na vrlo jednostavan način.

18

Podzemne građevine i tuneli Izgled stijenske mase

Opis stijenske mase

Predložene vrijednosti faktora D

Izuzetno kvalitetno i kontrolirano miniranje ili strojni iskop rezultira minimalnim poremećenjem stijenske mase oko tunela.

D=0

Strojni ili ručni iskop u slaboj stijenskoj masi (bez miniranja) rezultira minimalnim poremećenjem okolne stijenske mase. Ukoliko pojava gnječenja rezultira značajnim izdizanjem poda i ukoliko ne postoji podnožni svod, kao na slici, poremećenje može biti znatno.

D=0

D=0.5 Bez podnožnog svoda

Nekvalitetno miniranje u čvrstoj stijeni rezultira znatnim lokalnim oštećenjima, na udaljenosti 2 ili 3 m, u okolnoj stijenskoj masi.

Miniranje manjih razmjera na padinama rezultira umjerenim oštećenjem stijenske mase, osobito ako se kontrolirano miniranje primijenjuje na stijeni koja je prikazana na lijevoj strani slike. Međutim, relaksacija naprezanja rezultira poremećenjem.

D=0.8

D=0.7 Dobro miniranje D=1.0 Loše miniranje

Vrlo veliki otvoreni dnevni kopovi trpe znatno poremećenje zbog teškog proizvodnog miniranja i zbog relaksacije naprezanja koje je posljedica iskopa.

D=1.0 Proizvodno miniranje

U nekim mekšim stijenama iskop se može vršiti strojno te je stupanj oštećenja padine manji.

D=0.7 Strojni iskop

Slika 5.8 Vodič za određivanje faktora poremećenja(D) (Hoek, Carranza-Torres, Corkum, 2002)

Stijena kao inženjerski materijal

19

Kada treba koristiti Hoek-Brownov kriterij čvrstoće? Hoek-Brownov kriterij pretpostavlja izotropno ponašanje stijena i stijenskih masa. Njega treba primjenjivati samo u slučaju gdje postoji dovoljan broj gusto raspoređenih diskontinuiteta, sa sličnim površinskim karakteristikama, da se može pretpostaviti izotropno ponašanje uključujući lomove diskontinuiteta. Gdje je veličina bloka istog reda veličine kao i građevina koju se analizira ili gdje je jedan od setova diskontinuiteta značajno slabiji od drugih, ne treba koristit Hoek-Brownov kriterij. U ovim slučajevima stabilnost treba analizirati na način da se prouči mehanizam loma koji uključuje klizanje i rotaciju blokova i klinova koji su definirani diskontinuitetima koji ih okružuju.

Svojstva

Slika 5.9

intaktne

Lom stijenske mase definiran je nepovoljnom orijentacijom diskontinuiteta. Ne može se koristiti Koek-Brownov kriterij čvrstoće stijenske mase

20

Podzemne građevine i tuneli

Intaktna stijena

Jedan set diskontinuiteta. Ne koristi H-B kriterij

Dva seta diskontinuiteta. Ne koristi H-B kriterij

Mnogo setova diskontinuiteta. Koristi H-B kriterij pažljivo

Teško ispucala stijenska masa Koristi H-B kriterij

Slika 5.10

Prijelaz sa intaktne na teško ispucalu stijensku masu sa povećanjem veličine uzorka

Deformabilnost stijenske mase Serafim i Pereira (1983) predložili su odnos između in situ modula deformabilnosti i RMR klasifikacije Bieniawskog. Ovaj odnos baziran je na povratnim analizama pomaka temelja brana i dobro odgovara boljoj kvaliteti stijenske mase. Međutim, za mnoge stijene lošije kvalitete čini se da je prognozirani modul previsok. Na temelju opažanja i povratnih analiza iskopa u slaboj stijenskoj masi, Hoek predlaže sljedeću modifikaciju jednadžbe Serafima i Pereire za σci<100:

Em =

σ ci 100

10

 GSI −10     40 

Stijena kao inženjerski materijal

21

U ovoj jednadžbi GSI zamjenjuje RMR i modul Em progresivno opada ako vrijednost σci pada ispod 100. Ova je redukcija bazirana na razmišljanju da je deformiranje kvalitetnije stijene kontrolirano diskontinuitetima dok deformiranju stijenskih masa slabije kvalitete pridonosi i deformabilnost intaktnih komada. U posljednjoj verziji općenitog kriterija (Hoek, Carranza-Torres i Corkum, 2002) autori uvode efekt oštećenja stijenske mase usljed miniranja preko faktora (D) na sljedeći način:

D  σ ci ((GSI −10 ) / 40 )  (sigci ⇐ 100 ) E m (GPa ) = 1 −  10 2  100 

 D E m (GPa ) = 1 − .10 ((GSI −10 ) / 40 ) (sigci 〉 100 ) 2  Program RocLab izračunava deformabilnost stijenske mase istovremeno dok izračunava njenu čvrstoću.

Podzemne građevine i tuneli

5.5

22

Prirodna naprezanja

Stijenska masa ispod zemljine površine izložena je naprezanjima koja su posljedica mase gornje ležećih naslaga i tektonskih aktivnosti u zemljinoj kori. Ova naprezanja nazivaju se primarnim ili in-situ naprezanjima (in-situ stress; natural stress, initial stress; virgin stress; absoluet stress). Kada se u stijenskoj masi izvrši iskop, podzemni ili površinski, u blizini iskopa dolazi do promjene primarnih naprezanja. Ova izmjenjena naprezanja zovu se sekundarna ili inducirana naprezanja (induced stresses). Često su horizontalna naprezanja veća od vertikalnih. Poznavanje primarnih naprezanja jedan j od osnovnih uvjeta za kvalitenu naponsko-deformacijsku analizu tijekom projektiranja podzemnih građevina (rudnika, tunela i drugih podzemnih građevina). 5.6 Porni fluidi i tečenje vode U mehanici tla voda ima ključnu ulogu u ponašanju tla. Ovisno o sadržaju vode, tlo se može naći u različitim stanjima konsistencije. Ako se voda nalazi u svim porama kažemo da je tlo zasićeno (saturirano) a ako je dio pora ispunjen zrakom, kažemo da je tlo nezasićeno (nesaturirano). Sukladno principu efektivnih naprezanja, porna voda kontrolira čvrstoću tla u nedreniranom stanju. U nekim uvjetima (potres) neka tla mogu u potpunosti izgubiti čvrstoću što dovodi do likvefakcije tla. U stijenskoj masi se voda pojavljuje i u porama stijene i u diskontinuitetima. Kako je poroznost intaktne stijene mala, tečenje vode u stijenskoj masi, u najvećoj je mjeri povezano sa tečenjem kroz diskontinuitete. Tečenje vode kroz stijensku masu je zbog toga u funkciji diskontinuiteta, njihove povezanosti i hidroegeoloških svojstava okoliša. Tečenje kroz pore intaktne stijene bitno je kod ležišta nafte i plina i kod podzemnih skladišta nuklearnog otpada. U prvom slučaju pore su osnovni nosilac nafte jer na velikim dubinama u naftonosnim stijenama rijetko se pojavljuju otvoreni diskontinuiteti koji mogu biti akumulatori nafte. Kod skladišta nuklearnog otpada, s obzirom na njegovu dugotrajnost (to je prvi inženjerski objekt od koga se zahtjeva trajnost mjerena geološkim vremenom), tečenje kroz pore je bitno jer voda može transportirati radionukleide. Voda također može biti agresivna na inženejrske materijale (beton, čelik i sl.). Svaki iskop djeluje na promjenu stanja naprezanja u stijeni i kao dren za podzemnu vodu.

23

Stijena kao inženjerski materijal

Tablica 5.6 Vodopropusnost tipičnih stijena

Stijena Pješčenjak Navajo pješčenjak Berea pješčenjak Greywacke Šejl Pierre šejl Vapnenac, dolomit Salem vapnenac Bazalt Granit Šist Šist sa prslinama (fissured schist) a

Vodopropusnost (voda na 20oC) k (cm/s) Laboratorij In-situ -3 -8 3 x 10 to 8 x 10 1 x 10-3 to 3 x 10-8 2 x 10-3 4 x 10-5 3,2 x 10-8 10-9 to 5 x 10-13 10-8 to 10-11 5 x 10-12 2 x 10-9 to 5 x 10-11 10-5 to 10-13 10-3 to 10-7 2 x 10-6 10-12 10-2 to 10-7 10-7 to 10-11 10-4 to 10-9 10-8 2 x 10-7 1 x 10-4 to 3 x 10-4

Data from Brace (1978), Davis and De Wiest (1966), and Serafim (1968)

5.7

Utjecaj vremena

Tijekom geološke povijesti stijena je bila izložena prirodnim naprezanjima. Inženjerskim zahvatima prirodno stanje naprezanja se mjenja, ili se povećava ili smanjuje. Pri tome vrijeme ima značajnu ulogu jer se tijekom vremena čvrstoća stijene može smanjivati, odnosno stijena može teći ili se relaksirati. Tečenje (creep) je definirano kao kontinuirano povećanje deformacije kod konstantnog naprezanja. Relaksacija (relaxation) je definirana kao redukcija naprezanja kod konstantne deformacije (Harrison, Hudson, (2000) p.223; 104).

naprezanje

Zamor (fatigue)-postoji povećanje deformacije (ili smanjenje čvrstoće) usljed cikličkih promjena naprezanja.

tečenje relaksacija deformacija

Slika 5.11

Objašnjenje pojmova : tečenje i relaksacija

Podzemne građevine i tuneli

5.8

24

Rječnik

abrasion abrasiveness angle of internal friction, angle of shear resistance

A rubbing and wearing away The property of a material to remove matter when scratching and grinding another material The angJe, between the axis of normal stress and the tangent to the Mohr envelope at a point representing a given failure-stress condition for solid material.

constitutive equation creep fabric fatigue fissure

Applies to rocks resulting from consolidation of sediments and exhibiting surfaces of separation (bedding planes) between layers of the same or different materials, e.g., shale, siltstone, sandstone, limestone, etc. Force-deformation function for a particular material Time dependent deformation The orientation in space of the elements composing the rock substance Decrease of strength by repetitive loading A gapped fracture gapped fracture

hardness

Resistance of a material to indentation or scratching

modulus of elasticity, Young's modulus

The ratio of stress to corresponding strain below the proportional limit of a matprial

porosity

The ratio of the aggregate volume of voids or interstices in a rock or soil to its total volume

bedding

5.9

Literatura

Bieniawski, Z.T., (1989), Engineering Rock Mass Classification, John Wiley and Sons, p Franklin J.A., Dusseault, M.B., (1989), Rock Engineering, McGraw-Hill Publishing Company, 600 p. (pp. 281-285). Goodman, R.E., (1980), Introduction to Rock Mechanics, Wiley, New York, pp. 183-184. Harrison, J.P., Hudson, J.A., (2000) Engineering Rock Mechanics, Illusstrative Worked Exsamples, Pergamon, 506 p. Hoek, E., Kaiser, P.K., Bawden, W.F., (1995), Support of Underground Excavations in Hard Rock, Balkeme, 215 p. Hoek, E., Rock Engineering (a course) http://www.rocscience.com/ Hudson, J.A., (1989), Rock Mechanics Principles in Engineering Practice, CIRIA, 72 p. Hudson, J.A., Harrison, J.P., (2000) Engineering Rock Mechanics, Illusstrative Worked Exsamples, Pergamon, 506 p. ISO/DIS 14688 Geotchnics in civil engineering-identifacation and classofication of soil; Draft international standard ISO/DIS 14689 Geotchnics in civil engineering-identifacation and description of rock; Draft international standard ISRM Comission on Standardization of Laboratory and field test. (1979), Suggested Methods for Determining Water Content, Porosity, Density, Absorption and Related Properties and Swelling and Slake Durability Index Properties, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, Vol. 16, No. 2, pp 141-156. (31)

Stijena kao inženjerski materijal

25

ISRM, (1994), Commission on Swelling Rock, Suggested Methods for Rapid Identification of Swelling and Slaking Rocks Int. Jour. of Rock Mech. Min. Sci. and Geomech. Abstr. Vol. 31, No.5, pp. 547550. ISRM, Commission on Classification of Rocks and Rock Masses (1981), Basic geotechnical description of rock masses, Int. Jour. of Rock Mech. Min. Sci. and Geomech. Abstr. Vol. 18, No.1, pp. 85-110. ISRM, Commission on Standardization of Laboratory and Field Test (1978a), Suggested Methods for Petrographic Description of Rocks, Int. Jour. of Rock Mech. Min. Sci. and Geomech. Abstr. Vol. 15, , pp. 41-45. ISRM, Commission on Standardization of Laboratory and Field Test (1978a), Suggested Methods for Determining Hardness and Abrasiveness of Rocks, Int. Jour. of Rock Mech. Min. Sci. and Geomech. Abstr. Vol. 15, , pp. 89-91. ISRM, Commission on Standardization of Laboratory and Field Tests, (1978), Suggested Methods for the Quantitative description of Discontinuities in Rock Masses, In: Int. Your. Rock Mech. Min. Sci. and Geomech. Abstr. Vol. 15, pp 319-368. (121) ISRM, Commission on Terminalogy, Symbols and Graphic Representation 1975, Terminology (english, french, germany).

Ivan Vrkljan

6. Oblici nestabilnosti podzemnih građevina Opisani su tipični oblici nestabilnosti stijenske mase u okolini podzemnih iskopa. Objašnjeni su fenomeni koji iniciraju neatbilnost podzemnih građevina

Podzemne građevine i tuneli

6 Oblici nestabilnosti podzemnih građevina 6.1

Uvod

Postupak identificiranja mogućeg modela nestabilnosti stijenske mase obuhvaća sljedeće korake: • • •

sakupljanje inženjerskogeoloških podataka površinskim kartiranjem i bušenjem, definiranje inženjerskogeoloških i geotehničkih svijstava stijenske mase, klasifikacija stijenske mase i identifikacija potencijalnog modela loma.

Nestabilnosti podzemnih građevina iskazuje se kao: • • • •

nestabilnost zbog nepovoljne strukturne geologije (lom kontroliran strukturom i gravitacijom), nestabilnost usljed niske čvrstoće u odnosu na naprezanje (lom izazvan naprezanjima i gravitacijom), nestabilnost usljed jakog trošenja ili bubranja stijena, nestabilnost usljed visokog tlaka ili tečenja vode.

2

3

Oblici nestabilnosti podzemnih gradevina

SAKUPLJANJE INŽENJERSKOGEOLOŠKIH PODATAKA POVRŠINSKIM KARTIRANJEM I BUŠENJEM KARAKTERISTIKE STIJENSKE MASE

KLASIFIKACIJA STIJENSKE MASE I IDENTIFIKACIJA POTENCIJALNOG MODELA SLOMA

SLOM KONTROLIRAN STRUKTUROM I GRAVITACIJOM

SLOM IZAZVAN NAPREZANJIMA I GRAVITACIJOM

ISTRAŽIVANJE KINEMATSKI MOGUĆEG MODELA SLOMA

ODREĐIVANJE IN-SITU NAPREZANJA U STIJENSKOJ MASI

DEFINIRANJE POSMIČNE ČVRSTOĆE NA POTENCIJALNIM PLOHAMA SLOMA

DEFINIRANJE SVOJSTAVA STIJENSKE MASE

IZRAČUNAVANJE FAKTORA SIGURNOSTI ILI RIZIKA POTENCIJALNIH SLOMOVA

ANALIZA VELIČINE ZONE U KOJOJ SU NAPREZANJA PREMAŠILA ČVRSTOĆU STIJENE

ODREĐIVANJE POTREBNE PODGRADE

NELINEARNA ANALIZA INTERAKCIJE PODGRADE I STIJENE ZA PROJEKTIRANJE PODGRADE

ISTRAŽIVANJE UTJECAJA MINIRANJA I GORSKIH UDARA NA PODGRADU PROJEKTIRANJE PODGRADE, UZIMAJUĆI U OBZIR FAZNI ISKOP, DOSTUPNOST MATERIJALA I CIJENU PROJEKTA

UGRADNJA PODGRADE SA STROGOM KONTROLOM KVALITETE RADI OSIGURANJA DA SIDRA, KABLOVI, PREDNAPREZANJE, ČELIČNI LUKOVI, MLAZNI BETON I dr. BUDU KOREKTNO UGRAĐENI PO DIMENZIJAMA I KOLIČINI

OPAŽANJE PONAŠANJA ISKOPA I PODGRADE RADI VERIFIKACIJE PROJEKTA I DOPUŠTENJA ZA EVENTUALNE PROMJENE

Slika 6.1 Projektiranje podgrade podzemnih iskopa u čvrstoj stijenskoj masi (Hoek & al. 1995.)

Podzemne građevine i tuneli

6.2

Nestabilnost zbog nepovoljne strukturne geologije

U čvrstoj stijenskoj masi s velikim brojem diskontinuiteta, stabilnost iskopa na malim dubinama bit će kontrolirana struktrnim lomovima usljed gravitacije. Radi procjene moguće nestabilnosti po ovom modelu potrebno je poduzeti sljedeće radnje: • • • •

određivanje srednjih nagiba i pravaca nagiba značajnih diskontinuiteta u stijenskoj masi, identificiranje potencijalnih klinova koji mogu kliznuti ili ispasti iz kalote i bokova, proračun faktora sigurnosti identificiranih klinova ovisno o modelu loma, proračun potrebnog osiguranja kako bi se faktor sigurnosti pojedinih klinova doveo na zadovoljavajuću vrijednost.

Slika 6.2 Ispucala stijena će se pod niskim naprezanjima pokazivati nestabilnost u vidu ispadanja ili klizanja blokova uslijed gravitacije

Slika 6.3 Teško ispucala stijena će pod niskim naprezanjima pokazivati nestabilnost u vidu ispadanja malih uklještenih blokova po konturi iskopa. Ispadanje (lom) može se proširiti duboko u stijensku masu ako se ne kontrolira

4

5

Oblici nestabilnosti podzemnih gradevina

Slika 6.4 Tunel Sv. Rok, lom podgrade zbog nestabilnosti klina stijenske mase u kaloti Korištenje klasifikacije stijenske mase sa svrhom procjene stabilnosti pozemnih građevina i definiranja elemenata podgrađivanja u ovom slučaju nije opravdano 6.3

Nestabilnost usljed niske čvrstoće u odnosu na naprezanje (lom izazvan naprezanjima i gravitacijom)

Kada je in-situ čvrstoća stijenske mase manja od in-situ narezanja, probleme stabilnosti mogu izazvati lomovi izazvani naprezanjima. Klasifikacija stijenske mase daje korisnu početnu poduku u vezi s ovim problemom

σ1- σ3

σ1

σ3

σ3 Plastični lom Elastična deformacija

σ1 σ3 =konstanta Aksijalna deformacija

Slika 6.5 Idealizacija naponsko-deformacijske krivulje (elastični-perfektno plastični materijal)

6

Podzemne građevine i tuneli

Slika 6.6 Masivna stijena. Visoka koncentracija naprezanja na konturi iskopa u masivnoj stijenskoj masi za posljedicu će imati: spalling, slabbing i crushing

(a)

(b)

Slika 6.7 (a)Spalling u boku rudničke prostorije u kvarcitu na dubini od 1500 m. (b) Spalling u podzemnoj prostoriji iskopanoj u stijenskoj masi izloženoj visokim primarnim naprezanjima.

Oblici nestabilnosti podzemnih gradevina

Slika 6.8 Ispucala stijena. Visoka koncentracija naprezanja na konturi iskopa u ispucaloj stijenskoj masi prouzročit će lomove u obliku klizanja po diskontinuitetima i lomove pojedinih blokova (crushing and spliting)

Slika 6.9 Teško ispucala stijena Visoka koncentracija naprezanja na konturi iskopa u teško ispucaloj stijenskoj masi prouzročit će klizanja po diskontinuitetima i lomove pojedinih blokova (crushing). Zatvaranje profila u obliku izdizanja poda i kretanja bokova su tipičan rezultat ovog tipa loma Gnječenje (squeezing) stijene je vremenski ovisna velika deformacija koja se događa oko tunela i uglavnom je vezana s tečenjem (creep) koje je posljedica prekoračenja graničnog posmičnog naprezanja. Deformacija može završiti za vrijeme izvođenja ili može biti nastvljena tijekom dugog vremenskog perioda . Fenomen gnječenja, može se opisati kao vremenski ovisni pokreti koji se dešavaju u tlu ili stijeni onoliko dugo koliko su naponski uvjeti takvi da su premašena posmična naprezanja pri kojima počinje tečenje. Gnječenje stijenske mase može se dogoditi kao: • •

gnječenje intaktne stijene, gnječenje ispunjenih stijenskih diskontinuiteta i/ili uzduž ploha slojevitosti i folijacije, pukotina i rasjeda.

7

Podzemne građevine i tuneli

Gnječenje je sinonim prenapregnutog stanja (overstresing) i ne podrazumjeva deformacije uzrokovane razrahljenjem koji se može dogoditi u bokovima i podu tunela u ispucaloj stijenskoj masi. Mehanizam gnječenja Premda je mehanizam loma tunela kao posljedice gnječenja slabo razumljiv, generalno je prihvaćeno da se radi o o reduciranju poprečnog presjeka tunela usljed velikih deformacija okolnog medija. ako se ovim pokretima suprotstavi podgrada nedovoljne nosivosti doći će do njenog loma. Fenomen je bio primjećen prilikom iskopa prvih cestovnih tunela kroz Alpe u drugoj polovini 19 stoljeća (Barla, 1995). Gnječenje i tehnike iskopa Gnječenje je usko povezano s tehnikama iskopa i podgrađivanja. Ako ugradnja podgrade kasni, stijenska masa se pokreće u tunel i dolazi do redistribucije naprezanja oko tunela. Suprotno, ako su deformacije stijene spriječene, gnječenje će voditi ka dugotrajnom povećanju opterećenja podgrade. Gnječenje nije svojstvo stijenske mase. Slaba stijena neće se gnječiti ako sekundarna naprezanja ne premaše njenu čvrstoću. Koje su stijene sklone pojavi gnječenja? Mnoge od stijena sklonih gnječenju su bogate mineralima glina i u kontaktu s vodom pokazuju i tendenciju bubrenja. Na manjim dubinama gdje su niski pritisci, gnječenju su podložni materijali koji sadrže pornu vodu i imaju vrlo nisku čvrstoću. na primjer, rasjedne zone, jako alterirane piroklastične stijene koje sadrže minerale glina, alterirane tinjčaste stijene i slabokonsolidirani "mudston"-i i glinci (claystones). Na većim dubinama gnječenju su podložne rasjedne zone, alterirane stijene te stijene s znatnim učešćem tinjčastih i glinenih minerala. neporemećeni šejlovi i "mudston"-i,

Slika 6.10 Rekonstrukcija tunela kod kojeg je efekt gnječenja stijenske mase bio vrlo izražen

8

Oblici nestabilnosti podzemnih gradevina

Slika 6.11 Podgrada i prekoprofilski iskop u željezničkom tunelu St. Gotthard (švicarske Alpe). Dionica tunela u kojoj se očekuju uvjeti gnječenja. 6.4

Nestabilnost usljed jakog trošenja ili bubranja stijena

U Europi predstoji izgradnja nekoliko tunela s nadslojem preko 2000 m gdje se očekuju problemi gnječenja (squeezing), bubrenja i povišene temperature. • • • •

Gotthard bazni tunel (57 km) u Švicarskoj, Lotschberg bazni tunel (33 km) u Švicarskoj, Brenner tunel (60 km) između Austrije i Italije, Moncenise tunel (55 km) između Francuske i Italije).

Kada se govori o teškim geotehničkim uvjetima, najčešće se misli na gnječenje (squeezing) i/ili bubrenje stijena. Iako ta dva fenomena nemaju, u fenomenološkom smislu, ništa zajedničko, oni su glede tunelogradnje čvrsto vezani. Naime, u bubrivim stijenama, negativni efekti bubrenja su gotovo redovito pojačani i efektima gnječenja. Na terenu je vrlo teško razlikovati ta dva fenomena. Dok su mehanizmi, eksperimentalne metode i modeli bubrenja glinovitih stijena dobro definirani, čini se da ponašanje sulfatnih stijena i kombinacija gnječenja i bubrenja zahtijevaju daljnja istraživanja.

9

Podzemne građevine i tuneli

10

Svako povećanje volumena naziva se bubrenje (engl. - swelling, francuski - gonflement, njemački schwellen, quellen). s nekoliko definicija pokušat će se objasniti značenje tog izraza. Einstein (1975) definira bubrenje kao vremenski ovisno povećanje volumena prirodnog tla uzrokovano promjenom naprezanja, povećanjem sadržaja vode ili kombinacijom obaju čimbenika. British standards (bs 6100: subsection 2.2.1: 1990) definiraju bubrenje kao povećanje volumena kohezivnog materijala zbog apsorpcije vode ili naponskog reljefa. ISRM (1975) definira bubrenje ovako: mineraloški sastav stijena je takav da apsorbiranje vode uzrokuje mjerljivo povećanje volumena. bubrenje može prouzročiti vrlo velike, vremenski ovisne sile na stijenski podgradni sustav ili može reducirati veličinu otvora. Kovari, Amsted, Anagnostou (1988) opisuju bubrenje stijena ovako: bubrenje je fenomen povećanja volumena stijena koje sadrže glinene minerale i anhidrit kada dođu u dodir s vodom. ISRM (1983) bubrenje definira kao vremenski ovisno povećanje volumena uključujući fizikalnokemijsku reakciju s vodom U literaturi se često pod pojmom bubrenja razumijevaju sve pojave povećanja volumena bez obzira na uzrok i mehanizam po kojemu se ono odvija. tako se čak i povećanje volumena izazvano smrzavanjem ponekad svrstava pod fenomen bubrenja (Lindner, 1976, British standard bs 6100, subsection 2.2.1, 1990). Autori koji usvajaju tako široku definiciju bubrenja, kao posebnu kategoriju izdvajaju bubrenje u strogom smislu. Pod bubrenjem u strogom smislu razumijevaju povećanje volumena uzrokovano adsorpcijom ili apsorpcijom vode. Kada se govori o bubrenju kao pojavi koja uzrokuje probleme u inženjerskoj praksi, uobičajeno je da se pod tim pojmom razumijeva mjerljivo povećanje volumena uzrokovano djelovanjem vode na materijale u kojima ili na kojima se građevina gradi. Praksa pokazuje da bubri uglavnom stijena u podu. Bubrenju stijene u podu pogoduju sljedeći uvjeti: • • • •

u podu ima najviše vode (tehnološke i/ili podzemne). pod je obično slabije osiguran od kalote i bokova podje obično ravan te pri većim primarnim naprezanjima dolazi do plastificiranja stijene u podu. dinamički efekti transporta potpomažu dezintegraciji stijene u podu

11

Oblici nestabilnosti podzemnih gradevina

Kvar na vodnim instalacijama

Podzemna voda

NEDEFORMABILNA PODNA PLOČA

NEPODGRAĐENI POD

Izdizanje poda ua

IZDIZANJE PODA

C

3

2

Pa

IZDIZANJE PODA

ua

B 1

DEFORMABILNA PODNA PLOČA

4 A

Reakcija podgrade Pa

Slika 6.12 Bubrenje se najčešće manifestira u podu tunela

1-Karakteristična krivulja bubrive stijene 2-Karakteristična crta deformabilne podne ploče 3-Karakteristična crta nepodgrađenog poda 4-Karakteristična crta nedeformabilne podne ploče

Podzemne građevine i tuneli

12

Slika 6.13 Izdizanje poda tunela zbog bubrenja stijenske mase Trošenje Ovo trošenje treba razlikovati od trošenja kojem su izložene sve vrste stijena tijekom geološke povijesti. Trošenje o kome se ovdje govori, dešava se za vrijeme izgradnje i eksploatacije građevine, a posljedica je cikličkog vlaženja i sušenja (promjenom relativne vlažnosti zraka ili direktnim djelovanjem vode). Sve stijene su više ili manje podložne utjecaju vlaženja i sušenja. Stijene kao što su svježi graniti ili dobro cementirni kvarcni pješčenjaci su trajni pošto se neće dezintegrirati nakon mnogo ciklusa vlaženja i sušenja. Međutim, mnoge stijene koje sadrža minerale glina (muljac, šejl, lapor, neke magmatske stijene zahvaćene trošenjem) i/ili anhidrit, bubrit će ili će se dezintegrirati kada budu izloženi atmosferskim ciklusima vlaženja i sušenja. Kada se govori o trošenju sitnozrnastih klastičnih sedimenata treba razlikovati: (modificirano Olivier, 1979a, p 468, 474) • • •

trošenje stijena koje sadrže značajnu količinu minerala sposobnih da bubre po mehanizmu intrakristalnog bubrenja (bubrivi minerali glina-aktivni minerali). Taylor i Spears ovo trošenje nazivaju - kratkotrajnim kemijskim trošenjem. trošenje stijena koje ne sadrže bubrive minerale glina uglavnom je posljedica: (a) isušivanja i raspucavanja (slaking ili air breakage); (b) interkristalnog bubrenja. Kod interkristalnog bubrenja najznačajniji je fenomen osmotskog bubrenja. trošenje stijena koje sadrže značajne količine lako topivih minerala (halit, gips i sl.). .

Na proces trošenja kompaktiranih i slabo cementiranih tipova stijena, vrlo vjerojatno najveći utjecaj ima nereverzibilni fizikalni proces isušivanja i raspucavanja (slaking ili air breakage). Za vrijeme sušenja stijene, većina pora se ispuni zrakom. kod naglog potapanja u vodu, tlak zraka u porama se povećava uslijed djelovanja kapilarnog pritiska koji se razvija u vanjskim porama. Povećanje pritiska zraka uzrokuje lom mineralnog skeleta uzduž najslabijih ploha čime je omogućen nastavak istog procesa.

Oblici nestabilnosti podzemnih gradevina Pojave isušivanja i raspucavanja stijena koje ne sadrže dominantno aktivne minerale glina mogu se tumačiti djelovanjem dvaju fenomena: •

•

6.5

pojava negativnih pornih tlakova (suction) u međusobno povezanim porama makrostrukture gdje voda ima relativno veliku mobilnost. Tim fenomenom mogu se objasniti volumne promjene (bubrenje i skupljanje ) glina koje u manjoj mjeri sadrže aktivne minerale. fizikalno-kemijski efekti koji djeluju uglavnom na vodu vezanu na pojedinačne čestice i na veće jedinice gusto pakiranih čestica aktivnih minerala (kvazikristali). Desaturiranjem stijene smanjuje se osnovni razmak i debljina dvostrukih slojeva. Fizikalno-kemijska reakcija dominantan je efekt mikrostrukturne razine. Nastabilnost usljed visokog tlaka ili tečenja vode

Svaki tunel djeluje kao dren u podzemlju. Kada je nivo podzemne vode iznad najviše točke tunelskog profila, voda će teći prema tunelskoj cijevi zbog razlike potencijala. Kraški tereni mogu imati velike količine vode u podzemnim kavernama koja kod naglog prodora može značajno oštetiti stijensku masu u okolini tunela. Pri izgradnji tunala, ne treba spriječavati dotok vode u tunel već suprotno, treba ju čim više drenirati kako podgrada tunela nebi trpila hidrostatski tlak vode. Tečenje podzemne vode može prouzročiti otapanje lakotopivih minerala kao što su kuhinjska sol, gips i neki drugi. Otapanje slojeva stijena koje sadrže ove minerale, može značajno ugroziti stabilnost podzemnih iskopa. Posebna pravila projektiranja treba primijeniti ako se tunel projektira u masivu koji se sliježe zbog podzemnog rudarenja. 6.6

Rječnik

groundwater level piezometric surface seepage swelling

6.7

The level below which the rock and subsoil, to unknown depths, are satured An imaginary surface that everywhere coincides with the static level of the water in the aquifer The infiltration or percolation of water through rock or soil to or from the surface. The term seepage is usually restricted to the very slow movement of groundwater The constitutive mineralogy of the rock is such that water is absorbed, causing a measurable increase in volume of the rock. Swelling can exert very large timedependent forces on rock support systems, or can reduce the size of the openings

Literatura

Barla, G. Pelizza, S. TBM tunnelling in difficult ground conditions Barla, G. Tunnelling under squeezing rock conditions Barla, G., 1995, Squeezing Rock in Tunnels, ISRM News Journal, Vol 2, No 3&4 pp 44-53 Groves P.N., Sauer.,G., Morgan S.R., Engineering consequences of ground conditions on NATM works at London Bridge Station, Jubilee Line Extension Hoek E., and Marinos P. Predicting tunnel squeezing problems in weak heterogeneous rock masses Published in Tunnels and Tunnelling, November and December 2000. Hoek E., Big Tunnels in Bad Rock (2000) Terzaghi lecture Paper published in the ASCE Journal of Gotechnical and GeoenvironmentalEngineering, Vol. 127, No. 9, Sept 2001, pages 726-740. Hoek, E., Kaiser, P.K., Bawden, W.F. (1995) Support of Underground Excavations in Hard Rock, Balkema, 215 p.) Hoek, E., Rock Engineering (a course) (str 198) http://www.rocscience.com/

13

Podzemne građevine i tuneli Sauer G., NATM in soft ground

14

Ivan Vrkljan

7. Principi stabiliziranja Iskopom stijenske mase (površinskim i podzemnim) poremeti se polje primarnih naprezanja kao i režim podzemnih voda. Novonastalo stanje naprezanja i tečenje podzemne vode može ugroziti stabilnost iskopa. Opisani su principi stabiliziranje stijenske mase. Tehnike stabiliziranja biti će opisane u posebnom poglavlju.

Inženjerska mehanika stijena

2

7 Principi stabiliziranja 7.1 Uvod Raspravit će se principi stabilizacije za dva slučaja: • •

Sekundarna naprezanja izazvana iskopom su manja od vršne čvrstoće stijene (u analizama se koristi prije-lomno područje kompletne naponsko-deformacijske krivulje). Sekundarna naprezanja premašila su vršnu čvrstoću stijene (u analizama se koristi poslije-lomno područje kompletne naponsko-deformacijske krivulje-rezidualna čvrstoća stijene).

Dvije temeljne metode stabilizacije-armiranje stijene (rock reinforcement) i podupiranje (rock support) razmatrat će se za dva modela stijenske mase: • •

stijenska masa se ponaša kao kontinuum, stijenska masa se ponaša kao diskontinuum.

7.2 Djelovanje iskopa na stijensku masu Tri primarna efekta iskopa su: 1. Pomak granice iskopa zbog uklanajnja napregnute stijenske mase, što omogućuje pokrete okolne stijenske mase (zbog rasterećenja). 2. Nema normalnih i posmičnih naprezanja na nepodgrađenoj plohi iskopa te zbog toga granica iskopa mora biti ravnina glavnih naprezanja. Pri tome je glavno naprezanje, okomito na ravninu iskopa, jednako nuli. Općenito, iskop će izazvati glavnu preraspodjelu primarnih naprezanja kako po veličini tako i po orijentaciji. 3. Na granicama iskopa tlak vode će pasti na nulu (točnije na atmosferski tlak). Iskop će djelovati kao dren te će voda iz stijenske mase teći prema iskopu sve do izjednačavanja potencijala.

3

Principi stabiliziranja

Intaktna stijena će se pomaknuti prema iskopu

Efekt 1: Pomak i lom stijene Stijenska masa se pomiče u iskop jer je uklonjen dio stijene s kojom je bila u ravnoteži

U diskontinuiranoj stijeni blok će kliznuti u iskop

σ1 Efekt 2: Rotacija naprezanja Normalna i posmična naprezanja na granici iskopa imaju vrijednost nula te ploha iskopa postaje ploha glavnih naprezanja

σ3 σ3=0

σ1

σ3

σ1

Pravci glavnih naprezanja rotiraju kako bi postali paraleni i okomiti na nepodgrađenu plohu iskopa

Efekt 3: Tečenje vode Hidraučlički tlak na granici iskopa pada na nulu te iskop djeluje kao dren Kompleksan režim tečenja podzemne vode

Slika 7.1

Tri primarna efekta iskopa na stijensku masu

Efekt 1: Pomak i lom stijene

4

Inženjerska mehanika stijena

Pomak stijenske mase može se dopustiti ili ograničiti mjerama za stabiliziranje. Projektom treba biti definiran značaj svakog oblika pomaka stijenske mase kao i veličina pomaka. Važno je znati koji od sljedećih mehanizama uzrokuje pomak: • • •

blok stijene se pokreće u iskop stijenska masa se deformira kao cjelina (elastična deformacija) pomak je posljedica loma stijenske mase

Moguće je da sva tri mehanizma djeluju istovremeno. Da bi se definirala strategija stabiliziranja potrebno je razumjeti ove mehanizme. Efekt 2: Poremećenje polja naprezanja Poremećenje polja naprezanja dovest će do povećanja devijatorske komponente naprezanja u zoni utjecaja iskopa što pogoduje stvaranju uvjeta za lom stijene. Uz sami iskop, stijena je u stanju jednoosnog odnosno dvoosnog tlačenja (ovisno o tome analizira li se ravninski ili prostorni model). Poznato je da ista stijena ima neuporedivo manju čvrstoću u stanju jednoosnog tlačenja u odnosu na čvrstoću pri troosnom tlačenju (slika xxx). Inženjer treba tražiti oblike iskopa koji će za posljedicu imati najmanja sekundarna devijatorska naprezanja.

σ1 σ1-σ3

σ1 σ3

σ3

σ3

σ1

σ3 σ1

σ1 σ3

σ3 σ1

σ1

σ1

σ1 σ1

Slika 7.2

Deformacija Poremećenja polja naprezanja (a) Promjena veličine i orijentacije glavnih naprezanja u zoni utjecaja iskopa (b) Čvrstoća stijene u uvjetima jednoosnog i troosnog tlačenja

Principi stabiliziranja

5

Efekt 3: Tečenje vode Hidrostatski tlak vode nepovoljno utječe na stabilnsot blokova stijene. Voda također može prouzročiti dezintegraciju i bubrenje nekih stijena.

Slika 7.3

Dreniranje vode u tunelu Sv. Rok

Naprijed su navedena tri glavna efekta iskopa na stijensku masu s ciljem da se razumiju njihovi mehanizmi. Cilj inženjerskih zahvata ne treba biti eliminiranje ova tri primarna efekta već njihovo kontroliranje

Inženjerska mehanika stijena

6

7.3 Strategija stabiliziranja Za stabiliziranje stijenske mase, bez obzira na mehanizam po kome se pomak dešava, mogu se primjeniti dvije mjere. • •

Armiranje stijenske mase (rock reinforcement). Armiranjem se diskontinuirana stijenska masa počinje ponašati kao kontinuum. Podupiranje (rock support). Elementi podgrade se ugrađuju u iskop sa svrhom da ograniče pomak konture iskopa na dopuštenu vrijednost.

Armiranjem se inženjerski elementi ugrađuju u stijensku masu. Elementi koji služe za podupiranje stijenske mase ugrađuju se unutar iskopa. Treba napomenuti da tanki sloj mlaznog betona koji se ugrađuje radi zaštite površine stijenske mase ili za spriječavanje ispadanja manjih blokova, ne pripada elementima za podupiranje jer je njegova nosivost beznačajna. U ovom slučaju mlazni beton smatra se elementom armiranja. Kao elementi podgrade, u tunelogradnji se najčešće koristi mlazni beton značajne debljine, čelični lukovi, betonska podgrada od ljevanog betona ili prefabriciranih elemenata i dr.. Podgrada ne povećava direktno čvrstoću stijenske mase, ali ograničava njenu dezintegraciju koja bi se desila da pomak konture nije ograničen na dopuštenu vrijednost. Temeljni principi stijenskog armiranja i podupiranja su različiti. Stabiliziranje stijenske mase (rock stabilization) podrazumjeva kombiniranu primjenu armiranja i podupiranja stijene radi postizanja ravnotežnog stanja.

7

Principi stabiliziranja

Stabiliziranje stijenske mase Zadržavanje integriteta iskopa kako je određeno inženjerskim projektom

Armiranje stijenske mase (rock reinforcement) Ugradnja stijenskih sidara ili kablova u stijensku masu kako bi joj se povećala krutost i čvrstoća što će joj omogućiti “samonosivost”

Kontinuum Ponaša se kao kompozitni armirani materijal, analogno armiranom betonu ili plastici armiranoj staklenim vlaknima

Slika 7.4

Diskontinuum Ponaša se kao kontinuirani medij koji je krući i i čvršći, pošto je pomak po diskontinuitetima spriječen (ograničen)

Armiranje i podupiranje

Podupiranje stijene (rock support) Postavljanje elemenata na konturi iskopa koji će spriječiti (ograničiti) pomake stijenske mase u iskop (betonska obloga, čelični lukovi i drugi tipovi konstrukcija u tunelogradnji)

Kontinuum Mjenjaju se rubni uvjeti-ugrađeni elementi apliciraju silu ili naprezanje što spriječava pomake kontinuuma

Diskontinuum Mjenjaju se rubni uvjeti-ugrađeni elementi apliciraju silu ili naprezanje što spriječava pomake pojedinačnih blokova

8

Inženjerska mehanika stijena

Armiranje stijenske mase stijenskim sidrima Slika 7.5

Armiranje i podupiranje

Podupiranje stijenske mase betonskom podgradom

9

Principi stabiliziranja

7.3.1

Karakteristična krivulja stijenske mase

Kod razmatranja interakcije stijenske mase i podgrade treba početi od deformacija koje se dogode u blizini čela nepodgrađenog tunela (slika 7.6)

Deformacija čela tunela

Pravac napredovanja tunela

Radijalni pomak dostiže konačnu vrijednost na oko 4,5 promjera tunela iza čela iskopa

Radijalni pomak dostiže oko trećine konačne vrijednosti na čelu tunela Radijalni pomak počinje na nekoj udaljenosti ispred čela iskopa (od pola do dva i pol promjera tunela

Slika 7.6

Radijalni pomak u okolini čela tunela (nije u mjerilu)

Treba primjetiti da radijalni pomak: • • •

počinje na nekoj udaljenosti ispred čela tunela (oko 2,5 promejra tunela), dostiže oko trećine konačne vrijednosti na čelu tunela, dostiže maksimum na udaljenosti 4,5 promjera tunela iza čela iskopa.

Važno je primjetiti da i kod nepodgrađenog tunela, čelo tunela (tunnel face) predstavlja prividni tlak podgrade (apparent support pressure). Ovaj prividni tlak podgrade osigurava stabilnost u periodu od iskopa da ugradnje podgrade.

10

Inženjerska mehanika stijena

Konvergencija

Napredovanje tunela

Radi se o nepodgrađenom tunelu. Zona plastificiranja

Slika 7.7

pi - prividni tlak podgrade.

Tlak podgrade pi (misli na prividni a ne stvarnu podgradu) na različitim pozicijema u odnosu na čelo tunela

Prividni tlak podgrade je: • • •

Jednak primarnim naprezanjima (pi = po) na nekoj udaljenosti (oko 2,5 promjera tunela) ispred čela iskopa tunela (dakle u neiskopanom dijelu tunela). Jednak oko četvrtine primarnih naprezanja na čelu tunela Postepeno poprima vrijednost nula na nekoj udaljenosti iza čela tunela.

Plastificiranje stijene u okolini iskopa ne znači da će doći do kolapsa tunela. Slomljeni materijal (failed material) još ima značajnu čvrstoću. Kada je debljina plastificirane zone mala u odnosu na promjer tunela, može se pojaviti manji broj prslina i manji opseg ljuštenja (raveling or spalling) Kada je plastificirana zona velika, doći će razrahljenja stijene što će za posljedicu imati pomake konture iskopa i eventualno do kolapsa tunela. Primarna funkcija podgrade je kontrola pomaka konture iskopa (inward displacement of the walls) radi sprečavanja razrahljenja koje može dovesti do kolapsa tunela. Ugradnjom podgrade (sidra mlazni beton, čelični lukovi) ne može se spriječiti lom (failure) stijene u okolini tunela koja je izložena značajnom preopterećenju, ali će ona imati značajnu ulogu u kontroli deformiranja tunela. Karakteristična krivulja stijenske mase (“ground reaction curve” or “characteristic line”) predstavlja odnos unutarnjeg tlaka podgrade i konvergencije tunela (radijalni pomak konture iskopa). Pretpostavimo da je tunel kružnog poprečnog presjeka polumjera r0 iskopan u stijenskoj masi u kojoj vlada hidrostatsko primarno naprezanje p0, te da na konturu iskopa djeluje jednoliki tlak podgrade pi. Lom stijenske mase koja okružuje tunel desit će se kada je unutarnji tlak podgrade manji od kritičnog tlaka podgrade pcr. Kada je unutarnji tlak podgrade veći od kritičnog tlaka podgrade pcr, neće doći do loma stijenske mase i stijenska masa u okolini tunela ponašat će se elastično. Radijalni elastični pomak konture tunela prikazan je donjom jednadžbom.

11

Principi stabiliziranja

Kada je unutarnji tlak podgrade pi manji od kritičnog tlaka podgrade pcr, desit će se lom stijenske mase i oblikovati će se plastificirana zona polumjera rp u okolini tunela. Radijalni plastični pomak uip je definiran karakterističnom krivuljom između pi = pcr i pi = 0. Tipičnu karakterističnu krivulju stijenske mase prikazuje donja slika. Napredovanje tunela

Tlak podgrade pi

uie=elastični pomak Pcr = Kritični tlak podgrade definiran inicijacijom plastičnog loma stijene u okolini tunela

Radijalni pomak

Pi=p0=primarno naprezanje

Zona plastificiranja

uip=plastični pomak

Radijalnipomak ui pi - prividni tlak podgrade a ne tlak stvarne podgrade. Dakle, karakteristična krivulja stijenske mase prikazuje ponašenja nepodgrađenog tunela. • • •

Slika 7.8

ground reaction curve characteristic line rock mass displacement curve

Karakteristična krivulja stijenske mase predstavlja odnos unutarnjeg tlaka podgrade i konvergencije tunela (radijalni pomak konture iskopa).

12

Inženjerska mehanika stijena

pi

pi=p0

U1

u

U2 U3

Napredovanje tunela U1

1/2 D

U2

Stabilan tunel U3

Podgrađeni tunel Nestabilan tunel u

Slika 7.9

Interakcija podgrade i stijenske mase

D

Principi stabiliziranja

13

Karakteristična krivulja pokazuje: • • • •

Nema pomaka konture iskopa kada je tlak podgrade jednak primarnom naprezanju (pi = po). Elastični pomak uie za po > pi > pcr Plastični pomak uip za pi < pcr Maksimalni pomak kada je tlak podgrade jednak nuli.

Za zadani promjer tunela i zadano primarno naprezanje, oblik karakteristične krivulje stijenske mase ovisi o kriteriju čvrstoće i drugim svojstvima stijenske mase. O kriteriju čvrstoće i svojstvima stijenske mase ovise: • Kritični tlak podgrade pcr • Polumjer plastificirane zone rp • Oblik karakteristične krivulje u plastičnom području(pi < pcr) U literaturi se karakteristične krivulje stijene i podgrade javljaju pod različitim nazivima: •Fenner-Pacher curve, •load- deformation curves, •ground reaction curve, •ground response curve, •available support line, •confinement- convergence curve, •rock and support characteristic curve.

14

Inženjerska mehanika stijena

7.3.2

Armiranje stijenske mase (rock reinforcement)

Armiranje stijene primjenjeno na kontinuiranu stijenu razlikuje se od armiranja diskontinuirane stijenske mase zbog različitog djelovanja elemenata armiranja (sidra, kablovi) u ovim sredinama. Na prvi pogled izgleda da ima smisla armirati samo diskontinuiranu stijensku masu radi spriječavanja pokreta pojedinačnih blokova. Međutim, i armiranje kontinuirane stijene ima puni smisao jer se njime popravljaju opća svojstva stijene te na taj način i njeno ponašanje u okolini iskopa. Stijena boljih mehaničkih svojstava lakše će podnijeti povećanje devijatorskog naprezanja pa će teže doći u stanje loma. Jasno je da je armiranje najefikasnije u jače deformabilnoj stijeni niske čvrstoće.

σθ

σθ

σσrθ

σr σθ

σθ

Slika 7.10

Sidrenje dovodi elemente stijenske mase u stanje troosnog tlačenja

Armiranje diskontinuirane stijenske mase ima dvostruki efekt: • •

poboljšanje mehaničkih i strukturnih svojstava stijenske mase spriječavanje velikih pomaka kompletnih blokova stijene

Ako armiranje spriječava pokretanje blokova i ako diskontinuiteti mogu preuzeti značajna naprezanja, tada armiranje mjenja diskontinuiranu stijensku masu u kontinuiranu stijenu. U praksi se često puta uz sidrenje stijenske mase vrši ugradnja armiranog mlaznog betona po konturi iskopa. Treba naglasiti da su mlazni beton i armatura dio sistema armiranja. Svrha mlaznog betona je da stvori kruti omotač radi spriječavanja lokalnog pomaka i rotacije blokova. 7.3.3

Podupiranje stijenske mase (rock support)

Termin “podgrada” (rock support) odnosi se na elemente koji se ugrađuju u iskopanom dijelu radi spriječavanja pomaka granice iskopa. Analizirajmo utjecaj iskopa na stanje naprezanja i pomake konture iskopa za kružni otvor u elastičnom mediju. Iskop stijenske mase za posljedicu ima promjenu primarnog stanja naprezanja u zoni utjecaja iskopa. Izmjenjena naprezanja u zoni utjecaja iskopa obično se nazivaju sekundarnim naprezanjima. Veličina i orijentacija sekundarnih naprezanja ne ovisi o elastičnim konstantama stijene niti o veličini otvora. Međutim, veličina radijalnog pomaka ovisi o polumjeru otvora i o elastičnim konstantama. Pomaci su proporcionalni polumjeru iskopa i obrnuto proporcionalni modulu elastičnosti.

Principi stabiliziranja

15

Startegija stabilizacije može biti temeljena na ograničavanju pomaka sukladno zahtjevima projekta. Karakteristične krivulje na slici XXX prikazuju ovaj odnos za slučajeve linearno-elastičnog, stabilnogneelastičnog i nestabilno-neelastičnog ponašanja stijene. Ako karakteristična krivulja presjeca apscisu dijagrama to znači da će tunel biti stabilan i bez podgrade (pi=0). Točka u kojoj karakteristična krivulja stijene presjeca apscisu, definira maksimalni pomak granice iskopa (radijalni pomak). Ako ovaj pomak zadovoljava kriterije projekta, tunel nije potrebno podgrađivati. U slučaju elastičnog ponašanja stijene, ova vrijednost za većinu inženjerskih problema iznosi 0,1% polumjera tunela što je obično prihvatljivo. U slučaju stabilnog-neelastičnog ponašanja stijene, radijalni pomak pri kome tunel ostaje stabilan i bez podgrade, može biti do 10% polumjera tunela. Ovaj pomak može se tolerirati kod privremenih rudarskih prostorija, ali se ne može tolerirati kod željezničkih tunela za velike brzine vlakova. Ako je pomak granice iskopa veći od dopuštenog, tunel se mora podgrađivati kako bi se pomak ograničio. Jasno je da se tunal mora obavezno podgrađivati u slučaju nestabilnog-neelastičnog ponašanja stijene jer će se tunel bez podgrade zarušiti. Dakle, podgrada se mora koristiti: • •

ako karakteristična krivulja presjeca apscisu a rezultirajući maksimalni pomak konture je veći od dopuštenog, ako karakteristična krivulja stijene ne presjeca apscisu.

Kao što se vidi, oblik karakteristične krivulje ovisi o mehaničkim svojstvima stijene. Što su mehanička svojstva bolja (manja deformabilnost-veća krutost) krivulja će biti strmija i presjeći će apscisu pri manjim maksimalnim pomacima. Tijekom iskopa može doći do poremećenja stijene što će za posljedicu imati povećanje njene deformabilnosti i smanjenje čvrstoće. Na poremećenje stijene utječu: • •

sekundarno stanje naprezanja, primjenjena tehnika iskopa.

Nekada sekundarno stanje naprezanja može premašiti čvrstoću stijene. Ako se primjene neadekvatne tehnike miniranja, inače stabilna stijena, može postati potpuno nestabilna (slika XXX)

16

Inženjerska mehanika stijena

pi=p0

3

1

2 Radijalni pomak u

1-Elastično ponašanje stijene 2-Stabilna stijena neelastična 3-Nestabilna stijena neelastična

Slika 7.11

Radijalni tlak podgrade pi

Radijalni tlak podgrade pi

Kao što je naprijed objašnjeno, armiranjem stijene poboljšavaju se njena mehanička svojstva. To znači da će armiranje utjecati i na oblik karakteristične krivulje stijene (slika xxx).

pi=p0

4 1

3

2

Radijalni pomak u 1-Perfektan iskop 2-Strojni iskop 3-Dobro miniranje 4-Loše miniranje

Karakteristična krivulja stijene u (a) različitim tipovima stijene i (b) u istom tipu stijene sa različitim tehnikama iskopa

17

Radijalni tlak podgrade pi

Principi stabiliziranja

pi=p0 1-Nearmirana stijena 2- Armirana stijena

2

1 Radijalni pomak u

Slika 7.12

Karakteristična krivulja nearmirane i armiranestijene

Ako se podgrada mora ugraditi onda se dobra indikacija njene efikasnosti može dobiti ako se na istom dijagramu nacrta i karakteristična krivulja podgrade. Slika xxx prikazuje popustljivu podgradu koja nakon neke deformacije ima stalnu nosivost (elastično-perfektno plastično ponašanje). Presjecište karakterističnih krivulja stijene i podgrade definira ravnotežno stanje. Od ukupne nosivosti podgrade (Ps) angažirana (mobilizirana) je vrijednost (Psm). Do uravnoteženja, podgrada se radijalno deformira za vrijednost (usm).

Radijalni tlak podgrade pi

pi=p0

Ps Psm

usm

u0

radijalni pomak u

u Slika 7.13

Karakteristična krivulja stijenake mase i karakteristična krivulja podgrade

Slika xxx prikazuje tri podgrade različite radijalne deformabilnosti. Treba obratiti pozornost na popustljivu podgradu (2-na slici xxx). Ova podgrada povećava čvrstoću do nekog iznosa pomaka a nakon toga čvrstoća se ne mjenja sa pomakom. U ovom slučaju vršna čvrstoća podgrade dostignuta je prije nego je došlo do uravnoteženja. Podgrada ovog tipa postiže se ugradnjom hidrauličkih elemenata u

18

Inženjerska mehanika stijena

rudarstvu a u tunelogradnji ugradnjom popustljivih elemenata između elemenata podgrade (popustljive brave kod čeličnih lukova, zazori u betonu ispunjeni deformabilnim materijalom i sl.).

Radijalni tlak podgrade pi

Slika xxx prikazuje neke karakteristične slučajeva koji ilustriraju utjecaj vremna ugradnje podgrade te krutosti podgrade na veličinu mobiliziranog radijalnog naprezanja podgrade.

pi=p0

1-Kruta podgrada 2-Popustljiva podgrada 3-Mekana podgrada

2 3

u0

Slika 7.14

1

radijalni pomak u

Karakteristična krivulja stijenake mase i karakteristične krivulje različitih tipova podgrade

19

Principi stabiliziranja

Radijalni tlak podgrade pi

pi=p0 1-Podgrada ugrađena suviše rano 2-Podgrada ugrađena suviše kasno 3-Prekruta podgrada 4-prefleksibilna podgrada 5-Podgrada optimalne krutosti pravovremeno ugrađena

1

3

2 4

5

radijalni pomak u Slika 7.15

Utjecaj krutosti i tranutka ugradnje podgrade na mobilizirano radijalno naprezanje podgrade

Napredovanje tunela 0,5 do 2,5 D

Stabilan tunel Podgrađeni tunel

D

Nestabilan tunel

u

Slika 7.16

Radijalni pomak desi se i u neiskopanom dijelu tunela

Karakteristične krivulje stijene i podgrade ukazuju na nekoliko značajnih činjenica: 1. Podgrada počne djelovati nakon što se desio radijalni pomak (u0). Ovaj pomak je posljedica tri efekta:

20

Inženjerska mehanika stijena •

Iskop tunela prouzročit će deformiranje i neiskopane stijene ispred čela tunala do udaljenosti 0,5 do 2,5 promjera tunela • Obično se podgrada ugradi na nekoj udaljenosti od čela iskopa što će za posljedicu imati daljnje deformiranje granice iskopa • Podgrada počinje djelovati nakon nekog vremena (beton) ili nakon nekog pomaka (pasivna sidra) 2. Podgradu ne treba ugraditi ni previše rano ni previše kasno (slika xxx) 3. Podgrada ne smije biti ni previše kruta ni previše fleksibilna (slika xxx) 4. Popustljive podgrade su vrlo efikasne Karakteristične krivulje stijene i podgrade na ilustrativan način pokazuju interakciju stijene i podgrade. U praksi nećemo biti u mogućnosti odrediti egzaktan oblik karakteristične krivulje stijene, ali možemo mjeriti pomake granice (radijalne pomake) najčešće kao konvergenciju tunela. Karakteristična krivulja stijene i konvergentna krivulja su povezane jer na različite načine prikazuju isti fenomen. Kod konvergentnih mjerenja, mjeri se promjena razmaka dviju fiksnih točaka na konturi tunela. Na taj način izmjere se samo komponente pomaka u pravcu koji povezuje ove dvije točke i to kao njihov zbroj. Danas su u širokoj uporabi geodetske metode kojima se mjeri vektor prostornog pomaka niza točaka na konturi tunela što daje preciznu i kompletnu sliku deformiranja konture iskopa ili podgrade. Konvergencija se dešava brzo nakon iskopa a usporava se sa približavanjem ravnotežnog stanja podgrade i stijene. Ovo direktno vodi ka metodi opažanja (nekada se naziva Novom Austrijskom tunelskom metodom-NATM) u kojoj se mjerenjma pomaka kontrolira efikasnost ugrađene podgrade. Ako konvergencija pokazuje približavanje ravnotežnom stanju, može se zaključiti da podgrada zadovoljava. Ako konvergencija pokazuje stalni prirast pomaka, podgradu treba pojačavati.

u

ravnotežno stanje

u

u-promjena razmaka dvije fiksne točka na zidovima tunela

Slika 7.17

Vrijeme

Mjerenje konvergencije u tunelu

Slika xxx prikazuje karakterističnu krivulju stijenske mase na dubini od 600 m. Na ovoj dubini djeluju primarna naprezanja u iznosu od 15 MNm-2. Ekonomski opravdana podgrada ne može na sebe preuzeti više od 2 MNm-2. To znači da daleko najveći dio naprezanja na sebe preuzima stijenska masa. Zbog toga je stijenska masa najvažniji element podgrade i njena mehanička svojstva dominantno utječu na stabilnost tunela. Zato treba svim mjerama pokušati sačuvati prirodna svojstva stijenske mase (izbjeći njeno poremećenje).

21

Principi stabiliziranja

Radijalni tlak podgrade pi

pi=p0=15 MN/m2

Stijenska masa

2 MN/m2 Podgrada Radijalni pomak u

Slika 7.18

Odnos naprezanja koja na sebe preuzimaju stijenska masa i podgrada

Sve što je rečeno o karakterističnim krivuljama kontinuirane stijene i podgrade vrijedi i za slučaj podupiranja diskontinuirane stijene. Sa povećanjem stupnja ispucalosti opada čvrstoća stijenske mase i povećava se deformabilnost (smanjuje modul deformabilnosti) što će za posljedicu imati sve položeniju karakterističnu krivulju stijenske mase (slika xxx). Efekt je sličan reduciranju modula deformabilnosti sa povećanjem gustoće diskontinuiteta.

22

Radijalni tlak podgrade pi

Inženjerska mehanika stijena

pi=p0

Povećanje gustoće pukotina

Radijalni pomak u Slika 7.19

Karakteristična krivulja stijenake mase u diskontinuiranoj stijenskoj masi

Na dijagramu sa slike xxx vide se dva granična stanja stijenske mase. Jedno granično stanje odnosi se na idealno elastično ponašenje stijene a drugo na stanje u kojem stijenska masa nema čvrtoće (vodoravna karakteristična krivulja stijenke mase). U oba slučaja radijalni pomak konture iskopa bit će jednak nuli (potpuno spriječeno deformiranje) ako tlak podgrade bude jednak primarnom stanju naprezanja koje je vladalo u stijeni prije iskopa. Naravno da ovo vrijedi i za sve međuslučajeve. Kako se ravnotežno stanje postiže u točkama presjecišta karakterističnih krivulja, jasno je da nema smisla ograničavati pomak na nulu osim u slučaju kada stijenska masa nema čvrstoće. Naime, kada stijena nema čvrstoće, jedino moguće rješenje je da tlak podgrade bude jednak primarnom naprezanju. U svim ostalim slučajevima tlak kojim podgrada mora djelovati na konturi iskopa da bi se postiglo ravnotežno stanje, bit će manji od primarnog naprezanja ako se dopusti radijalni pomak konture iskopa. U praksi se slučaj stijenske mase bez čvrstoće javlja pri izgradnji tunela u potpuno zasićenom tlu sa velikim dotocima vode. U ovim uvjetima iskop tunela moguć je jedino primjenom strojeva za iskop u punom profilu sa zatvorenim štitom ili zamrzavanjem stijenske mase. Postoji i mogućnost konsolidiranja ovakve stijene injektiranjem, ali tada stijenska masa dobiva nova mehanička svojstva te više nije bez čvrstoće. 7.4 Rječnik convergence support

Generally refers to a shortening of the distance between the floor and roof of an opening, for example, in the bedded sedimentary rocks of the coal measures where the roof sags and the floor heaves. Can also apply to the convergence of the walls toward each other Structure or structural feature built into an underground opening for maintaining its stability

7.5 Literatura Brady, B.H.G., Brown; E.T., (1985), Rock Mechanics for Underground Mining, George Allen and Unwin (Publishers) Ltd, 527 (p. 260-291) Harrison, J.P., Hudson, J.P., (2000) Engineering Rock Mechanics, Illustrative Worked Exsamples, Pergamon, 506 (p.247-283)

Hoek, E., Brown, E.T., (1980), Underground excavation in Rock, The Institute of Mining and Metallurgy, London, 527 p.245 Hoek, E., Kaiser, P.K., Bawden, W.F., (1995), Support of Underground Excavations in Hard Rock, Balkeme, 215 p.99 O.K.

Principi stabiliziranja

23

Hoek, E., Rock Engineering (a course) http://www.rocscience.com/ Hudson, J.A. and Harrison J.P.,1997, Engineering Rock Mechanics, An introduction to the principles, Pergamon, 444 (p.267-287) NATM, Summercourse July2-July 8, 1998, IACES Bureau of Vienna, University of technology Vienna, International Association of Civil Engineering Students

Ivan Vrkljan

8. Tehnike stabiliziranja Prikazani su elementi armiranja i podupiranja koji se primjenjuju u procesu stabiliziranja stijenske mase

Podzemne građevine i tuneli

2

8 Tehnike stabiliziranja 8.1

Uvod

Pojava mlaznog betona kao i nove tehnike sidrenja, revolucionarno su promijenile tehnike građenja podzemnih objekata. Iskop željezničkih tunela u Alpama krajem 19 i početkom 20 stoljeća pogodavalo je stvaranju nove filozofije u tunelogradnji koja se često naziva Novom Austrijskom Tunelskom Metodom (NATM).

8.2

Primarna i sekundarna podgrada tunela

Termin podgrada (support) često se koristi za opis procedura i materijala koje se koriste za poboljšanje stabilnosti i održavanje samonosivosti stijenske mase u blizini granica podzemnog iskopa. Primarna svrha podgrađivanja je mobilizacija i konzerviranje čvrstoće stijenske mase tako da ona postane samonosiva (self-supporting). Bilo bi korektnije procedure i materijali korištene u ovom slučaju opisati kao armiranje (reinforcement). Termin podgrada (support) tada može biti rezerviran za slučajeve kada je stijenska masa stvarno poduprta (supported) konstruktivnim elementima koji podnose, u cjelini ili djelomično, težinu individualnih stijenskih blokova izdvojenih diskontinuitetima ili zone razrahljene stijene. Primarna podgrada ili armiranje (primary support or reinforcement) primjenjuje se za vrijeme ili odmah nakon iskopa kako bi se osigurali sigurni radni uvjeti tijekom kasnijeg iskopa, i inicirao proces mobiliziranja i konzervacije čvrstoće stijenske mase na način da se kontrolira pomak granica iskopa. Primarna podgrada ili armiranje predstavlja jedan dio ukupne pdgrade ili armiranja koje je potrebno (nekada primarna podgrada ili armiranje u cjelosti predstavlja ukupnu podgradu). Svaka dodatna podgrada ili armiranje primjenjena u kasnijoj fazi naziva se sekundarnom. U rudarstvu se podgrada nekada djeli na privremenu (temporary) i stalnu (permanent). Često se privremena podgrada, djelomični ili u cjelosti, uklanja prije ugradnje stalne podgrade.

3

Tehnike stabiliziranja

Armiranje (reinforcement) Stabilizacijske sile djeluju unutar stijenske mase

Slika 8.1

Podupiranje (support) Elementi konstrukcije direktno djeluju vanjskim silama na stijensku masu

Principi armiranja stijene (rock reinforcement) i podupiranja stijene (rock support)

U njemačkom govornom području pod primarnom se podgradom podrazumjevaju svi ugrađeni elementi koji stabiliziraju tunel (sidra, mlazni beton, čelični lukovi i sl.). Nakon postavljanja hidroizolacije tunela, ugrađuje se sekundarna betonska obloga (nearmirana ili armirana). Ova je terminologija usvojena i kod nas te će se u nastavku pod primarnom i sekundarnom podgradom podrazumjevati ovi elementi tunela. Primarna podgrada ili armiranje, najčešće sadrže sljedeće konstruktivne elemenate: • • • • • •

stijenska sidra (aktivna i pasivna), kablove, armirani mlazni beton, čelične lukove (punog profila ili rešetkaste), cijevni kišobran (piperoof), beton u izrezanim zarezima.

Sekundarna podgrada, najčešće sadrži sljedeće konstruktivne elemente: • • • •

armirani ili nearmirani beton, prefabricirane betonske elemente, čelične segmente, dodatno armiranje.

4

Podzemne građevine i tuneli Sekundarna podgrada ima više funkcija:

• • •

pridržava hidroizolaciju, daje tunelu aerodinamički profil, preuzima dio naprezanja stijenske mase u slučaju kada se procjeni da primarna podgrada neće u potpunosti stabilizirati stijensku masu.

Postoje slučajevi kada se ne može upotrijebiti primarna podgrada već se ugrađuje jedinstvena podgrada koja ima funkciju i primarne i sekundarne podgrade. Ovaj slučaj se javlja kada se iskop vrši u materijalima sa izrazito niskom čvrstoćom koji se ne mogu stabilizirati osim podgradom koja na sebe preuzima ukupna opterećenja (ukupna primarna naprezanja). Obično se u ovim slučajevima koristi podgrada od prefabriciranih elemeneta a nekada se koristi i podgrada od betona koji su ugrađuje na licu mjesta. Terminologija koja se koristi za opis elemenata podgrade i armiranja nije jedinstvena. Tako Hoek (2003) pod terminom rockbolt podrazumjeva mehanička prednapregnuta sidra dok za injektirana pasivna sidra koristi termin-dowel. S druge strane Stillborg (1994) pod terminom rockbolt podrazumjeva sve tipove pasivnih i aktivnih sidara (sa mehaničkim usidrenjem, injektirana i frikcijska).

Primarna podgrada ili armiranje: • sidra • mlazni beton

Slika 7.2

Sekundarna podgrada: • beton (nearmiran ili armiran)

Primarna pdgrada ili armiranje i sekundarna podgrada

Tehnike stabiliziranja

8.3

5

Stijenska sidra i kablovi

Armiranje stijenske mase sidrima i kablovima najefikasniji je i najekonomičniji način za podgrađivanje iskopa u rudarstvu i građevinarstvu. Koristi se za kontrolu svih tipova nestabilnosti izuzev u ekstremno slabom i mekanom tlu. Stijensko sidro (rock bolt)-element za armiranje obično formiran od punog ili cjevnog čeličnog profila koji se ugrađuje u stijensku mase sa ili bez prednaprezanja. Kablovi (cablebolts)-element za armiranje obično formiran od čeličnih žica koji se ugrađuje u stijensku masu sa ili bez prednaprezanja. Prednosti stijenskih sidara: • • • • • •

mogu se koristiti kod bilo koje geometrije iskopa, jednostavno i brzo se ugrađuju, relativno jeftina, ugradnja može biti potpuno mehanizirana, raspored i duljina mogu se tijekom ugradnje mjenjati ovisno o lokalnim prilikama, jednostavno se kombinbiraju s drugim načinima podgrađivanja (mlazni beton, čelična pletiva, betonske obloge i dr.).

Klasifikacija stijenskih sidara: Ovisno o tome dali se isdro tijekom ugradnje prednapinje ili ne, razlikujemo: • aktivna (prednapregnuta), • pasivna (neprednapregnuta).

T

Aktivno sidro

Slika 8.3

Aktivno i pasivno sidro

Prema načinu prijenosa sile sa sidra na stijensku masu i obrnuto, razlikuje se: • • •

sidra s mehaničkim usidrenjem, injektirana sidra, sidra koja nose trenjem (frikcijska).

Pasivno sidro

6

Podzemne građevine i tuneli

dijelovi sidra: • • • •

Slika 8.4

sidrena šipka podložna pločica zglob navrtka

Dijelovi stijenskog sidra

Sidra s mehaničkim usidrenjem Rotacijom sidrene šipke konusni dio na kraju sidra se širi pritiskajući zid bušotine. Konusni dio je nazubljen i, ako tvrdoća stijene dopusti, izbočeni dijelovi se utiskuju u stijenu. Na taj se način mobilizira posmična čvrstoća kontakta čelika sidra i stijene.

Ekspanzijska glava

Kuglasti zglob Navrtka

Slika 8.5

Sidrena šipka

Podložna pločica

Sidro s mehaničkim usidrenjem (Stillobrg, 1994)

Ovaj tip sidra se ne preporučuje u vrlo tvrdoj stijenskoj masi. Ako se koriste kao trajni sitem armiranja moraju nakon ugradnje biti injektirana radi zaštite od korozije. Prednosti sidara s mehaničkim usidrenjem: • jeftina • djeluju odmah nakon ugradnje • koriste se u srednje tvrdoj i tvrdoj stijenskoj masi

Nedostaci sidara s mehaničkim usidrenjem: • ograničena uporaba u vrlo tvrdoj stijeni • mogu izgubiti efikasnost armiranja usljed vibracija izazvanih miniranjem

7

Tehnike stabiliziranja Injektirana sidra

Injekcijska smjesa Sidrena šipka Navrtka Podložna pločica

Slika 8.6

Injektirano sidro (Stillobrg, 1994)

Sidra se injektiraju smjesom na bazi cementa ili ljepilima na bazi epoksija. Prednosti injekcijske smjese na bazi cementa: • efikasna su u vrlo tvrdoj stijenskoj masi Nedostaci injekcijske smjese na bazi cementa: • punu nosivost postiže nakon nekoliko dana, • teško je kontrolirati i zadržati kvalitet injekcijske smjese, • ne mogu se koristiti u bušotinama u koje dotiče voda, • prednaprezanje je moguće samo u slučaju primjene specijalne procedure. Prednosti injekcijske smjese na bazi epoksija: • efikasna su u vrlo tvrdoj stijenskoj masi, • djeluju odmah nakon ugradnje, • jednostavniji je postupak prednaprezanja u odnosu na cementnu injekcijsku smjesu. Nedostaci injekcijske smjese na bazi epoksija: • bušotina mora biti točnih dimenzija kako bi mješanje komponenti bilo uspješno i kako bi se postigla dobra popunjenost prostora između šipke i stijene, • ograničeno vrijema uporabe ljepila, • uvjeti u podzemlju mogu loše djelovati na postojanost ljepila.

8

Podzemne građevine i tuneli

Injekcijska smjesa

Dvostruki čelični kabl

Slika 8.7

Injektirani kabl (Stillobrg, 1994)

Samobušaća injektirana sidra Kod ovih sidara sidrena šipka je ujedno i bušaća šipka. Nakon završenog bušenja se kroz sidrenu šipku izvrši injektiranje prostora između šipke i stijenke bušotine. Primjenjuju se u teškim geološkim uvjetima kada se ne može ostvariti stabilnost bušotine.

Slika 8.8

Samobušaće sidro

Tehnike stabiliziranja

9

Hoek (2003) prikazuje istraživanja ovisnosti čvrstoće i deformabilnosti injekcijske smjese i vodocementnog faktora (težinski odnos vode i cementa) Hyett-a i drugih. Istraživanja pokazuju pad čvrstoće i deformabilnosti s povećanjem vodocementnog faktora.

Slika 8.9

Odnos vodocementnog faktora i srednje jednoosne tlačne čvrstoće i deformacijskog modula injekcijske smjese nakon 28 dana (Portland cement) (Hoek, 2003).

Slika 8.10 prikazuje kriterije čvrstoće iste injekcijske smjese.

Slika 8.10

Anvelope Mohrovih krugova za vršnu čvrstoću injekcijske smjese različitih vodocementnih faktore (nakon 28 dana) (Hoek, 2003.)

10

Podzemne građevine i tuneli

Sidra koja nose na trenje (frikcijska sidra) Danas se uglavnom koriste dva tipa frikcijskih sidara: • •

split set sidra, swellex sidra.

Razrezana elastična čelična cijev

Glava sidra

Slika 8.11

Frikcijsko split set sidro (Stillobrg, 1994)

Prednosti split set sidara: • • • •

jednostavna ugradnja, djeluju odmah nakon ugradnje, jednostavna oprema za ugradnju, lagana primjena žičanog pletiva.

Nedostaci split set sidara: • • • •

relativno skupa, bušotina mora imati točan promjer, teškoće pri ugradnji duljih sidara, ne mogu se koristiti kao trajna sidra bez posebne antikorozione zaštite.

11

Tehnike stabiliziranja

Ekspandirajuća čelična cijev

Glava sidra

Slika 8.12

Frikcijsko swellex sidro (Stillobrg, 1994)

Prednosti swellex sidara: • • • • •

jednostavna ugradnja, djeluju odmah nakon ugradnje, mogu se koristiiti u različitim stijenskim masama, jednostavna oprema za ugradnju, lagana primjena žičanog pletiva.

Nedostaci swellex sidara: • • •

relativno skupa, ne mogu se koristiti kao trajna bez posebne antikorozione zaštite, potreba za visokotlačnom pumpom.

Podzemne građevine i tuneli

12

Radijalni tlak ppodgrade pi

Popustljiva sidra Ako se očekuju veći radijalni pomaci konture tunela ugrađuje se tzv. popustljiva podgrada. Sidra se također mogu izvesti s popustljivom glavom koja dopušta pomake do 20 cm. Sidro kod graničnog opterećenja popusti i održava nosivost tijekom pomaka glave sidra.

karakteristična krivulja stijenske mase

karakteristična krivulja sidra

Radijalni pomak u

Slika 8.13

Popustljivo sidro

Slika 8.14

Sidra i mlazni beton

13

Tehnike stabiliziranja 8.4

Mlazni beton

Prvi stroj za prskanje suhog materijala koristio je Carl Ethan Akeley za prskanje žičane oplate kod proizvodnje modela životinja (Pennsylvanija1907). Projekt je kasnije (1915) razvila Cement Gun Company proizvodnjom stroja s jednom i dvije komore na bazi ranijih projekata. U Sjedinjenim Američkim Državama je 1950. razvijen rotirajući bubanj koji je kasnije poboljšan od strane švicarskih kompanija, Meynadir-Intradym i Aliva. Originalni proces prskanja suhe mješavine dobio je ime “gunite”. Ranih 1930’ American Railway Engineering Association uvodi termin “shotcrete” za opis “gunite” procesa. America concrete institute (ACI) usvaja termin “shotcrete” za opis suhog postupka a 1966. usvaja ovaj termin za sve pneumatski primjenjene žbuke i betone (suhi i mokri postupak). ACI 506R-85 definira mlazni beton (shotcrete) kao žbuku ili beton pneumatski nabačen velikom brzinom na površinu. Termin mlazni beton (shotcrete) odnosi se i na suhi i na vlažni postupak Dvije su osnovne tehnike ugradnje mlaznog betona: • •

suhi postupak mokri postupak

Suhi postupak Kod suhog se postupka suha mješavina cementa i agregata dovodi na mlaznicu zračnim transportom. Na mlaznici se mješavini agregata i cementa dodaju voda i aditivi. Energiju prskanja daje zrak kojim se agregat i cement transportiraju od stroja za doziranje do mlaznice. • •

Voda Suha mješavina

•

•

Slika 8.15

Mlaznica kod suhog postupka

Napravi se suha mješavina pijeska, agregata i cementa Suha mješavina se istresa u stroj (dray shotcreting machine). Stroj dozira suhu mješavinu koja se zračnim transportom velikom brzinom dovodi na mjesto ugradnje. Vlažnost pijeska i agregata treba biti 36%. Ako je smjesa suha, javlja se problem prašine. Veća vlažnost od 6 % može izazvati začepljenje cijevi. Voda se mješavini dodaje na mlaznici.

14

Podzemne građevine i tuneli

Mokri postupak Kod mokrog se postupka mješavina agregata, cementa i vode napravi u mješalici za beton i ako gotov beton se gumenim crijevima dovodi na mlaznicu zračnim transportom ili pumpama za beton. Energiju prskanja daje zrak kojim se transportira gotov beton do mlaznice. Ako se koriste betonske pumpe, energiju prskanja daje komprimirani zrak koji se dodaje na mlaznici.

Aditiv Koriste se dvije osnovne tehnike: • •

Beton Komprimirani zrak

Slika 8.16

Mlaznica kod mokrog postupka

Kut prskanja

Ispravno Neispravno

Ekstremni odskok

Slika 8.17

Visoki odskok

Pravila ispravnog prskanja mlaznog betona

Niski odskok

vlažna mješavina se dovodi na mjesto ugradnje zračnim transportom vlažna mješavina se dovodi na mjesto ugradnje pumpama za beton

15

Tehnike stabiliziranja

Armiranje mlazneg betona Primarna podgrada se aktivira tek nakon određene deformacije tunelskog otvora. Zbog toga podgrada mora biti duktilna (ductile). Nearmirani mlazni beton je krti materijal i njegovo deformiranje za posljedicu ima krti lom (nagli gubitak čvrstoće). Da bi se poboljšala prilagodljivost mlaznog betona deformacijama tunelskog otvora, on se mora armirati. σ Armirani beton Duktilni materijal (ductile)

Nearmirani beton Krti materijal (brittle)

ε

Slika 8.18

Ponašanje armiranog i nearmiranog betona

Mlazni beton armiran žičanim pletivom ili varenim čeličnim mrežama Uobičajeno se mlazni beton armira varenim čeličnim mrežama (weld mesh) i žičanim pletivom (chainlink mesh).

Slika 8.19

Varena čelična mreža i žičano pletivo

Podzemne građevine i tuneli

16

Prednosti žičanih pletiva: • lagano se prilagođivaju neravnoj površini iskopa, pa je potrošnja betona manja Nedostataci žičanih pletiva: • beton teško prolazi kroz mrežu pa je slab kontakt betona i stijene, • deformiraju se pod težinom svježeg betona. Prednosti varenih mreža: • općenito su idealne za armiranje mlaznog betona, • beton bez problema prolazi kroz njih tako da se ostvaruje dobar kontakt sa stijenom. Nedostataci varenih mreža: • teško se prilagođivaju neravnoj površini iskopa pa je potrošnja betona veća Mikroarmirani mlazni beton Klasično se mlazni beton armira s armaturnim mrežama (varenim ili pletenim). Ranih 70’ rade se prvi pokusi s armiranjem betona čeličnim vlaknima (sfrs- steel fibre reinforced concrete). Od tada se mikroarmirani beton koristi i u podzemlju i na površini kao zamjena za čelične varene mreže i žičana pletiva. Mikrovlakna mogu biti i plastična (polipropilenska). Za ugradnju mikroarmiranog mlaznog betona koriste se i suhi i mokri postupak.

Slika 8.20

Čelična mikrovlakna i beton pripremljen za ugradnju

17

Tehnike stabiliziranja

Tablica xxx Usporedba suhog i mokrog postupka Faktor Oprema

Suhi postupak

Mokri postupak

Manja investicija

Manje opreme na terenu

Relativno jednostavno održavanje

Do 60% manja potrošnja zraka

Spravlja se na licu mjesta ili u betonari Mješavina

U uvjetima visoke vlažnosti ne može se daleko transportirati

Mješanje u betonari Prihvatljiv vlažan agregat

Ne može se koristiti vlažan agregat Kapacitet

Rijetko pređe 5 m3 na sat

2-10 m3 na sat uz uprabu ručnih mlaznica

Odskok

15-40% od vertikalnog zida 20-50% iz kalote

Manji odskok. s korektnom mješavinom. može biti manji od 10%

Visoka čvrstoća zbog malog vodocementnog faktora

Teško se postižu visoke čvrstoće zbog visokog vodocementnog faktora

Kvalitet

Lošija homogenost kvalitete

Kvaliteta homogenija

Brzina prskanja

Visoka: bolja adhezija; lakše se nanosi na kalotu

Općenito adekvatna za podzemne radove

Aditivi

Prašinasti, dodaju se suhoj mješavini

Općenito su tečni

Prašina

Puno prašine. može se smanjiti uporabom polumokrog postupka (5-15% vlage)

Vrlo malo prašine. Dobra vidljivost Ne postoji problem laminacije zbog prašine

Godar-E-Landar u Iranu (1993)

Slika 8.222

Ugradnja mlaznog betona u tunelu i na kosini

Na koji će način mlazni beton sudjeluje u stabiliziranju stijenske mase (kao elemenat armiranja ili kao elemenat podgrađivanja) ovisi o njegovoj debljini. Tanka ljuska nearmiranog mlaznog betona (naprimjer

18

Podzemne građevine i tuneli

100 mm) nije sposobna preuzeti velika radijalna opterećenja bez loma te ne može imati ulogu konstruktivnog elementa podgrađivanja (structural support). Međutim , ona će spriječiti pokretanje manjih blokova u iskop te tako dovesti stijensku masu u stanje prostornog naprezanja. Kako stijenska masa u troosnom stanju naprezanja ima znatno veću čvrstoću od one u jednoosnom, malzni beton će efektivno povećati čvrstoću stijenske mase. Na taj će način mlazni beton postati elementom armiranja stijenske mase (reinforcement). Da bi mlazni beton imao funkciju podgradnog elementa (structural support) morao bi imati odgovarajuću debljinu. Djelovanje sustava za armiranje koji se sastoji o stijenskih sidara i ljuske mlaznog betona je koncepcijski analogno djelovanju žbica na kotaču bicikla. Kada biciklist optereti kotač, silu koja je posljedica njegove težine preuzimaju samo vlačno opterećene žbice (žbice iznad osovine kotača). Tanke žbice ne mogu preuzeti bilo koje tlačno naprezanje. Alternativa je kotač sa žbicama koje imaju značajnu tlačnu čvrstoću, kao što je to slučaj kod teretnih vozila (u ovom slučaju opterećenje prezimaju žbice ispod osovine koatča). U ovom slučaju kotač teretnih vozila analogan je teškoj betonskoj oblozi koja djeluje kao podgrada (support). .

Armiranje stijenske mase: • sidra (opterećena vlačno) • mlazni beton

Slika 8.23

Podupiranje (support): • teška betonska obloga (opterećena

Analogija armiranja (reinforcement) i podupiranja (support) sa kotačima bicikla i teškog vozila

19

Tehnike stabiliziranja 8.5

Čelični lukovi

Čelični lukovi (steel arches or steel sets) se koriste u teškim geološkim uvjetima kada je potrebno postići veliku nosivost podgrade. Segmenti luka povezani su bravama u cjeloviti luk koji prati konturu iskopa. Brave se mogu izvesti kao popustljive što će za posljedicu imati duktilno ponašanje luka. Čelični se lukovi izvode kao: • •

čelični nosači različitih poprečnih presjeka (U, I, zvonasti i sl.) (puni profil), rešetkasti čelični lukovi (.

Puni čelični profili kod većih tunela (kao što su cestovni, željeznički i sl.) ne mogu se smatrati elementom podgrade koja podupire tunel. Zbo svoje vitkosti, ove lukove treba smatrati jednim elementom u sustavu koji čine: armirani mlazni beton i sidara.

Radijalni tlak ppodgrade pi

Rešetkasti čelični lukovi ispunjeni mlaznim betonom, imaju znatno veći poprečni presjek pa im je i nosivost veća od čeličnih lukova punog profila.

Slika 8.24

karakteristična krivulja stijenske mase

karakteristična krivulja popustljive podgrade

Radijalni pomak u

Zazori u mlaznom betonu i popustljive brave na čeličnim lukovima

20

Podzemne građevine i tuneli

Vereina Nord, Švicarsaka, Željeznicki tunel. L=19.052 m, Nadsloj 1200 m

Slika 8.25

Puni i rešetkasti čelični lukovi

Rešetkasti čelični lukovi Javorova Kosa, 2000.

Tehnike stabiliziranja

8.6

21

Cjevni kišobran

Cijevni se kišobran ugrađuje u neiskopani dio tunela te se tako oblikuje zaštitna kupola prije iskopa tunela. Ovisno o geotehničkim uvjetima i stupnju rizika u odnosu na dopušteno slijeganje površine terena, primjenjuju se različite tehnike formiranja kišobrana: kišobran formiraju čelične cijevi kroz koje se injektira stijenska masa u okolini cijevi (spiling method), pobijanjem cijevi velikog promjera ili iskopom niza mikrotunela (pipe roof method), kišobran se oblikuje jet-grouting postupkom.

Napredovanje iskopa

Čelične cijevi promjera 80-200 mm neiskopani dio tunela

Slika 8.26

Iskop pod zaštitom cijevnog kišobrana

22

Podzemne građevine i tuneli

Tunel Sv. Marko

Slika 8.27

Ugradnja cijevnog kišobrana u tunelu Sv. Marko (autocesta Rijeka-Zagreb)

23

Tehnike stabiliziranja

8.7

Prekoprofilski iskop

U teškim geotehničkim uvjetima mogu se očekivati veliki radijalni pomaci tunela te postoji opasnost da primarna podgrada (mlazni beton) uđe u prostor koji je predviđen za sekundarnu betonsku oblogu. Da se to nebi desilo, često se promjer iskopa tunela povećava za očekivani radijalni pomak. Ovim pomacima treba prilagoditi konstrukciju sidara i armiranog mlaznog betona. Slika 8.28 prikazuje sidro sa popustljivom glavom. U mlaznom se betonu ostavljaju uzdužni prorzi koji se zatvaraju tijekom radijalog deformiranja tunela.

u Sekundarna podgrada

Svijetli profil tunela

Slika 8.28

Planirani prekoprofilski iskop koji dopušta radijalni pomak podgrade (u)

Slika 8.29 prikazuje projektirani prekoprofilski iskop od 70 cm u tunelu St. Gothard (Švicarska).

24

Podzemne građevine i tuneli

Sidra 12 m 24 kom/m’

Čelični lukovi TH 44/70 na razmaku 0,33 m Mlazni beton 0,55 m Prekoprofilski iskop 0,70 m

GOTHARD BASE TUNNEL

• Željeznički tunel • Nova alpska transverzala • Duljina tunela: 57 km

Beton 1,20 m

Svijetli profil tunela

Slika 8.29

8.8

Podgrada u tunelu St. Gothard prilagođena očekivanom pomaku od 70 cm

Rječnik

Forepoling- Driving forepoles (pointed boards or steel rods) ahead of the excavation, usually over the last set erected, to furnish temporary overhead protection while installing the next set Support-Structure or structural feature built into an underground opening for maintaining its stability (ISRM, 1975). Primary lining-The lining first placed inside a tunnel or shaft, usually used to support the excavation. The primary lining may be of wood or steel sets with steel or wood lagging or rock bolts and shotcrete (ISRM, 1975). Secondary lining-The second-placed, or permanent, structural lining of a tunnel which may be of concrete, steel or masonry (ISRM, 1975). Ground-arch-The theoretical stable rock arch that develops some distance back from the surface of the opening and supports the opening(ISRM, 1975). Yielding arch-Type of support of arch shape the joints of which deform plastically beyond a certain critical load, i.e., continue to deform without increasing their resistance (ISRM, 1975). Armiranje stijenske mase (rock reinforcement)-Ugradnja stijenskih sidara ili kablova u stijensku masu kako bi joj se povećala krutost i čvrstoća što će joj omogućiti “samonosivost” Podupiranje stijene (rock support) Postavljanje elemenata konstrukcije na konturi iskopa koji će spriječiti (ograničiti) pomake stijenske mase u iskop (betonska obloga, čelični lukovi i drugi tipovi konstrukcija u tunelogradnji) Rock anchor-A steel rod or cable installed in a hole in rock; in principle same as rock bolt, but generally used for rods longer than about four meters (ISRM, 1975). Rock bolt-A steel rod placed in a hole drilled in rock used to tie the rock together. One end of the rod is firmly anchored in the hole by means of a mechanical device and/or grout, and the threaded projecting end is equipped with a nut and plate which bears against the rock surface. The rod can be pretensioned (ISRM, 1975).

Rockbolts generally consist of plain steel rods with a mechanical anchor at one end and a face plate and nut at the other. They are always tensioned after installation (Hoek, 2003)

Tehnike stabiliziranja

25

Dowels or anchor bars generally consist of deformed steel bars which are grouted into the rock. Tensioning is not possible and the load in the dowels is generated bymovements in the rock mass (Hoek, 2003). Groutable rock bolts—rock bolts with hollow cores or with tubes adapted to the periphery of the bolts and extending to the bottom of the bolts to facilitate filling the holes surrounding the bolts with grout (ASTM D 653). 8.9

Literatura

Vandewale, M., (1990), Tunnelling the World, N.V.Bekaret S.A, 229 p. Stillobrg, B., (1994) Rock Bolting, Second edition, Trans Tech Publications, 145 p. Brady, B.H.G., Brown; E.T., (1985), Rock Mechanics for Underground Mining, George Allen and Unwin (Publishers) Ltd, 527 (p. 260-291) Hoek, E., (2003) Rock Engineering (a course) http://www.rocscience.com/

Normiranje Europske norme: • • • •

EN 1537 Execution of special geotechnical work-Ground anchors EN 1538 Execution of special geotechnical work-Diaphragm walls prEN 12715 Final draft Execution of special geotechnical work-Grouting prEN 12716 Execution of special geotechnical work-Jet Grouting

Britanske norme: • BS 8081 : 1989 Ground anchorages

Ivan Vrkljan

9. Pristupne zone i portali tunela Ukazano je na potrebu kvalitetnog arhitektonskog oblikovanja pristupnih zona i portala tunela kako bi se zaštitio krajobraz

Podzemne građevine i tuneli

9 Pristupne zone i portali tunela 9.1

Uvod

Pristupne zone i portali tunela su bitni elementi svakog tunela. U prošlosti se ovim elementima poklanjalo puno više pažnje nego što se to danas radi. Pored zahtjeva za stabilnost (stabilnost kosina zasjeka i usjeka te konstrukcije portala), pristupne zone i portali moraju zadovoljiti i estetske kriterije koji su vrlo bitni s aspekta očuvanja okoliša te stvaranju pozitivnih iskustava vozača. 9.2

Zona pristupa tunelu

Zona pristupa tunelu podrazumjeva ukupno područje koje je zahvaćeno iskopom. To uključuje zasjecanja i usjecanja u tlo i/ili stijensku masu, vegetaciju, ulaz u tunel (tunnel entrance), portale (portals), zidove i drugo. Zona pristupa treba biti locirana i projektirana na način da doprinese pozitivnim iskustvima vozača. Tunel treba biti lociran tako da pristupna zona minimalno zadire u krajobraz. Pristupna zona može biti locirana i projektirana prema dva principa: • •

građevina može biti integrirana u postojeći krajobraz, konstrukcija sadrži pozitivni vizualni kontrast u odnosu na krajobraz.

U većini slučajeva «pozitivni kontrast» podrazumjeva projektiranje pristupne zone na bazi arhitektonske teme koja je u pozitivnom kontrastu s općim krajobrazom i koja neće kamuflirati ili učiniti sekundarnim prirodni krajobraz ulaza u tunel. Projekt iskopa u pristupnoj zoni treba imati: • • •

dobro arhitektonsko rješenje, dobre izvedbene detalje, matrijal koji će zadržati kvalitet tijekom vremena.

Primjer pozitivnog vizualnog uklapanja pristupne zone tunela u prirodni krajobraz prikazan je na slici 8.1.

Slika 8.1 Pristupna zona tunelu Sv. Marko na autocesti Rijeka Zagreb. Primjer pozitivnog vizualnog uklapanja portala tunela u prirodni krajobraz

2

Pristupne zone i portali tunela

Slika 8.2 Primjer pozitivnog vizualnog kontrasta konstrukcije u odnosu na krajobraz. Portal tunela Mont Blanc na talijanskoj strani Primjer negativnog vizualnog uklapanja pristupne zone tunela u prirodni krajobraz prikazan je na slici 8.3.

Slika 8.3 Primjer negativnog vizualnog uklapanja pristupne zone tunela u prirodni krajobraz (tunel Vrata na autocesti Rijeka-Zagreb) 9.3

Portali tunala

Portal je površinski ulaz u tunel (ISRM, 1975). Praktična funkcija tunelskog portala je zaštita prometnice od odrona i klizanja kao i leda, snijega i vode. Tunel može biti izgrađen i bez betonskih portala kada je lice stijene suho i stabilno a površinska voda nije problem. Estetska funkcija tunelskog portala je da osigura prijelaz sa otvorenog krajobraza u tunel. Projekt tunela mora biti usklađen kako s generalnim svojstvima krajobraza tako i s poprečnim presjekom tunela. Projekt portala mora kombinirati estetiku i sigurnost prometa.

3

Podzemne građevine i tuneli Nekada se izgledu portalnih građevina poklanjalo puno više pažnje negos što se to danas čini. Izgled portalne građevine može blagotvorno djelovati na ljude koji osjećaju strah od prolaza tunelom što je bitno za sigurnost prometa.

Slika 8.4 Južni portal tunela-Frejus (ISRM News Journal, Vol. 5. No.3) i portal tunela Debeljak na pruzi Zadar-Knin Iskusni tunelograditelji procjenjuju da podzemni iskop ne može biti bez podgrade ako nadsloj nije veći od 1,5 raspona prostorije. Ovo je tipična situacija kod portala većine tunela kao i kod izgradnje prometnih tunela u gradovima. . To je razlog što se u najvećem broju slučajeva rade predusjeci tunela kako bi se tunel čim lakše i sigurnije započeo. Nekada ti predusjeci ostaju što je loše s aspekta očuvanja okoliša (slika 8.4).

Slika 8.5 Portal tunela Škurinje 1 u Rijeci s predusjekom Bolje je rješenje “izvlačenje” tunelske cijevi u predusjek te njeno zatrpavanje kako bi se dobila originalna konfiguracija terena. 9.3.1

Stabilnost portalnih kosina

Posebnu pažnju treba obratiti na probleme koji mogu nastati zbog nestabilnosti portalnih kosina. • •

nestabilni portalni pokosi mogu ugroziti stabilnost tunela tijekom gradnje i eksploatacije nestabilni portalni pokosi ugrožavaju sigurnost prometa kod prometnih tunela a kod drugih funkcionalnost objekta

4

Pristupne zone i portali tunela

Slika 8.6 Nestabilnost portalnih kosina i moguće mjere sanacije (sidrenje) Stabilnsot portalnih kosina kontrolira se postupcima koji su razvijeni općenito za kosine bilo koje namjene. Kod analize stabilnosti kosine koju probija tunelska cijev, treba voditi računa o interakciji tunela i kosine.

Slika 8.7 Potporna građevina od bušenih pilota i geotehničkih sidara za stabilizaciju portalnih kosina tunela Trojane (Slovenija) 9.4 portal 9.5

Rječnik The surface entrance to a tunnel (ISRM) Literatura

Norwegian Public Roads Administration, 2003, Road Tunnels, Manual 021

5

Ivan Vrkljan

10. Građenje tunela u teškim geotehničkim uvjetima Sve češće se podzemni prostori grade u teškim geotehničkim uvjetima. Naročito se često teški uvjeti građenja susreću pri gradnji podzemnih prostora u gradovima gdje su oni redovito smješteni plitko ispod površine a njihova gradnja ne smije ugroziti stabilnost postojećih građevina.

Podzemne građevine i tuneli

10

Građenje tunela u teškim geotehničkim uvjetima

10.1 Uvod U ovom poglavlju opisane su metode građenja tunela u teškim geotehničkim uvjetima klasičnim metodama iskopa. Pod klasičnim (tradicionalnim) metodama iskopa podrazumijeva se iskop miniranjem, bagerima i slično. Alternativa klasičnim metodama iskopa je iskop strojevima (strojevima s pokretnom glavom ili strojevima za iskop tunela u punom profilu). Ako se tunel kopa klasičnim metodama iskopa, teški geotehnički uvjeti posljedica su jednog ili više čimbenika: loša mehanička svojstva stijenske mase (niska čvrstoća, velika deformabilnost), visoka prirodna naprezanja u odnosu na čvrstoću stijenske mase što za posljedicu ima pojavu gnječenja (squeezing), mali nadsloj (plitki tuneli) u slaboj stijenskoj masi što može dovesti do urušavanja tunela sve do površine terena, stijene koje bubre mogu dodatno opteretiti podgradu i prouzročiti njen lom ili nedopustivo velike deformacije, visoki tlak i tečenje podzemne vode može ugroziti stabilnost tunela, podzemna erozija i slijeganje (erozija-otapanje (gipsa, soli i slično) ili slijeganje terena zbog podzemnog rudarenja). Nepovoljna strukturna geologija (orijentacija i svojstva diskontinuiteta) otežava uvjete građenja u svakom od naprijed navedenih slučajeva. Ako se tunel kopa u stijenskoj masi loših mehaničkih svojstava primjenjuje se jadan od ovih pristupa: poboljšanje stijenske mase (privremeno ili stalno), trebaju se koristiti metode građenja prilagođene stijenskoj masi i ostalim uvjetima u tlu (prirodno naponsko stanje, dubina tunela i slično). Često se koristi kombinacija ova dva pristupa. 10.2 Tehnike poboljšanja uvjeta građenja Poboljšanje stijenske mase u kojoj treba izgraditi tunel obično se izvodi slijedećim tehnikama: konsolidacijsko injektiranje stijenske mase (trajno poboljšanje), zamrzavanje stijenske mase tijekom građenja (privremeno poboljšanje), dreniranje stijenske mase ukoliko se očekuju veći dotoci vode. 10.2.1 Dreniranje stijenske mase U većini slučajeva voda ne predstavlja ozbiljan problem pri građenju tunela. Kada istraživanja pokažu da stijenska masa sadrži veće količine vode koje mogu ugroziti stabilnost iskopa, pristupa se njenom dreniranju prije iskopa. Kod plićih tunala, dreniranje se može vršiti s površine izvedbom drenažnih bunara. Kod dubokih tunela, dreniranje se izvodi bušenjem drenažnih bušotina u čelu tunela ili iskopom drenažnog tunela (slika 10.1).

2

Građenje tunela u teškim geotehničkim uvjetima

3

Drenažne bušotine Drenažni tunel

Slika 10.1 Prethodno dreniranje stijenske mase na trasi tunela iskopom drenažnog tunela.. Iskop tunela vrši se u četiri faze. (WT 4-94/105) 10.2.2 Injektiranje Pod općim pojmom injektiranja razumijeva se tehnički postupak kojim se posebne injekcijske smjese posredstvom bušotina ubrizgavaju u čvrste stijene ili nevezana tla. Ubrizgana masa se u porama (tlo) i diskontinuitetima (stijena) stvrdne što poboljšava njihova mehanička svojstva i smanjuje vodopropusnost. Smjese za injektiranje Izbor smjese za injektiranje ovisi o svrsi injektiranja i svojstvima tla koje se injektira. Dugo je vremena cement bio jedino sredstvo za injektiranje tla. Smjese koje se koriste za injektiranje: guste suspenzije cementa, gline, bentonita i pijeska za smanjenje propusnosti, cement pijesak i plastifikatori za konsolidaciju. Strojevi i uređaji za injektiranje Za bušenje injekcijskih bušotina koriste se: rotacione bušilice, s prstenastim ili s punim krunicama, udarne bušilice. Osnovni uvjeti za uspješno injektiranje je dobro ispiranje bušotine tijekom bušenja i prije samog injektiranja, kako se otvorene pukotine uz stijenku bušotine ne bi začepile. Za ispiranje se upotrebljava čista voda. Kosolidacijsko injektiranje se obavlja: prije građenja tunela kako bi se poboljšala svojstva stijenske mase i na taj način olakšali problemi stabiliziranja konture i čela tunela, nakon izgradnje tunela kako bi se eliminirali efekti miniranja i relaksacije stijene tijekom iskopa. Ukoliko postoji sumnja da je između betonske obloge (mlazni beton) i stijenske mase ostao prazan prostor, ponekad se pribjegava tako zvanom veznom injektiranju. Veznim se injektiranjem ubrizgava suspenzija cementa ili maltera u kontaktnu plohu između iskopane površine stijene i betona građevine koja se na nju oslanja. Svrha je veznog injektiranja da se ostvari što tješnja veza između konstrukcije

Podzemne građevine i tuneli

građevine i stijene kako bi se one što bolje povezale u jedinstvenu konstrukcijsku cjelinu. Veznim se injektiranjem obuhvaća samo kontakt stijene s betonom i zona stijene dubine između 0,5 i 1,0 m. Najčešće se vezno injektiranje izvodi kod hidrotehničkih tunela pod tlakom jer je kod njih dobar kontakt betonske obloge i stijene osnovni preduvjet stabilnosti obloge. Primjeri iz prakse Tijekom iskopa tunela Javorova Kosa na autocesti Rijeka-Zagreb, došlo je do urušavanja tunela sve do površine. Tunel je kopan u paleozoijskim škriljavcima s malim nadslojem. Urušena stijenska masa bila je potpuno poremećena što je stvorilo vrlo teške geotehničke uvjete. Kako bi se tunel mogao iskopati u ovako poremećenoj stijenskoj masi prišlo se konsolidacijskom injektiranju cijelog uruška. Nakon stvrdnjavanja injekcijske smjese koja je povezala pojedinačne blokove stijene, tunel je uspješno iskopan i stabiliziran tehnikama koje su korištene i na preostalom dijelu tunela (iskop pod zaštitom cijevnim kišobranom, rešetkasti čelični lukovi, armirani mlazni beton). 10.2.3 Zamrzavanje (smrzavanje) Kod izgradnje tunela u vrlo teškim terenskim prilikama, gdje je materijal pokretljiv, žitak, ispod nivoa podzemne vode, u gradovima gdje je nadsloj plitak itd. potrebno je primijeniti posebna sredstva i načine za izvedbu takvih tunela. Postupak sa smrzavanjem tla se provodi tako da se sloj tla kroz koji treba iskopati tunel zamrzne dovodeći u njega kroz cijevi hladni zrak ili hladnu tekućinu. Metoda se može primijeniti na relativno velikim dubinama. Zamrzava se uže područje oko mjesta rada i tako sukcesivno do završetka objekta. Umjetno smrzavanje tla, u današnjem obliku, je osmislio F.H.Poetsch 1883.godine. Najvažnija komponenta smrzavanja tla je ispodpovršinski rashladni sustav koji se sastoji od niza rashladnih cijevi, instaliranih različitim tehnikama bušenja. Količina, razmak, dubina i veličina rashladnih cijevi je jedinstvena za svako gradilište i određena je na osnovu toplinskih i hidroloških svojstava tla, rasporeda građevina na površini i ekonomičnosti. Smrzavanje se često koristi u gradovima gdje nije dopušteno snižavanje nivoa podzemne vode. Naime, snižavanjem nivoa podzmene vode povećala bi se efektivna naprezanja u tlu što bi prouzročilo dodatna slijeganja. Koji će se rashladni medij koristiti ovisi o karakteristikama tla i vrsti zahvata. Ako je potrebno brzo smrzavanje, na primjer sprječavanje daljnjeg zagađenja podzemne vode, koristi se tekući nitrogen s temperaturom ispod -1500 C. U drugim prilikama može se koristiti kalcijev klorid. Nakon što je tunel podgrađen i osigurana njegova vodonepropusnost, hlađenje tla se prekida i nakon topljenja leda ponovno se uspostavlja režim podzemne vode koji je vladao prije zamrzavanja.

4

Građenje tunela u teškim geotehničkim uvjetima

5

Primjeri iz prakse Brojni su primjeri zamrzavanja tla tijekom iskopa tunela. Ova je tehnika korištena pri iskopu tunela ispod Limmat rijeke u Zürichu (slika 10.2), metroa u Münchenu, podzemne željeznice u Berlinu (slika 10.3), prolaza željeznice ispod ulice Drammensveien u središtu Osla, ali i pri iskopu okana u rudniku Tušanj u Tuzli neposredno nakon Drugog svjetskog rata.

10.7.1.1.1.1.1.1

Slika 10.2 Iskop tunela ispod rijeke Limmat u Zürichu uz pomoć tehnike smrzavanja tla

Slika 10.3 Iskop tunela podzemne željeznice u Berlinu uz pomoć tehnike smrzavanja tla

Podzemne građevine i tuneli

10.3 Plitki tuneli u slaboj stijenskoj masi Iskusni tunelograditelji procjenjuju da podzemni iskop ne može biti bez podgrade ako nadsloj nije veći od 1,5 raspona prostorije. Ovo je tipična situacija kod portala većine tunela kao i kod izgradnje prometnih tunela u gradovima. Pri projektiranju plitkih tunela u slaboj stijenskoj masi projektant nailazi na brojne probleme koji ne postoje ili su manje značajni kod dubokih tunela (Hoek, 2004). 1. Blizina površine tla obično znači da preferirani oblik loma stijenske mase, koja okružuje tunel i one još neiskopane, seže do površine terena. Ovaj se proces loma bitno razlikuje od procesa gnječenja (squeezing) koji se događa u okolini dubokog tunela u slaboj stijenskoj masi i svaka primijenjena analiza mora uključiti ove razlike. 2. Zbog različitog procesa loma, uobičajene metode interakcije stijene i podgrade (‘rock support interaction’) ili metode ograničavanja konvergencije (‘convergence-confinement’) ne mogu biti primijenjene. Tradicionalni pristup plitkim tunelima obično uključuje pretpostavku “stijenskog opetrećenja” (rock load) koji se izračunava kao mrtva težina stijenske mase iznad tunela. 4. U slaboj stijenskoj masi stabilnost plitkih tunela obično uključuje nestabilnost čela iskopa kao i lom stijenske mase koja okružuje tunel. Zbog toga sveobuhvatna analiza ovog problema zahtjeva trodimenzionalni numerički model. Uvodeći neke aproksimacije, ovaj problem se može rješavati i korištenjem dvodimenzionalnih modela. 4. Stijenska masa blizu površine izložena je djelovanju naponskog reljefa, trošenju i djelovanju miniranja na bliskim iskopima. Ovi procesi poremećuju i razaraju uklještenja između fragmenata stijena koji igraju vrlo važnu ulogu pri određivanju opće čvrstoće i deformabilnosti stijenske mase. Stijenska masa bliže površini ima tendenciju jače mobilnosti nego slična stijenska masa u uvjetima jačeg uklještenja koji vladaju u većim dubinama. Ova povećana mobilnost mora biti prepoznata od projektanta i uzeta u obzir pri selekciji ulaznih parametara pri svakoj analizi. Problem nestabilnosti čela tunela može se riješiti na više načina: 1. reduciranjem površine čela korištenjem višefaznog iskopa, 2. iskopom tunela pod zaštitom prethodno ugrađenog kišobrana (forepole umbrella), 3. armiranjem čela sidrima ako stabilnost čela nije dominantan problem. 10.3.1 Višefazni iskop Kod višefaznog iskopa (multiple drifts) zadani profil tunela kopa se u više faza na način da se čelo iskopa podijeli na više dijelova i svaki se dio kopa s pomakom u odnosu na već iskopane dijelove. Kod toga je bitno osigurati da su sva iskopana čela stabilna prije iskopa sljedećeg. Ovo je vrlo pouzdana metoda. Postoje brojne varijacije s obzirom na broj, veličinu i sekvence iskopa.

6

Građenje tunela u teškim geotehničkim uvjetima

7

3 2

1 4

Slika 10.4 Iskop čela u četiri faze

1 3

Slika 10.5 Iskop tunela Sv. Rok u tri faze

2

8

Podzemne građevine i tuneli

10.3.2 Iskop tunela pod zaštitom prethodno ugrađenog kišobrana (forepole umbrella) Cijevni se kišobran ugrađuje u neiskopani dio tunela te se tako oblikuje zaštitna kupola prije iskopa tunela. Ovisno o geotehničkim uvjetima i stupnju rizika u odnosu na dopušteno slijeganje površine terena, primjenjuju se različite tehnike formiranja kišobrana: kišobran formiraju čelične cijevi kroz koje se injektira stijenska masa u okolini cijevi (spiling method), pobijanjem cijevi velikog promjera ili iskopom niza mikrotunela (pipe roof method), kišobran se oblikuje jet-grouting postupkom. Cijevni kišobran (spiling method) Tipično se ugrađuju cijevi duljine 12 m, promjera 114 mm, na razmaku 300 do 600 mm. Ove se cijevi ugrađuju svakih 8 m tako da se ostvari preklop od 4 m. Nakon ugradnje cijevi se injektiraju cementnim mortom. Nekada se cijevni kišobran izvodi i od cijevi promjera 50 mm, duljine 6 m što zahtijeva jeftiniju opremu za bušenje i ugradnju cijevi. Tijekom iskopa ispod cijevi se ugrađuju razni elementi primarne podgrade (čelični lukovi, mlazni beton, sidra i slično).

Slika 10.6 Cijevni kišobran (spiling method)

(a) Slika 10.7 Cijevni kišobran u tunelu Konjsko (a) i tunelu Sv. Marko (b)

(b)

Građenje tunela u teškim geotehničkim uvjetima

9

Slika 10.8 Cijevni kišobran na portalu tunela Vrtlinovec Pobijanje cijevi velikog promjera ili iskop niza mikrotunela (pipe roof method) U posebno teškim geotehničkim uvjetima u kojima treba iskopati tunel velikih dimenzija uz minimalna slijeganja površine, stabilnost tunela osigurava se izradom kišobrana od većeg broja cijevi velikog promjera ili više mikrotunela po konturi tunela. Slika 10.9 prikazuje prolaz kroz nasip željezničke pruge pod zaštitom pipe roof-a izgrađenog od čeličnih cijevi promjera 1200 mm. Slika 10.10 prikazuje niz mikrotunela u krovu željezničkog tunela u Zürichu koji su oblikovali zaštitni luk u krovu tunela.

Slika 10.9 Pipe roof B8 national highway in Germany (promjer cijevi 1200 mm)

10

Podzemne građevine i tuneli

Slika 10.10 Pipe roof pri izgradnji željezničkog tunela. Promjer cijevi 1,55 m; debljina stijenke cijevi 150 mm; duljina 138-150 m (Meinrad lienert square, Zürich) Jet grouting (sub horizontal jet grouting method) U nisko kohezivnim materijalima kao što je trošni granit odnosno šljunkovita i pjeskovita tla umjesto čeličnih cijevi može se koristiti jet grouting. Oblikovanje kišobrana jet grouting-om pri iskopu prve faze Aescher tunela u blizini Züricha, prikazuje slika 10.11. Tunel je iskopan u glacijalnom tlu koji se sastoji od zaglinjenog pijeska i silta sa šljunkom i odlomaka stijene. Ponekad tlak injektiranja premaši tlak gornje ležećih slojeva pa injektiranje može prouzročiti izdizanje površine terena i istjecanje injekcijske mase na površinu. Previsoki tlak injektiranja može oštetiti i privremenu podgradu od mlaznog betona na čelu tunela. Jet grouting promjera 600 mm

450 mm

Iskop prve faze (kalotni dio tunela-top heading) A=75 m2

Mlazni beton

Slika 10.11 Kišobran oblikovan jet grouting-om na tunelu Aeschertunnel (Coulter, S.,Martin, D., 2004)

Građenje tunela u teškim geotehničkim uvjetima

11

10.3.3 Sidrenje čela tunela Ova se tehnika može koristiti samo ako je čelo stabilno tijekom armiranja. Često se ova tehnika koristi kao dodatna mjera uz tehnike višefaznog iskopa i cijevnog kišobrana. Za armiranje čela se koriste pasivna sidra, čelična ili od fiberglasa. Sidra od fiberglasa su lagana, vrlo čvrsta i ne predstavljaju prepreku daljnjem kopanju tunela. Ako se koriste čelična sidra, ona se tijekom iskopa moraju rezati (skraćivati).

Rešetkasti čelični lukovi ispod cijevnog kišobrana

Cijevni kišobran

Čelična sidra za armiranje čela

Slika 10.12 Armiranje čela tunela u tunelu Vrtlinovec (vide se cijevi kišobrana te čelični lukovi i mlazni beton ispod njega u iskopanom dijelu tunela) 10.4 Rječnik

bench bench blasting

convergence floor

(a) The unexcavated rock having a nearly horizontal surface which remains after a top heading has been excavated (b) Step in a slope; formed by a horizontal surface and a surface inclined at a steeper angle than that of the entire slope A method of blasting in quarries and open pits. The excavation proceeds in steps or benches and rows of blastholes are drilled parallel to the free face Generally refers to a shortening of the distance between the floor and roof of an opening, for example, in the bedded sedimentary rocks of the coal measures where the roof sags and the floor heaves. Can also apply to the convergence of the walls toward each other. (ISRM) Bbottom of near horizontal surface of an excavation, approximately parallel and opposite to the roof. (ISRM)

forepoling

Driving forepoles (pointed boards or steel rods) ahead of the excavation, usually over the last set erected, to furnish temporary overhead protection while installing the next set

invert

On the cross section the lowest point of the underground excavation, or the lowest section of the lining (ISRM,1975)

12

Podzemne građevine i tuneli

Invert lining overburden overburden load yielding arch

Invert lining – either shotcrete or concrete can be used, depending upon the end use of the tunnel. The loose soil, sand, silt or clay that overlies bedrock. In some usages it refers to all material overlying the point of interest (e.g., a tunnel crown), also the total cover of soil and rock overlying an underground excavation The load on a horizontal surface underground due to the column of material located vertically above it Type of support of arch shape the joints of which deform plastically beyond a certain critical load, i.e., continue to deform without increasing their resistance

(ISRM)

višefazni iskop Iskop u punom profilu nadsloj raspon tunela (širina) overlap advancing face centralni stup Podnožni svd od mlaznog ebtona

Multiple headings Full face excavation cover over the tunnel span of the opening preklop elemenata cjevnog kišobrana nesiskopani dio tunela central pillar shotcrete invert

10.5 Literatura

Chang, Y., Swindell, R., Bogdanoff, I., Lindstrom, B., Termen, J., Starsec, P., 2005, Study of tunnelling through water-bearing fracture zones, Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co., R-05-25, 142 p.

Ivan Vrkljan

11. Principi i tehnike iskopa Iskop podzemnih prostora vrši se razaranjem stijene za što se koriste različite tehnike. Danas se najčešće koriste klasične metode iskopa (miniranje) i iskop strojevima različitih konstrukcija. Prikazani su osnovni principi modernih tehnika miniranja kao i osnovni elementi strojeva različiitih konstrukcija i namjena. Prikazane su i neke druge tehnike koje se koriste u posebnim prilikama.

2

Podzemne građevine i tuneli

11

Principi i tehnike iskopa

11.1 Uvod Tehnike koje se primjenjuju za razaranje stijena radi oblikovanja podzemnih prostora, bitno se razlikuju od tehnika za razaranje stijena sa svrhom dobivanja mineralnih sirovina ili lomljenog kamena u kamanolomima. Kod izgradnje podzemnih prostora primjenjene tehnike iskopa moraju čim manje oštetiti stijensku masu u okolini iskopanog prostora dok kod masovnog iskopa to nije toliko bitan zahtjev. Pod klasičnim se metodama iskopa obično podrazumjevavaju tehnike miniranja. Pored klasičnih metoda, za iskop se koriste strojevi različitih konstrukcija kao i razne druge tehnike.

Miniranjem i glodačima može se postići proizvoljan oblik poprečnog presjeka Strojevima za iskop u punom profilu može se dobiti kružni i eliptični poprečni presjek tunela

Slika XXX Različite tehnike iskopa tunela 11.2 Miniranje Miniranje stijenske mase obavlja se uglavnom za potrebe: • •

razlamanja stijene ili rudnog tijela (masovna miniranja radi eksploatacije rudača ili stijenske mase kako bi se dobio materijala za gradnju), kreiranja podzemnog ili površinskog prostora (tuneli, usjeci i zasjeci, temeljenje i slično).

Filozofija i tehnike miniranja za ove dvije potrebe su potuno različite. U prvom slučaju se nastoji dobiti čim veća količina miniranog materijala uz čim manji trošak. Pri tome se najčešće postavlja uvjet odgovarajućeg granulometrijskog sastava razlomljene stijene. U rudarstvu se ova dva pristupa vrlo često javljaju zajedno. Na primjer, u dnevnim se kopovima prvi pristup koristi sve dok se iskop ne približi završnoj konturi. Dok se minira središnji dio rudnog tijela nije presudan faktor očuvanje kvalitete stijenske mase u neminiranoj zoni jer se radi o privremenoj konturi ikopa. Kada se eksploatacija približi završnoj konturi, količina miniranog materijala prestaje biti

Principi i tehnike iskopa

3

presudna i pažnju treba posvetiti očuvanju kvalitete stijenske mase koja mora osigurati dugotrajnu stabilnost stiejnske mase. Kada se miniranje obavlja u blizini površine, često se pojavljuje problem zaštite okoliša. Miniranje u blizini postojećih zgrada, tunela u eksploataciji, naftovoda, plinovoda, vodovoda i slično, ne smije oštetiti iste. U ovom slučaju se učinkovitost miniranja smanjuje a troškovi rastu. Utjecaj miniranja na okoliš podrazumjeva ograničenja sljedećih efekata miniranja: • • • •

vibracije koje mogu oštetiti postojeće građevine, štete koje uzrokukju leteći fragmenti stijene, buka se mora svesti na dopuštenu mjeru, količina prašine se mora svesti na dopuštenu mjeru.

Miniranje podrazumjeva sljedeće radnje: • • •

Bušenje minskih bušotina udarnim ili udarno-rotacionim bušenjem, punjenje minskih bušotina eksplozivom i nihovo povezivanje detonatorima radi inicijacije paljenja sa projektiranim vremenskim pomakom, paljenje (detoniranje) eksplozivnog punjenja.

11.2.1 Miniranje radi stvaranja površinskih i podzemnih prostora Miniranje kod podzemnih gradnji je alat za rezanje a ne bombaška operacija (Svanholm at al.,1977. u Singh i Goal, 1999, p. 207)

U građevinarstvu se miniranje najčešće koristi sa svrhom stvaranja podzemnih prostora, usjeka i zasjeka na trasama prometnica, građevnih jama, pri temeljenju zgrada i slično. Iako se i ovdje teži čim boljoj učinkovitosti, glavna se briga posvećuje: • •

čim manjem oštećenju stijenske mase u zidovima iskopa, postizanju konture iskopa koja je čim bliže projektiranoj (čim manji prekoprofilski iskop (overbreak) i neminirani dio koji je trebao biti uklonjen (underbreak).

Podzemne građevine i tuneli

Slika 11.1 (a) Ručno bušenje čekićima i dlijetom; (b) Stroj na tračnicama za bušenje u željezničkom tunelu Gothard (Švicarska, L=14 900 m, 1882); (d) Strojno bušenje sa tri bušilice na jednoj razupori u željezničkom tunelu Simplon (Švicarska-Italija, L=19 089 m, dvije tunelske cijevi, 1906)

Slika 11.2 (a) Povezivanje minskih bušotina detonirajućim štapinom (b) Iskop punog profila tunela miniranjem u kvalitetnoj stijenskoj masi

4

Principi i tehnike iskopa

Slika 11.3 Prva miniranja u tunelu Mala Kapela (Sjeverna strana, 2002) Kako bi se ostvarila čim pravilnija kontura iskopa sa minimalnom oštećenjem stijenske mase u zidovima iskopa, danas se uglavnom koriste dvije tehnike miniranja koje se jdnim imenom nazivaju konturnim miniranjem (contour blasting): • •

prespliting (pre-split) metoda, glatko miniranja (smooth-wall blasting).

11.2.1.1 Prespliting (pre-split) metoda Kada se miniranje obavlja na površini ili blizu površine terena, obično se koristi tehnika prethodnog stvaranja pukotine po projektiranoj konturi iskopa. Ova je metoda poznata kao prespliting (pre-split) metoda. Osnovna karakteristika ove metode je da se u prvoj fazi miniranja stvori pukotina po konturi projektirane plohe iskopa a nakon toga se, sa vremenskim pomakom koji se mjeri milisekundama, minira ostali dio stijenske mase. Na ovaj se način stijenska masa koja ostaje iza plohe iskopa izolira od negativnog utjecaja masovnog miniranja. Konturne bušotine se izvode na malom razmaku a količina eksploziva treba biti dovoljna samo za stvaranje pokotine koja će bušotine povezati. Ove minske bušotine nisu predviđene za fragmentiranje stijenske mase. Nakon što je konturna pukotina stvorena, aktivira se glavno minsko punjenje sa svrhom fragmentiranja stijenske mase. Pri tome se udarni valovi reflektiraju od prethodno stvorene konturne pukotine a također dolazi do disipacije tlaka u plinovima koji su posljedica eksplozije. Na taj način masovno miniranje (bulk blast), ima mali učinak na stijenu iza konturne pukotine (slika 11.4). Za stabilnost kosine je naročito bitno da stijenska masa bude čim manje poremećena miniranjem. Na taj se način značajno smanjuju troškovi održavanja.

5

6

Podzemne građevine i tuneli

Konturne bušotine koje se prve detoniraju radi stvaranja pukotine po projektiranoj konturi iskopa. Ove su bušotine na manjem razmaku, manjeg su promjera i sa manjom količinom eksplpziva u odnosu na ostale. Ove su bušotine ne većem razmaku, s većom količinom eksploziva. Pale se nakon što su konturne mine stvorile konturnu pukotinu.

Presjek

Tlocrt

Konturna pukotina

Stijenska masa fragmentirana nakon stvaranja konturne pukotine

Slika 11.4 Osnovni princip prespliting tehnike miniranja Za uspješno prespliting miniranje treba ispuniti slijedeće uvjete: • • • • •

Konturne bušotine moraju biti paralelne i u ravnini projektiranoj završne plohe iskopa Konturne bušotine moraju biti na malom razmaku. Razmak bušotina ne smije biti veći od desetostrukog promjera bušotine Bušotine moraju biti napunjene s manjom količinom eksploziva i eksplozivno punjenje ne smije dolaziti u dodir s zidovima bušotine (decoupled) čime će se lokalna raspdanje u prah (pulverization) svesti an minimuma a efekt plinova pod tlakom će biti maksimalan. Sve se konturne bušotine detoniraju istovremeno što će imati maksimalni učinak na stvaranje konturne pukotine Osigurati kvalitno bušenje (pravilna dubina i nagib bušotina čime će se ostvariti uvjet njihove paralalnosti u ravnini konture iskopa

Pored toga treba voditi računa i o slijedećem: • •

Konturne bušotine moraju biti dovoljno udaljene od slobodne površine terena kako se konturno miniranje nebi pretvorilo u masovno miniranje. Energija konturnih mina mora biti potrošena samo na stvaranje pukotine. Diskontinuiteti u stijenskoj masi utječu na postignutu ravnost iskopane plohe (slika XXX). Ako su diskontinuiteti skoro okomiti na ravninu konturnih bušotina, njihov utjecaj na ravnost plphe iskopa biti će zanemariv.

Principi i tehnike iskopa

•

7

Orijentacija glavnih in situ naprezanja u odnosu na ravninu konturnih bušotina, također utječe na efikasno formiranje konturne pukotine jer stijena ima tendenciju pucanja okomito na pravac najmanjih glavnih naprezanja. Ako su in situ naprazanja dovoljno velika i ako je pravac najmanjih glavnih naprazanja u ravnini konturnih bušotina, prespliting miniranje neće biti efikasno.

σ3

σ1

Slika 11.5 (a) i (b) Utjecaj orijentacije diskontinuitata u odnosu na konturu iskopa na ravnost konturne plohe; (c) Utjecaj orijentacije glavnih in situ naprezanja na efikasnost prespliting miniranja Ova se metoda općenito ne koristi za miniranje u podzemlju. 11.2.1.2 Glatko miniranja (smooth-wall blasting) Glatko miniranje razvijeno je u Švedskoj 1950-tih i 60-tih. U prethodnom su poglavlju prikazane prednosti prespliting metode miniranja te je naglašeno da se ova tehnika uglavnom koristi pri miniranju blizu površine terena. Tehnika prespliting miniranja nije općenito primjenjiva u podzemnim iskopima zbog in situ polja naprazanja. Međutim, polje naprazanja koje ograničava uporabu prespliting tehnike, može se vrlo korisno iskoristiti u drugoj specijalnoj tehnici miniranja poznatoj kao glatko miniranje (smoothwall blasting or post-splitting). Slika 11.6 prikazuje osnovni princip glatkog miniranja na primjeru iskopa tunela kružnog poprečnog presjeka. U prvoj se fazi minira veći dio tunela “grubim miniranjem” (centralni iskop) što će za posljedicu imati pojavu visokih tangencijalnih naprezanja na projektiranoj konturi tunela. Tangencijalno naprezanje predstavlja veće glavno naprezanje jer su radijalna naprezanja gotovo zanemariva. Ako se podsjetimo da se kod prespliting tehnike miniranja, pukotina otvara u ravnini najvećih glavnih naprezanja, dolazimo do osnovne filozofije glatkog miniranja: superponiranja utjecaja efekta miniranja i povoljne orijentacije glavnih naprezanja.

8

Podzemne građevine i tuneli

Tehnika glatkog miniranja, kao i prespliting, temelji se na dvostrukom miniranju, samo je redoslijed inverzan. Treba naglasiti da se vremenski pomak ove dvije faze miniranja mjeri u milisekundama.

Centralni iskop formiran «grubim» miniranjem

Konturne bušotine koje se detoniraju nakon miniranja centralnog dijela Kontura iskopa tunela Tangencijalno naprezanje je na konturi iskopa najveće glavno naprezanje

Slika 11.6 Princip glatkog miniranja an primjeru iskopa tunela kružnog poprečnog presjeka Za uspješno glatko miniranje treba ispuniti sve uvjete izvođenja konturnih bušotina koji su navedeni za prespliting miniranje.

Slika XXX Jasni tragovi minskih bušotina, govore o kvalitenom miniranju ali i o kvalitetnoj stijenskoj masi

Principi i tehnike iskopa

11.3 Strojni iskop (Tunnel-Boring Machines) Izraz Tunnel Boring Machine (TBM) u literaturi se koristi na različite načine. TBM TBM TBM

Označava sve strojeve koji se koriste za iskop tunala bez obzira radi li se o strojevima za iskop u punom profilu tunela ili strojevima s pokretnom glavom Označava strojeve za iskop tunela u punom profilu u svim geološkim formacijama Označava strojeve za iskop u punom profilu koji se koriste samo u stijenskoj masi

Ovisno o konstrukciji, strojevi se dijele na: • • • •

Strojevi za iskop u punom profilu (krtice) (Full face tunnel boring machines) Strojevi s pokretnom glavom (Partial face tunnel boring machines) Blind shaft borer (bušenje) Raise borer (bušenje perma gore)

Slika XXX (a) Stroj za iskop tunela u punom profilu; (b) Stroj sa pokretnom glavom; (c) raise borer; (d) blind shaft borer Ovisno o tome koristi li se ili ne koristi štit, strojevi se djele na: • •

strojevi sa štitom (shield TBM), strojevi bez štita.

Ovisno o materijalu u kojem se tunel kopa, strojevi se mogu podjeliti u dvije skupine: • •

strojevi za iskop stijena (rock machines), Strojevi za iskop u tlu (soft ground machines).

9

Podzemne građevine i tuneli

Tablica XXX Klasifikacija strojeva za iskop tunela (AITES / ITA Working Group No.14)

Tablica XXX Usporedba različitih tipova strojeva velikih promejra (Barla, Pelizza)

10

Principi i tehnike iskopa

11

štit

Slika XXX (a) Stroj sa štitom i stroj bez štita Što je zapravo štit? Štit je čelični cilindar koji ima promjer tunela i pod čijom se zaštitom vrši iskop. Koristi se za iskop tunale u teškim geotehničkim uvjetima kada je teško osigurati stabilnost nepodgrađenog tunela (čela, kalote, bokova). Štit se u tunelogradnji prvi puta koristio za prolaz ispod rijeke Thames u Londonu 1823. godine (štit je patentirao Brunel 1818). Ovaj prvi štit imao je kvadratičan poprečni presjek. Već je na projektu Tower Subway 1869, korišten štit kružnog poprečnog presjeka i ovaj štit predstavlja prototip današnjeg štita (Konda, xxx). Gotovo redovito, konačna se obloga tunela ugrađuje ispod štita tako da je materijal u kojem se kopa tunel vidljiv isključivo na čelu tunela. Kod cestovnih i željezničkih tunela, obloga se sastoji od prefabriciranih betonskih elemenata dok kod mikrotunela obloga može biti od betona koji se ugrađuju na licu mjesta po principima klizne oplate. Princip iskopa tunela pod zaštitom štita prikazan je na slici XXX. Kao što će se vidjeti, za iskop pod zaštitom štita koriste se sve metode strojnog i ručnog iskopa osim metoda masovnog miniranja (može se koristiti miniranje za sekundarno drobljenje pojedinačnih blokova stijene koja se nađe u tlu koje se kopa).

12

Podzemne građevine i tuneli

Kazalo: 1- Čelo iskopa 2-Štit 3-Hidraulika za potiskivanje štita 4- Segmenti betonski obloge 5-Pumpani mort

2 1

3

4

5

Napomene: Ako se radi o vrlo lošem tlu, pumpani mort nije potreban jer samo tlo u kojem kopamo pupuni prostor koji ostane nakon klizanja štita.

Napredovanje iskopa prati klizanje štita za širinu jednog betonskog segmenta. Štit potiskuju snažne hidrauličke preše koje se nalaze između kčelične konstrukcije štita i betonske obloge.

Umetanje novih segmnenata obloge pod zaštitom štita. Nakon što hidrauličke preše oslobode prostor, ugrađuju se segmenti betonske obloge.

Slika XXX Princip iskopa tunela pod zaštitom štita Štit može biti: • •

otvoren (open type shields), zatvoren (closed shield).

Pod otvorenim se štitom podrazumjeva štit koji je otvoren prema čelu iskopa. Iskop se kod ovih štitova vrši ručno ili strojno (glodači, bageri, sekundarno miniranje i slično). Ako se pojavi problem prodora podzemne vode, izvodi se tzv. štit sa komprimiranim zrakom (compressed air shield). Ovaj štit radi na istom principu kao i kesoni za iskop temelja ispod nivoa podzemne vode. Otvoreni štitovi često imaju čelične ploče za podupiranje čela iskopa kada je čelo nestabilno.

Principi i tehnike iskopa

13

Kod otvorenih se štitova stabilnost čela postiže jednom od sljedećih mjera: • • •

zrakom pod tlakom, metalnim pločama, ostavljanjem rampe.

Otvoreni štit s rotirajućim teleskopskim glodačima i pločama za stabiliziranje čela. Proizvođač: Alpine

Iskop pod zaštitom otvorenog štita. Stabilnost čela osigurava komprimirani zrak (Compressed air shield). Les Vignes tunel (1993-1995). Prospekt tvrke Herrenknecht

Kombinirana metoda iskopa pod otvorenim štitom (glodač, bager) Olympia 2004 Athen. Prospekt tvrtke Herrenknecht

Slika xxx Otvoreni štitovi različite izvedbe

14

Podzemne građevine i tuneli

Zatvoreni se štit koristi isključivo sa strojevima za iskop tunela u punom profilu. Tada je štit sastavni dio konstrukcije stroja. Na čelu štita se nalazi rotirajuća rezna glava koja vrši iskop. Stabilnost čela se obično osigurava bentonitnom suspenzijom koja popunjava prostor rezne glave ili u posebnim slučajevima samo iskopano osigurava stabilnost čela (EPB-Earth Pressure Balance).

Zatvoreni štit za iskop tunela u punom profilu D=14,87 m Groene Hart Tunnel, Nizozemska; Željeznica Amsterdam-Rotterdam L=7.176 m, Proboj: 17.01.2004. WT JanuaryFebruary 2004 Masa stroja: 1.900 t., duljina 120 m NFM tehnologies of France (Wirth group)

Slika xxx Zatvoreni štit

Jednoslojna obloga je od pumpanog betona Hochtief System-Putzmeister-1 Razvoj počeo 1985 sa komponentama Putzmeister. Korišten na projektima: Lyon, Freundstein, Essen, Milan, Japan

Slika xxx Betonska obloga tunela oblikovana na licu mjesta (princip klizne oplate)

Slika xxx Obloga od prefabriciranih elemenata

Principi i tehnike iskopa 11.3.1 Strojevi za ikop u punom profilu(krtice) (Full face tunnel boring machines) Stroj za iskop tunela u punom profilu koristio se pri prvom pokušaju izgradnje tunela ispod La Mansha 1882. godine. Tada je pod vodstvom direktora Col. F. Beaumonta, kompanija Submarine Continental Railway company, iskopala 1,5 km tunela sa engleske strane. Projekt je napušten jer očito u to vrijeme nisu bili riješivi mogi problemi na koje su graditelji naišli a da ih na početku nisu bili svjesni U posljednjih 20 godina izgradnja tunela strojevima za iskop punog profila doživjela je enorman razvoj. Izgradnja podzemnih željeznica te cestovnih i željezničkih tunela dala je snažan poticaj razvoju strojeva. Channel Tunnel između Engleske i Francuske, Rail 2000. u Švicarskoj, Trans Tokyo Bay Highway u Japanu i tuneli ispod rijeke Elbe u Njemačkoj, najveći su među brojnim velikim projektima. Strojevi za iskop u punom profilu mogu napredovati 150 m na dan, 500 m na tjedan , 2 km na mjesec ili čak 15 km na godinu. Međutim nepredviđeni teški geološki uvjeti mogu zaustaviti napredovanje stroja u dugom vremenskom periodu (više mjeseci do godinu dana). Na projektu Madrid M30, postignut je učinak Herrenknecht strojem od 500 m na mjesec. Trenutno najveći stroj za iskop tunela u punom profilu je stroj njemačke tvrtke Herenknecht promjera 15,43 m koji radi na iskopu tunela duljine 9 km koji povezuje otoke Changxing i Pudong u Kini. Obično se misli da stroj za iskop tunala u punom profilu može kopati samo tunel kružnog poprečnog presjeka. Međutim, koriste se i strojevi koji kopaju eliptični poprečni presjek, kod kojih rezna glava nije okomita na os stroja. Također kombinacijom više strojeva u jednu cijelinu, dobiju se različiti oblici poprečnog presjeka tunela.

Slika xxx Spajanjem više strojeva mogu se dobiti različiti oblici poprečnog presjeka iskopa (multicircular face shield tunnel)

15

16

Podzemne građevine i tuneli

Slika XXX Stroj za iskop eliptičnog poprečnog presjeka tunela Klasifikacija strojeva za iskop tunela u punom profilu Strojevi ovog tipa kosiste se u izrazito čvrstim eruptivnim stijenama a iso tako i u talozima jezera mora i rijeka gdje se tlo sastoji od potpuno saturiranog materijala niske čvrstoće sa uklopcima koreijenja, stijenskih blokova i slično. Konstrukcija stroja ovisi o geološkim, geotehničkim i hidrogeološkim uvjetima u tlu. Iako su proizvedeni i strojevi za iskop tunela u različitim geološkim formacijama, zadovoljavajuća ekonomičnost i učinkovitost stroja može se postići jedino ako se konstrukcija stroja prilagodi uvjetima na konkretnoj lokaciji. Donja tablica prikazuje podjelu strojeva u 4 kategorije ovisno o vrstu tla koje se kopa. Medij u kojem se kopa

Vrsta štita

Stijena

Štit za iskop stijenske mase (Rock mass shield)

Glina i prah, pijesak, šljunak

Štit kod koga se čelo iskopa stabilizira bentonitnom suspenzijoM (Slury Shield)

Glina i prah

Štit kod koga iskopano tlo služi za stabiliziranje čela iskopa (EPB-Earth Pressure Balanced Shield)

Sve vrste tla (sa blokovima stijene)

Štit za iskop različitih geoloških formacija (Mixed Face Shield)

11.3.1.1 Strojevi za iskop čvrste stijenske mase Za iskop čvrste stijene koriste se strojevi sa ili bez štita, što ovisi o geotehničkim svojstvima stijenske mase. Kod ove vrste strojeva kritična aktivnost je-iskop (razaranje stijene). Stabilnost iskopa je manji problem. Razaranje stijene postiže se rotacijom glave stroja na kojoj se nalaze diskovi. Reakcija potisnoj sili ostvaruje se preko razupirača koji kontakt sa stijenom ostvaruju u bokovima tunela. Za stabiliziranje konture iskopa tunela koriste se identične mjera kao i u slučaju iskopa tunela klasičnom metodom (stijenska sidra, armirani mlazni beton i slično). Slika XXX prikazuje jedan radni ciklus ovog tipa stroja:

Principi i tehnike iskopa

Ovisno o kvaliteti stijenske mase strojevi za iskop stijena s dijele u dvije skupine: • •

strojevi bez štita strojevi sa jednim štitom (single shield) ili sa dva štita (double shield)

Strojevi bez štita se koriste u kompaktnoj stijenskoj masi gdje stabilnost iskopa nije upitna. Za učvršćenje potencijalno nestabilnih klinova koriste se stijenska sidra. Strojevi sa štitom koriste se u intenzivno ispucaloj stijenskoj masi. U ovom slučaju štit osigurava sigurne radne uvjete. U ovim se uvjetima podgrada tunela obično sastoji od prefabriciranih betonskih elemenata koji se ugrađuju pod štitom. Dvostruki štit se sastoji od dva štita između kojih se nalazi još jedan štit manjeg promjera koji ulazi u ova dva (zapravo se dvostruki štit sastoji od tri štita). Ova konstrukcija dopušta teleskopsko povećanje i smanjenje duljine štita što ubrzava proces gradnje

Slika XXX Stroj bez štita za iskop tunela u punom profilu (proizvođač: Herenknecht). Koncentrični krugovi su tragovi razaranja stijene i predstavljaju putanju diskova pri rotaciji rezne glave. Vrlo čvrste stijene i stijene koje sadrže minerale visoke tvrdoće, znatno će povećati trošenje diskova na reznoj glavi što će za posljedicu imati velike troškove i smanjeno napredovanje.

17

18

Podzemne građevine i tuneli

Početno stanje

Iskop Nosači stroja uvučeni

Završen jedan ciklus iskopa Nosači stroja izvučeni Skupljanje elemenata za razupiranje

Povlačenje tijela stroja naprijed Nosači stroja izvučeni

Izvlačenje elemenata za razupiranje Razupiranje

Slika XXX Jedan radni ciklus stroja bez štita za iskop tunela u čvrstoj stijenskoj masi

Iskop čvrste stijenske mase strojem bez štita. Vidi se idealan oblik iskopa i sidra koja služe sa stabilizaciju potencijalnih klinova Lesotho projekt

Slika XXX Iskop strojem bez štita

Principi i tehnike iskopa

19

Slika XXX Iskop u vrlo kvalitetnoj stijenskoj masi koja je stabilna bez osiguranja. Jasno se vidi rasjed (prospekt tvrtke Kawasaki) Idelan iskop strojem krije opasnost prikrivanja klinova stijene koji se ograničeni prirodnim diskontinuitetima.

Diskontinuiteti oblikuju klinove u kaloti i boku tunela što je dovelo do ispadanja klinova. Ispadanje klinova ugrožava sigurnost ljudi i oprema te dovodi do zastoja u napredovanjau iskopa

Slika xxx Ispadanje klinova u kaloti i boku tunela koji je kopan krticom u čvrstoj stijenskoj masi

Podzemne građevine i tuneli

20

U Hrvatskoj je ovaj tip stroja korišten za iskop dva tunela: • •

Tunel za dovod pitke vode na Braču. (d=2,3 m.; L= 8,5 km; proizvođač stroja: Demag; 19711976) Tunel HE Zakučac 2 (proizvođač stroja: Robins, USA)

Slika XXX Channel tunnel. Rijetko viđena slika stroja u podzemlju (Robbins, USA) (World Tunnelling, No Longer an Island, Europe of the End of the Tunnel)

Principi i tehnike iskopa

11.3.1.2 Strojni iskop u teškim geološkim uvjetima (Machine drive in loose ground) Kada se radi o upotrebi strojava za iskop tunale u punom profilu onda se pod teškim geotehničkim uvjetima podrazumjevaju iskopi u tlu niske čvrstoće često sa velikim dotocima vode. U ovim uvjetima izuzetno je teško osigurati stabilnost čela te se njegova stabilnost pojavljuje kao ključni problem. Strojevi za rad u ovim uvjetima redovito imaju štit. Ovisno o geološkim uvjetima koriste se ove vrste štita: • • •

Hidroštit-štit kod koga se čelo iskopa stabilizira bentonitnom suspenzijom (Hydro shield or Slury shield) Štit kod koga iskopano tlo služi za stabiliziranje čela iskopa (Earth pressure balanced shield) Štit za iskop različitih geoloških formacija (Mixed face shield)

11.3.1.2.1 Hidroštit U literaturri se za ovaj način stabiliziranja čela iskopa koriste različiti termini: • • •

Slury shield, Hydro shield, Bentonite TBM.

Stabiliziranje čela iskopa bentonitnom suspenzijom u praksu uveli Japanci 1974. Od tada se ova tehnologija koristi vrlo uspješno. Transport iskopanog tla vrši se hidrauličkim putem pumpanjem mješavine bentonitne suspenzije i tla. Na površini se iskopani materijal izdvaja iz suspenzije te se suspenzija ponovo koristi. U inženjerskoj se praksi bentonitna suspenzija često naziva isplakom. Bentonitnu suspenziju čini mješavina bentonita, vode i aditiva. Bentonit je prirodna mješavina minerala u kojoj prevladavaju minerali smektitske grupe (najčešće montmorilonit). Tipičan problem kod upotrebe ovog stroja jekontrola količine iskopa.

21

22

Podzemne građevine i tuneli

10

1-Rezna glava 2-Štit 3-Hidraulika za potiskivanje stroja 4-Segmenti podgrade 5-Pumpani beton 6-Transport mješavine tla i isplake 7-Cjevovod s isplakom 8-Glavni pogon stroja 9-Radni prostor (prostor pod tlakom mješavine tla i suspenzije koja održava stabilnost čela iskopa 10-Separator za razdvajanje tla i isplake 11-Rezervoar s isplakom 12.Deponij iskopanog materijala

11

12

2

3

4

5

1

8 6

9 7

Slika xxx Shematski prikaz hidroštita

Slika XXX Hidroštitovi za iskop tunela ispod Tokijskog zaljeva (Trans-Tokyo Bay Highway, D=14,14 m (Kawasaki)). Rezni alat kod hidroštita (Teeth Cutter (Cemented carbide blade attached)).

Principi i tehnike iskopa

Slika xxx Stroj za iskop tunela u punom profilu

23

Stroj za iskop tunela u punom profilu D=14,87 m Groene Hart Tunnel, Nizozemska; Željeznica Amsterdam-Rotterdam L=7.176 m Proboj: 17.01.2004. WT JanuaryFebruary 2004

Masa stroja: 1.900 t., duljina 120 m NFM tehnologies of France (Wirth group) Prodan Shanghai Tunnel Engineering company

Slika XXX Hidroštit u tvornici i nakon proboja tunela

11.3.1.2.2

Štit kod kojega iskopano tlo služi za stabiliziranje čela iskopa (EPB-Earth Pressure Balanced shield)

Ovu su tehnologija u praksu uveli Japanci. U Japanu se javljaju vulkanska tla koja su homogena i imaju sitne čestice što pogoduje primjeni ove tehnike bez posebne pripreme tla. U Europi se rijetko nađu ovakva tla koja bi mogla poslužiti za stabiliziranje čela tunela bez posebne pripreme jer prirodna tla nemaju dovoljnu fluidnost. Ako tlo nema dovoljnu fluidnost ono se mora pripremiti dodavanjem različitih polimera. Iz radnog prostora (working chambre) iskopani materijal se obično izvlači s pužnim transporterom (screw conveyers). Ova tehnologija korištena je u Lille-u, Lisabonu, Milanu. U Milanu je bio problem gubljenja bentonitne suspenzije. Kod većeg tlaka, u radnom prostoru može doći do prodora tla kroz pužni transporter. Tijekom iskopa tunela ispod rijeke Anacosta u Washingtonu, 1985. došlo je od prodora 27 m3 pijeska. U Japanu su na više projekata korištene klipne pumpe firme Putzmeister. Korištenjem pumpi moguće je izračunati količinu iskopanog tla te na taj način procjeniti dali se ostvaruje prekoprofilski iskop. Na ovaj način smanjuje se rizik koji prekoprofilski iskop nosi sa sobom.

24

Podzemne građevine i tuneli

2

3

5

4

1 8

6

10 7

9

Kazalo: 1- Rezna glava 2-Štit 3-Hidraulika za potiskivanje stroja 4-Betonski segmenti podgrade 5-Pumpani beton 6-Pužni transporter 7-Gumeni transporter 8-Glavni pogon stroja 9-Radni prostor (prostor pod tlakom tla koje održava stabilnost čela iskopa) 10-Dodavanje aditiva

Slika xxx Shematski prikaz EPB štita

Slika XXX Transport iskopanog tla gumenim transporterima i pumpama

Slika XXX EPB štit. Transport iskopanog materijala pumpama (prospekt tvrtke Putzmeister)

Principi i tehnike iskopa

11.3.1.2.3 Štit za iskop različitih geoloških formacija (Mixed Face Shields or Mixshield) Koriste se kod promjenjivih geoloških uvjeta. Stroj mora biti sposoban kopati sve geološke materijale kroz koje tunel prolazi. Treba naglasiti da je on ipak prvenstveno namjenjen iskopu tunela u tlu i nikada se ne koristi za iskop tunela koji cijelom dužinom prolazi kroz stijensku masu. Na reznoj se glavi nalaze diskovi koji se koriste za razaranje stijena a isto tako i rezni elementi koji se koriste kod hidroštita i EPB štita. Po konstrukciji je ovaj stroj identičan hidroštitu s tim što je opremljen čeljustima za drobljenje blokova stijene koji su preveliki za transport pumpama. Za stabilizaciju čela koristi se bentonitna suspenzija. Mješavina tla i suspenzije transportira se pumpama na površinu terena gdje se suspenzija odvaja od tla i vraća u sustav.

Slika XXX Mixshield, Tunel ispod rijeke Elbe, Hamburg, 1998, D=14,2 m. Čeljusti za drobljenje ulomaka stijena (prospekt tvrtke Herenknecht)

25

Podzemne građevine i tuneli

26

11.3.2 Strojevi s pokretnom glavom (partial face tunnel boring machines; roadheader) Kod strojeva s pokretnom glavom, alat za rezanje nalazi se na rotirajućoj glavi koja se može proizvoljno kretati po profilu tunela koji se kopa. U odnosu na stroj za iskop u punom profilu, ovaj je stroj manji, jeftiniji i fleksibilniji za uporabu. S njim je moguće kopati proizvoljan oblik poprečnog presjeka tunela. Ovisno o tipu alata kojim se stijena razara, strojevi se dijele u dvije skupine: • •

glodači (roadheader or tunnel miner) strojevi s diskovima na pokretnoj glavi (mobile tunneller)

11.3.2.1 Glodači (roadheader or tunnel miner) Ovaj tip stroja na pokretnoj glavi ima zube koji razaraju stijenu tijekom njene rotacije. Koriste se u stijenama sa jednoosnom čvrstoćom manjom od 80 MPa. Mogu se koristiti i u čvršćim stijenama koje su intenzivno ispucale, tako da stroj ne mora rezati stijenu već izvaljuje sitne blokove stijene.

Slika XXX Glodač tvrtke Westalia Lünen koji je Hidroelektra koristila za iskop tunele Chiffa i Harbil u Alžiru, 195-1993.

Slika XXX Glodač u radu. Vide se tragovi zubiju na čelu tunela

Principi i tehnike iskopa

11.3.2.2 Strojevi sa diskovima na pokretnoj glavi (mobile tunneller) Mobile tunneller koristi se za iskop u čvrstoj stijenskoj masi (50-250 MPa). Ovaj stroj koristi dobre osobine stroja za iskop tunela u punom profilu i glodača. Od stroja za iskop u punom profilu uzeo je rezni alat (diskove) a od glodača pokretljivost. Koristi se kod iskopa potkovičastog poprečnog presjeka tunela. Ne oštećuje stijensku masu u zidovima iskopa kao i glodači.. Ovaj je stroj uspješno korišten u periodu 1994-1998, za iskop cestovnih tunela u Kobeu u stijeni čvrstoće 100-220 MPa).

Slika XXX Mobile tunneler; Poprečni profil tunele izgrađenog ovim tipom stroja Stroj je originalno razvijen 1983 za iskop stijene jedneoosne tlačne čvrastoće od 150-430 MPa (Mount Isa). Druga je verzija korištena za iskop 1400 m tunele u stijeni čvrstoće 150-250 MPa (Pasminco). Proizvodi se različite širine. Najveći je problem stvara velika potrošnja diskova.

27

Podzemne građevine i tuneli 11.3.3 Raise borer Ovaj se način strojnog kopanja koristi uglavnom kod iskopa okana i tunala malog promjera (mikrotuneli). Iskop se uvjek vrši iz podzemne prostorije prema površini terena ili prema drugoj podzemnoj prostoriji koja se nalazi na višem nivo. Kada se radi o strojnom iskopu, iskopu uvijek prethodi izrada pilot bušotine za smještaj osovine kojom se rotacija sa stroja prenosu na reznu glavu. Iskopani materijal pada na niži nivo.

Slika XXX Raise borer tehnika iskopa okana (prospekti tvrtke Sandvik i Skanska) 11.3.4 Blind shaft borer (bušenje) Kod ove se tehnike koristi sličan stroj i rezna glava kao kod raise borer tehnike. Razlukuju se po tome što se iskop u ovom slučaju vrši prema dolje. Transport iskopanog materijala vrši se zračnim transportom kroz osovinu.

Slika xxx Blind shaft borer tehnika gradnje okna (prospekti tvrtke Sandvik) 11.3.5 Mikrotuneli Potreba za polaganjem podzemnih instalacija u gradovima bez raskapanja ulica, utjecala je na nagli razvoj strojeva za iskop malih tunela. Polaganje vodovodnih i kanalizacijskih instalacija najčešći su slučajevi kada se rade tuneli malog promjera (promjer 0,2 do 3 m). Prvi stroj za iskop malog tunela korišten je u Japanu. Prvi stroj za iskop malih tunela bez ljudi (daljinsko upravljanje) izradila je firma Soltau 1979 godine .Najmanji proizvedeni stroj ima promjer 150 mm. Prednosti tehnika mikrotunelogradnje:

28

Principi i tehnike iskopa • • • • •

29

drastično reduciranje količine iskopa, nema utjecaja na okoliš, nema snižavanja nivoa podzemnih voda, minimalno poremećenje prometa, mogućnost rada 24 sata dnevno bez obzira na vremenske uvjete.

NPV

NPV

Slika XXX Alternativa klasičnom iskopu je izgradnja mikrotunela Nedostaci klasičnog iskopa: • • • • • • •

značajne teškoće u prometu, problem deponiranja iskopanog materijala, snižavanje NPV, nemoguće raditi u teškim vremenskim prilikama, potreba za zamjenskim materijalom, problemi kasnijih slijeganja zbog loše ugradnje zasipa, veća mogućnost oštećenja drugih instalacija.

Tehnike strojnog građenja mikrotunela mogu se svrstati u dvije osnovne skupine: • •

Strojni iskop punog profila (full face machines). Pogonska stanica kreće se zajedno s reznim sklopom. Koriste se isti principi kao kod strojeva za iskop velikih tunela. Strojevi koji rade na principu bušenja. Pogonska stanica stabilna a kreće se samo rezni sklop.

30

Podzemne građevine i tuneli

POGONSKA STANICA STABILNA A KREĆE SE SAMO REZNI SKLOP

1 3

Promjer: 0,09-1,2 m bez obzira na nagib Buši pod bilo kojim nagibom 1-Rezni sklop 2-Osovina za prijenos rotacije 3-Pogonska stanica

2

Slika XXXX strojevi koji rade na principu bušenja POGONSKA STANICA STABILNA A KREĆE SE SAMO REZNI SKLOP Promjer: 0,6-4,5 kod tunela i 0,6-6,1 m kod okana Koristi se u stijeni. Ne može se koristiti u tlu 1-Rezni sklop 2-Osovina za prijenos rotacije 3-Pogonska stanica 4-Prethodno izvedena bušotina

3

4

1

2

Slika XXX Strojevi koji rade na principu bušenja SANDVIK Bušenje pod nagibom (inclined boring) Prethodno se izvede pilot bušotina Sjeverno more

Slika XXX Bušenje pod nagibom (SANDVIK)

Principi i tehnike iskopa

Strojni iskop punog profila (full face machines) Koristi se u svim vrstama tla i stijena. Strojevi se mogu svrstati u tri osnovna tipa (Microtunnelling by. Paul Hayward, WT March 1997, pp.7781): • • •

Strojevi na principu svrdla imaju najjednostavniji način iskopa. Koristi princip EPB sustava (Earth Pressure Balance system). Tlo se kopa svrdlom ispred štita i odstranjuje pužnim transporterom Štit s isplakom koristi iste principe kao i kod iskopa velikih tunela Usisavanje vakuumom koristi se u slučajevima kada je tunal lociran iznad nivoa podzemne vode (razvijen u Australiji)

Slika xxx Strojni iskop punog profila (full face machines)

Iskop XXX Izvoz iskopanog materijala Boretec Miti Mole Knoxville, Tennesse

31

Podzemne građevine i tuneli

Podgrađivanje mikrotunela Mikrotuneli se najčešće podgrađuju prefabriciranim elementima koji se potiskuju hidrauličkim prešama kako to pokazuje slika XXX. Da bi se smanjilo trenje, između betonskih elemenata i tla se injektira bentonitna suspenzija. Nekada se obloga izvodi od pumpanog betona na principima klizne oplete kako to pokazuje slika XXX.

Slika XXX Podgrađivanje prefabriciranim segmentima, hidraulički transport iskopanog materijala (Prospekt tvrtke Putzmeister)

Slika XXX Podgrađivanje prefabriciranim segmentima, hidraulički transport iskopanog materijala (Prospekt tvrtke Herrenknecht)

32

Principi i tehnike iskopa

11.4 Iskop rezanjem stijena (chain saw machines) Primjena: •Mekane i srednje tvrde stijene Prednosti: •Nema vibracija od miniranja •Nema velike buke •Mali prekoprofilski iskop •Malo poremećenje stijene

11.5 Iskop hidrauličkim čekićima i hidrauličkim lopatama

Iskop hidrauličkim lopatama uglavnom podrazumjeva ručni iskop glinovitih stijena niske čvrstoće (tvrda tla-mekane stijene) kojes e mogu kopati na ovaj način.

Slika XXX Iskop hidrauličkim lopatama pod zaštitom otvorenog štita; Indeco MES 7000 čekić na FiatHitachi bageru Željeznički tunel Col Albani u Italiji (WT, September, 1997) Iskop hidrauličkim čekićima (rock hammer excavation) doživio je u posljednje vrijeme enorman razvoj. Sve teži čekići postavljeni na bagere, postižu značajnu učinkovitost u uvjetima u kojima se izbjagava miniranje stijenske mase.

33

34

Podzemne građevine i tuneli

11.6 Iskop bagerima Bageri se tradicionalno koriste za iskop mekših stijena i tvrdih tala.

Slika XXX Iskop bagerom u tunelu Moffat (U.S.A.); Bager prilagođen iskopu tunela

Slika XXX Iskop bagerom pod zaštitom otvorenog štita (WT, August 1997); Otvoreni štit s pločama za stabiliziranje čela iskopa

1 3

2

Slika xxx Kombinirani iskop bagerom i hidrauličkim čekićem u tunelu Sv. Rok

Principi i tehnike iskopa

35

11.7 Hidrauličko razaranje stijena (splitting)

Princip hidrauličkog frakturiranja stijene pri izradi tunela prikazan je na donjim slikama. Slike prikazuju tehnologiju japanske tvrtke Fujima Corporation. Ova se tehnologija koristi u uvjetima kada vibracije tijekom iskopa moraju biti svedene ana minimalnu mjeru zbog opasnosti od oštećenja okolnih objakata ili zbog opasnosti da se inicara odron stiejnskoj blokova na površini terena. Stijenska masa u okolini tunala nije oštećena radovima u tunelu što je vrlo povoljno za stabilnost tunela.

• • • • •

Za izradu zareza korištena krunica promjera 102 mm Bušotine unutar bloka imale su promjer 54 mm dužinabušotina: 1,1 m Dužina sonde: 1,0 m Stijenska masa: granit jednoosne tlačne čvrstoće 200 MPa

Slika XXX Iskop tunela hidrauličkim frakturiranjem na jednoj lokaciji u Japanu (Fujita Corporation)

Slika XXX Zarezi dijele stijenu na blokove koji će biti hidraulički frakturirani. Vide se tragovi konturnih zareza koji formiraju gotovo idealan oblik tnela. (Fujita Corporation)

36

Podzemne građevine i tuneli

Na čelu tunela obilježe se zarezi (slots) i bušotine. Zarezi podjele čelo na željeni broj blokova (u ovom slučaju 6 blokova).

Obilježavanje Izradom zareza (slots), oblikuju se blokovi stijene (u ovom slučaju 6 blokova). Zarezi se izvode kontinuiranim bušenjem rupa na način da jedna preklapa drugu. Da bi se to moglo izvesti, bušaći pribor (boring bit) mora biti čvrsto vođen sa posebnom vodilicom ( SABroad, Spining Anti-Bond). Zarezi će omogućiti razaranje stijene hidrauličkim frakturiranjem

Izrada zareza kontinuiranim bušenjem U svakom od blokova izbuši se veliki broj bušotina u koje se umaće gumane sonde. Visokotlačnim pumpama sonde se napune vodom pod tlakom što razara stijenu. Istovremeno se koristi do 20 sondi kje su priključene na dvije hidrauličke jedinice.

Razaranje stijene vodom pod visokim tlakom Kako raspucala stijena nije prilagođena uobičajenim načinima utovara (bager, utovarivač), ona se mora sekundarno usitniti što se obično postiže upotrebom hidrauličkih čekića.

Sekundarno razaranje hidrauličkim čekićem

Slika XXX Tehnologija iskopa hidrauličkim frakturiranjem (Fujita Corporation)

Principi i tehnike iskopa

11.8 Korištenje ekspanzivnih materijala za razaranje stijena (non explosive demolition) Često se za sekundarno razaranje stijena koristi svojstvo nekih amterijala da povećavaju volumen kada dođu u dodir s vodom. Još su se davno u kamenolomima korsistili drveni klinovi koji bi se u suhom stanju stavljali u bušutine. Nakon zalijevanja bušotina vodom drvo bi nabreklo i lomilo stijenu. Slično se radi i danas, samo se umjesto drvenih klinova koriste bubrivi materijali. Prednosti ovog načina razaranja su: • • • •

minimalni rizik jednostavno se izvodi, nije pod ingerencijom zakona koji uvjetuju educiranost osoblja i sigurnosne mjere koje se primjenjuju kod miniranja, ne proizvodi buku, vibracije, leteće komade stijena i prašinu.

Kalcijev oksid hidratacijom prelazi u kalcijev hidroksid pri čemu mu se povećava volumen. Mehanizam hidratacije: CaO+H2O= Ca(OH)2 + 15,6 Kcal/mol Koristi se u uvjetima gdje nije poželjno miniranje a upotreba strojeva je skupa zbog relativno malih dužina tunela Pripremljena se mješavina u tekućem ili plastičnom stanju ulijeva ili umeće u bušotinu. Brzina bubrenja ovisi o upotrebljenom bubrivom sredsvu.

Slika XXX Punjenje bušotina plastičnim bubrivim materijalom; Fragmentirana stijena

Slika XXX Brzina bubrenja dva tipa bubrivog materijala tvrtke Yoshizawa iz Japana (1MPa=10 kg/cm2); Primjer fragmeniranja stijenskog bloka

37

Podzemne građevine i tuneli

38

11.9 Klasifikacije stijenskih masa s obzirom na mogućnost kopanja Istraživanja stijenske mase pri gradnji nekog objekta uglavnom su usmjerena ka rješavanju problema njihove stabilnosti tijekom građenja i eksploatacije. Međutim, svakodnevno se susrećemo s problemom kopanja (razaranja) stijenske mase koji vrlo često postaje značajniji od problema stabilnosti. Tipični primjeri su problemi iskopa u urbanim sredinama gdje se ne mogu primjeniti tehnike miniranja zbog njihovog štenog djelovanja na ljude i susjedne objekte. Iskopi uz naftovode, plinovode, vodovode kao i iskop druge tunelske cijevi u uvjetima prometa kroz prvu, često isključuju miniranje kao način razaranja stijene. U ovim prilikama se pristupa strojnom iskopu. Miniranje je uglavnom efikasno u stijenskim masama vrlo različitih geoloških i geotehničkih svojstava. Međutim, u slučaju uporabe strojeva treba biti vrlo obazriv kako bi se izbjegle situacije koje obično završe na sudu. Naime, efikasnost uporabe odabranog stroja ovisi o brojnim svojstvima stijenske mase što se obično zaboravlja, a vrlo često oni koji odabiru strojeve (najčešće izvoditelji) malo znaju o ovoj problematici. Tehnološki razvoj strojeva omogućio je efikasno korištenje strojeve i u sredinama koje su nekada bile predodređene isključivo za miniranje. Na žalost, u praksi se i danas ponekad pozivamo na Privremene tehničke propise iz 1957. godine u kojima se govori o iskopu ašovom, pijukom, trnokopom, ćuskijama, uporabi baruta i slično, dok je za iskop čvrste stijene predviđeno isključivo miniranje. Pozitivan pomak napravljen je u Općim tehničkim uvjetima za radove na cestama, u kojima se govori o tri kategorije tla kod širokog iskopa (OTU, 2001). U ovom je poglavlju naglasak dan na iskope vezane uz građevinske zahvate. Kada se radi o rudarskim iskopima, treba znati da se tu radi o količinama i prostranstvima koje se građevinarstvu gotovo nikada ne pojavljuju. Masovnost iskopa i velike površine zahvaćene iskopom, rudarima otvaraju mogućnost uporabe strojeva koji se u građevinarstvu ne koriste (veliki bageri vedričari, veliki rotorni bageri i slično). Kod procjene mogućnosti kopanja neke stijenske mase moraju se u vidu imati dvije glavne komponente: svojstva stijene (stijenske mase) i svojstva stroja. Povećanjem snage stroja (na primjer-težina hidrauličkog čekića) otvara se mogućnost efikasnog kopanja i one stijenske mase koju lakši hidraulički čekić ne može kopati. Danas su opće prihvaćene dvije osnovne metode pri procjeni efikasnosti uporabe nekog stroja u određenoj geološkoj formaciji: 1. direktne metode kod kojih se vrši probni iskop odabranim strojem na lokaciji gdje će se vršiti iskop, 2. indirektne metode kod koji se procjenjuje efikasnost odabranog stroja na osnovi poznavanja geoloških i geotehničkih svojhtava stijenskih msa.

Direktne metode su vrlo efikasne ali se u građevinskoj praksi rijetko koriste. Češće se koriste u rudarstvu s obzirom na velike količine iskopanog materijala. Indirektne metode su izazov kako za getehničare i geologe tako i za proizvođače opreme. U nastojanju da se broj neugodnih iznenađenja svede na najmanju moguću mjeru, razvijeni su različiti klasifikacijski sustavi koji trebaju pomoći u sveobuhvatnom opisu i definiranju parametara stijenskih masa bitnih za efikasno kopanja (razaranje). 11.9.1 Regulativa u građevinskoj praksi Građevinska norma GN 200, donesena odmah nakon Drugog svjetskog rata, sve geološke formacije dijeli u sedam «kategorija zemljišta». Ova je norma odavno prevaziđena i potpuno neprimjerena novim tehnologijama iskopa. Nažalost, svjedoci smo da se još i danas projektanti pozivaju na normu u kojoj se govori o iskopu ašovom, pijukom, trnokopom, ćuskijama, upotrebi baruta i slično.

Principi i tehnike iskopa

OTU za radove na cestama (2001), široki iskop djeli u tri kategorije. Kategoriji A pripadaju sve čvrste stijene koje se razaraju isključivo miniranjem. Tlo iz kategorije C može se kopati bagerom, buldozerom i slično dok se u kategoriji B nalaze slabe stijene koje se mogu kopati strojevima uz djelomično miniranje. U ovim Uvjetima još uvijek se rabe neki stari, nestručni, termini kao što su ilovača, kamenita tla, zdravo stanje stijene i slično. Iz opisa pojedinih kategorija se može vidjeti da je ova kategorizacija temeljena na sljedećim elementima: litološkom opisu, kvalitativnoj procjeni mehaničkih svojstava i površnom opisu inženjerskogeoloških značajki stijenske mase. Niti jedan od parametara u kategorizaciji nije kvantificiran. Zato nije ni čudo što se, vrlo često, izvoditelji radova spore sa investitorima oko kategorije iskopa. OTU (2001) opisuje kategorije stijene na ovaj način: Pod materijalom kategorije “A” razumijevaju se svi čvrsti materijali, gdje je potrebno miniranje kod cijelog iskopa. Toj skupini pripadaju sve vrste čvrstih i veoma čvrstih kamenih tala kompaktnih stijena (eruptivnih, metamorfnih i sedimentnih) u zdravom stanju, uključujući i moguće tanje slojeve rastresitog materijala na površini, ili takve stijene s mjestimičnim gnijezdima ilovače i lokalnim trošnim ili zdrobljenim zonama. U ovu se kategoriju ubrajaju i tla koja sadrže više od 50% samaca većih od 0,5 m3, za čiji je iskop također potrebno miniranje. Pod materijalom kategorije “B” razumijevaju se polučvrsta kamenita tla, gdje je potrebno djelomično miniranje, a ostali se dio iskopa obavlja izravnim strojnim radom. Toj skupini materijala pripadaju: flišni materijali, uključujući i rastresiti materijal, homogeni lapori, trošni pješčenjaci i mješavine lapora i pješčenjaka, većina dolomita (osim vrlo kompaktnih), raspadnute stijene na površini u debljim slojevima s miješanim raspadnutim zonama, jako zdrobljeni vapnenac, sve vrste škriljaca, neki konglomerati i slični materijali. Pod materijalom kategorije “C” podrazumijevaju se svi materijali koje nije potrebno minirati, nego se mogu kopati izravno, upotrebom pogodnih strojeva - buldozerom, bagerom, ili skreperom. U ovu kategoriju spadala bi: • sitnozrnata vezana (koherentna) tla kao što su gline, prašine, prašinaste gline (ilovače), pjeskovite prašine i les, • krupnozrnata nevezana (nekoherentna) tla kao što su pijesak, šljunak odnosno njihove mješavine, prirodne kamene drobine - siparišni ili slični materijali, • mješovita tla koja su mješavina krupnozrnatih nevezanih i sitnozrnatih vezanih materijala. 11.9.2 Svojstva stijene i stijenske mase bitna za procjenu mogućnosti kopanja Razaranja stijene alatima prikazanim na slici XXX, komplaksan je proces. Pri odabiru stroja za konkretan slučaj iskopa, postavljaju se sljedeća pitanja: • • • • • •

koji će biti učinak stroja, koji rezni alat je nabolji, koji je najbolji položaj reznog alata na glavi stroja, kako potrošnju reznog alata svesti na minimum, kako izbjeći oštećenja nosača reznog alata, kako vibracije svesti na minimum.

Pri odabiru adekvatne tehnologije iskopa mora se voditi računa o stijenskoj masi kao sustavu koji se sastoji od intaktne stijene i diskontinuiteta te o činjenici da je stijenska masa anizotropna, nehomogena i prirodno napregnuta. To se vrlo često zanemaruje te je do danas zadržan pragmatičan pristup empirijske procjene brzine razaranja na osnovi poznavanja jednoosne tlačne čvrstoće stijene. Ovaj pristup je u praksi ponekad imao uspjeha zbog povezanosti čvrstoće s ostalim mehaničkim svojstvima stijene ali se najčešće pokazuje kao potpuno krivi jer zanemaruje inženjerskogeološka svojstva stijenske mase. Strukturna i druga svojstva stijenske mase te petrografska svojstva stijene, često su za iskop bitnija od

39

40

Podzemne građevine i tuneli

čvrstoće intaktne stijene. U praksi se stijena izrazito visoke jednoosne tlačne čvrstoće kopa vrlo efikasno ako je intenzivno ispucala (više skupova s malim razmakom diskontinuiteta). S druge strane, stijena povoljne čvrstoće teško će se kopati ako je masivna, s malo diskontinuiteta. Thuro i dr. (2002) prikazuju parametre stijene i stijenske mase bitne za definiranje svojstava stroja i potrošnju reznog alata (tablica XXX). Mineralni sastav i intaktna stijena kontroliraju tzv. osnovnu mogućnost kopanja, a stijenska masa kontrolira opću mogućnost kopanja (Thuro i dr. 2002).

Zubi glodača σu<70 MPa

Žrvanjska kruna σu=275-415 MPa

Diskovi σu=70-275 MPa

Mlaz vode σu=sve čvrstoće

Slika XXX Princip rada najčešće korištenih reznih alata s naznakom jednoosnih tlačnih čvrstoća stijena koje je moguće razarati (Hudson i Harrison, 2000) Tablica XXX. Parametri bitni za definiranje svojstava stroja i potrošnju reznog alata (Thuro i dr. 2002) Parametri intaktne stijene određeni u laboratoriju Jednoosna tlačna čvrstoća UCS (MPa) Rad razaranja po jedinici volumena Wz (kJ/m3) Modul elastičnoati E (GPa) Vlačna čvrstoća (MPa) Suha gustoća, poroznost D(g/cm3), P(%) Ekvivalentni sadržaj kvarca Equ (%) Indeks abrazivnosti stijene RAI=Equ x UCS Paremetri čije se utjecaj još uvijek ne može kvantificirati Primarna (in situ) naprezanja σ1; σ2; σ3 Dotok vode i kemizam vode Q (m3/s), kemijski sastav Bubrenje stijena (deformacija, naprezanja) h(%),σ (MPa) Parametri stijenske mase Razmak diskontinuiteta Razmak diskontinuiteta (cm) Stupanj ispucalosti RQD (%) Kut (0) u odnosu na os tunela Anizotropija, Folijacija ili orijentaciju kosine Parametri koji se mogu kvantificirati indirektnim metodama Stupanj uklještenja UCS, RAI Kvalitet cementacije UCS, RAI Stupanj trošenja i hidrotermalna alteracija Suha gustoća, porozitet Utjecaj stijena osjetljivih na vodu Udio glina Utjecaj nehomogenosti (zagradom je naglašen indirektan utjecaj)

Parametri bitni za stroj (rezni alat) stroj (rezni alat) (stroj) (rezni alat) stroj (rezni alat) stroj rezni alat rezni alat rezni alat stroj stroj stroj

(rezni alat) (rezni alat) (rezni alat)

stroj stroj stroj stroj stroj stroj stroj

rezni alat rezni alat rezni alat (rezni alat) rezni alat

11.9.3 Klasifikacijski sustavi Klasifikacijski sustavi stijenskih masa za procjenu efikasnosti kopanja nekim strojem, mogu se podijeliti u dvije skupine: (a) sustavi koji su prvenstveno namijenjeni za procjenu stabilnosti tunela (RMR-RockMass Rating, Bieniawskog i Q sustav Bartona) i (b) sustavi razvijeni samo za probleme kopanja (razaranja).

Principi i tehnike iskopa

41

Logično je nastojanje da se opće prihvaćene RMR (Bieniawski, 1976; 1989) i Q klasifikacija (Barton i dr. 1974) koriste za procjenu mogućnosti kopanja. Tako je Weaver još 1975 napravio modifikaciju RMR klasifikacije za procjenu podobnosti ripanja stijenske mase. Američka vojska preporuča ju kao prihvatljivu (U.S. Army Corps of Engineers, 1983). U ovoj klasifikaciji Weaver posebnu važnost daje brzini seizmičkih valova i razmaku diskontinuiteta. Caterpillar je iskoristio ovu klasifikaciju za odabir snage buldozera prema ukupnom zbroju bodova Weaver-ove klasifikacije. Brojni su i drugi pokušaji korištenja Q i RMR klasifikacije u originalnim i modificiranim oblicima. Nažalost niti jedna od njih nije široko prihvaćena. Publicirani su rezultati brojnih istraživanja rezultat kojih je modifikacija postojećih klasifikacija kako bi se mogle koristiti kod problema kopanja Tablica 3.2 Mogućnost ripanja u funkciji brzine seizmičkih valova za buldozer Caterpillar D10 (Caterillar, 1983; Hudson i Harrison, 2000) Brzina prostiranja seizmičkih valova km/s Površinsko tlo Glina Morenski materijal Magmatske stijene Granit Bazalt Žične stijene Sedimentne stijene Šejl Pješčenjak Prahovnjak Glinjak Konglomerat Breča Kaliće Vapnenac Metamorfne stijene Škriljavac Slejt Minerali i rude Ugljen Željezna rudača

0

1

2

3

Pogodno za ripanje Zanemariva mogućnost ripanja Ripanje nije moguće

U Catterpilaru su zaključili da će se mogućnost ripanja dobro procjeniti na osnovi seizmičkih brzina ako već postoji korelacija brzine i postignutih učinaka u istoj stijenskoj masi. Oni su izradili dijagrame za procjenu mogućnosti kopanja buldozerima DL8 (250kW), DL9 (343 kW) i D10 (522 kW) . Kod širokih (površinskih) iskopa, mnogi istraživači značajnu ulogu daju brzini prostiranja seizmičkih valova. Srednja seizmička brzina ovisi o čvrstoći stijene, uslojenosti, stupnju ispucalosti, stupnju trošenja, dakle o svim faktorima koji direktno određuju učinkovitost ripanja. Općenito, manje brzine ukazuju na bolju efikasnost ripanja. Međutim, samo srednja brzina seizmičkih valova ne korelira dobro s mogućnošću ripanja. Na primjer, trošan ili slabo ispucali granit koji se teško ripa ima slične brzine kao i prahovnjak koji se lako ripa. Kod nas je česta pojava okršenih površinskih zona u kojima su brzine male a mogućnost ripanja zanemariva.

42

Podzemne građevine i tuneli

Basarir i Carpuz (2004) daju klasifikacijsku sustav za pogodnost ripanja lapora u rudnicima lignita. (marl type cola measure rocks). Istraživanja su proveli na šest rudnika lignita u Turskoj. Klasifikacijski sustav se temelji na svojstvima stijenske mase i intaktne stijene, učincima ripanja na terenu i specifičnoj energiji stijena (specific energy values of rocks). Svojstva stijenske mase opisana su s četiri parametra: jednoosnom tlačnom čvrstoćom, brzinom seizmičkih P valova, razmakom diskontinuiteta i tvrdoćom određenom Schmidtovim čekićem. Svako svojstvo je bodovano posebno a klasa ripabilnosti se određuje na osnovi ukupnog broja bodova (tablica XXX).

Tablica XXX Ripability rating chart (Basarir i karpuz, 2004) Parametar

1 0-800 0-5 <0,1 <5 0-5 <0,50 0-3 <15 0-2

Brzina P-valova, m/s Bodovi Indeks čvrstoće u točki, MPa Jednoosna tlačna čvrstoća, MPa Bodovi Srednji razmak diskontinuiteta, m Bodovi Tvrdoća određena Schmidtovim čekićem Bodovi

2 800-1000 5-15 0,1-0,5 5-15 5-18 0,5-1 3-10 15-35 2-7

Klasa 3 1000-2000 15-20 0,5-1 15-25 18-25 1-1,5 10-14 35-45 7-10

4 2000-2500 20-30 1-2 25-45 25-35 1,5-2,5 14-20 45-50 10-15

5 >2500 30 >2 >45 35 >2,5 20 >50 15

Specifična energija određuje se u laboratoriju na blokovima stijene i predstavlja rad potreban za iskop jediničnog volumena stijene. Ovo je uobičajeni način za procjenu djelotvornosti stroja sa pokretnom glavom i stroja za iskop tunela u punom profilu (krtica). Kako za određivanje specifične energije treba imati na raspolaganju posebnu laboratorijsku opremu, Basarir i Carpuz (2004) daju korelaciju specifične nergije i jednoosne tlačne čvrstoće u sljedećem obliku SE=0,2UCS+2,41 (MPa) Cjelokupan klasifikacijski sustav za procjenu podobnosti ripanja stijenske mase prikazan je u tablici XXX. Uvođenje koncepta specifične energije u ovaj sustav je glavni doprinos ovog sustava u odnosu na druge slične sustave. Tablica XXX Klase ripabilnosti lapopra (Basarir i karpuz, 2004)

a b

D8

D9

0-20 20-55

Specifična energija, MJ/m3 <3,75 3,75-5,25

Učinak, m3/h >1300 900-1300

Assessed class Vrlo lako Lako

3 4 5

55-70 70-85 85-95

5,25-7,00 7,00-9,00 >9,00

400-900 250-400 <250

6

95-100

-

0

Srednje Teško Vrlo teškob Miniranje

Kla sa

Bodovi

1 2

Učinak, m3/h >1500 10001500 450-1000 285-450 <285 0

Assessed class Vrlo lakoa Lako Srednje Teško Vrlo teškob Miniranje

D10 Učinak, m3/h Assessed class >6000 Vrlo lakoa 4300-6000 Vrlo lakoa

D11 Učinak, m3/h Assessed class >100000 Vrlo lakoa 7000-10000 Vrlo lakoa

1900-4300 1200-1900 <600

Vrlo lakoa Lako Teško

3000-7000 2000-3000 <8000

Vrlo lakoa Vrlo lakoa Lako

<150

Vrlo teškob

<250

Teško

U ovim slučajevima, upitno je koristiti dozere D10 i D11, pošto će i i D8 biti visoko djelotvoran Na ovim terenima nema potrebe koristiti dozere D8, D9 i D10, jer će svi imati vrlo slab učinak

11.9.4 Primjeri iz prakse Za iskop tunela Chiffa (12.483 m) i Hrbil (4.568 m), Hidroelektra-Zagreb je u periodu od 1984 do 1993 koristila strojeve s pokretnom glavom Westfalia Lünen, model Luchs B. Korištena su 4 stroja istog tipa. Tuneli su većim dijelom kopani u miocenskim laporima medejskog bazena te u škriljavcima različitih inženjerskogeoloških i geotehničkih svojstava koji se nalaze na rubovima bazena. U laporima se stroj pokazao vrlo efikasnim. Najveći problem iskopa u laporima bila je prašina koja se teško skupljala i s najmodernijim sakupljačima. Međutim, odabrani strojevi su imali mali ili nikakav učinak u škriljavcima. Proizvođač stroja je garantirao djelotvoran rad u stijenama čvrstoće manje od 80 MPa (određena na kockama 50x50xx50 mm). Praksa je pokazala da stroj nije bio efikasan već kod čvrstoća oko 60 MPa

Principi i tehnike iskopa ako je razmak diskontinuietta bio veliki. Samo u slučaju intenzivno ispucale stijenske mase (razmak diskontinuiteta manji od 100 mm), stroj je mogao kopati i stijenu čvrstoće veće od 80 MPa, pri čemu zubi nisu rezali stijenu već su izvaljivali pojedine blokove.

Slika XXX Stroj s pokretnom glavom Westfalia Lünen, model Luchs B koji je Hidroelektra-Zagreb koristila za iskop tunela Chiffa i Harbil U alžiru (1985-1993)

Slika XXX Stroj s pokretnom glavom Westfalia Lünen, model Luchs B pri proboju tunela Harbil (miocenski lapor).

43

44

Podzemne građevine i tuneli

1

2

3

1,5 m

1,5 m

1. Adhezijsko stijensko sidro duljine 2 m, promjera 25 mm 2. Mlazni beton debljine 12 cm armiran mrežom 150/150/5 mm 3. Nearmirana betonska ploča debljine 15 cm

2,9 m

Slika XXX Poprečni presjek s prikazom primarne podgrade u tunelima Chiffa i Harbil U nastavku se analizira učinkovitost stroja s pokretnom glavom Westfalia Lünen, model Luchs B, na primjeru iskopa tunela Harbil. Tunel Harbil prolazi geološkim formacijama koje pripadaju donjoj kredi i miocenu. Formacija donje krede sastoji se od tamnih glinenih škriljavaca s proslojcima vapennaca male debljine od 10 do 30 cm, te mjestimično od paketa prašinaste gline. Prethodnim istraživanjima koji su poslužili za izradu ponudbene dokumentacije definirana su slijedeća svojstva ove serije: RQD<25%; jednoosna tlačna čvrstoća 10-30 MPa; abrazivnost (% slobodnog SiO2) srednje niska, IV kategorija RMR klasifikacije. Ista dokumentacija sadrži sljedeće podatke o laporima miocenske serije: CH gline prema AC klasifikaciji, jednoosna tlačna čvrstoća 1-3 MPa, sposobnost bubrenja, V kategorija po RMR klasifikaciji. Ovi su podaci bili odlučujući pri odabiru tehnologije iskopa, odnosno odabira stroja WL Luchs B. Tijekom izvođenja, izvoditelj je bio suočen s bitno različitim inženjerskogeološkim i geotehničkim svojstvima formacije glinenih škriljavaca. Većih iznenađenja u formaciji miocenskog lapora nije bilo. U formacijama glinenih škriljavaca iznanada se nailazilo na pakete pješčenjaka čvrstoće do 180 MPa što je prouzročilo jake udare na sve dijelove stroja. Veća abrazivnost od prognozirane imala je za posljedicu kratak vijek trajanja zubiju na reznoj glavi i lanca transportera. Dionice na kojima uporaba stroja nije bila moguća, iskopane su uz uporabu eksploziva. Nakonšto je iskopano 985 metara tunela kombiniranim načinom (173,4 m tunela iskopano je klasičnim načinom a 811,6 m strojem), stroj je morao biti generalno popravljen jer više nije bio za uporabu. Pri tome je stroj radio ukupno 1785 sati a rezna glava 1160 sati. U tablici XXX prikazani su učinci istog tipa stroja u dvije geološke formacije. Da je u formaciji glinenih škriljavaca postignuto napredovanje kao u formaciji miocenskih lapora, ova bi dionica bila iskopana 81 dan ranije.

Principi i tehnike iskopa

45

Tablica XXX Kvarovi stroja WL Luchs B pri iskopu dviju geoloških formacija u tunelu Harbil Iskop tunela Harbil u formaciji glinenih škriljavaca (L=811,6 m) Ukupan rad stroja: t1=1785 sati Ukupan rad rezne glave: t2=1160 sati Stroj je bio novi, nije ranije korišten Veći kvarovi stroja: 1. Prednji grabuljasti transporter zamjenjen 3 puta 2. Zamjenjeni natezači lanca (5 kom) 3. Zamjenjena osovina prednjeg grabuljastog transportera 4. Pumpa rashladnog sistema zamjenjena 4 puta 5. Zamjenjen motor ventilatora za hlađenje 6. Otpadanje bubnja električnog kabla više puta 7. Izmjena pogonske osovine s polutkama nosača zubiju Potrošnja zubiju glodača: Krupp (vidia)-650 kom; Boart RM-8-140 kom) Učinak stroja između stacionaža 0+125 i 0+864: 3,1 m/dan (48, 4 metra iskopano je miniranjem)

Iskop tunela Harbil u formaciji miocenskih lapora (L=1421 m) Ukupan rad stroja: t1=3695 sati Ukupan rad rezne glave: t2=2536 sati Stroj je prije dolaska u tunel Harbil radio u tunelu Chiffa ulaz (t1=1586 sati, t2=1213 sati Veći kvarovi stroja: 1. Pumpa rashladnog sistema zamjenjena 2 puta 2. Zamjenjen hidromotor s reduktorom bušilice 3. Zamjenjen jedan natezač lanca 4. Pumpa rashladnog sistema zamjenjena 2 puta

Potrošnja zubiju glodača:Boart RM-8-250 kom Učinak stroja pri iskopu 1060 m četvrte sekcije tunela: 4,8 m/dan

S još većim problemom se suočio izvođač na tunelu Chiffa-Ulaz jer je oko 5 km tunela iskopano u formacijama koje su bile nepovoljne za iskop strojem WL Luchs B. U zračnoj luci Dubrovnik izvršeno je uklanjanje četiri zelena otoka tijekom 2003.godine. Iskop je vršen prema glavnom projektu u kojem je izvršena procjena zastupljenosti pojedinih kategorija iskopa. Iz razumljivih razloga razarenje stijene nije vršeno miniranjem već su za iskop korišteni hidraulički čekići. Kako izvoditelj nije postizao zadovoljavajuće učinke, zatraženo je stručno mišljenje sa zahtjevom da se izvrši kategorizacija stijenske mase. Tada je postojala dobra prilika da se to mišljenje kvalitetno dokumentira jer je iskop otkrio stanje stijenske mase koje je bilo teže uočiti prethodnim istražnim radovima. Na žalost, autor ovog stručnog mišljenja pokazao je temeljno nepoznavanje ove problematike. Bez ijednog snimljenog podatka o inženjerskogeološkom stanju stijenske mase koja su u to vrijeme bila u vidljiva a na osnovi nekoliko vrijednosti indeksa čvrstoće u točki na uzorcima za koje se ne zna lokacija, izvršena je potuno proizvoljna procjena kategorija iskopa prema normi GN200. Nakon toga, zatraženo je od Instituta građevinarstva Hrvatske iz Zagreba kategoriziranje stijenske mase na zelenom otoku broj 2. Radovi su izvršeni u svibnju 2003.

46

Podzemne građevine i tuneli

Stijenska masa sa vrlo velikim razmakom diskontinuiteta. S obzirom na veličinu blokova može se opisati kao «massive» (ISRM, 1978)

Stijenska masa sa širokim rasponom razmaka diskontinuiteta. S obzirom na veličinu blokova može se opisati kao «irregular» (ISRM, 1978)

Kategorijaiskopa A

Kategorijaiskopa C

Slika XXX. Zone različite ispucalosti stijenske mase. Fotografija snimljena 12.04.2003.na Zelenom otoku 2. Kategoriziranje stijenske mase obavljeno je na osnovi: • •

inženjerskogeoloških svojstava stijenske mase, mehaničkih svojstava intaktne stijene.

Na terenu je izvršeno iskolčenje profila na razmacima cca 5-10 m (ukupno 53 profila). Inženjerskogeološkim snimanjem utvrđena su opća strukturna i litološka svojstva stijenske mase. Naročita pažnja posvećena je ispucalosti stijenske mase i čvrstoći intaktne stijene, kao najvažnijim parametrima pri kategoriziranju stijenske mase. Pri tome je korištena metodologija opisana u preporukama Međunarodnog društva za mehaniku stijena (ISRM, 1978). Istraživanja su pokazala da se stijenska masa u karakterističnom profilu može podjeliti na tri inženjerskogeološke jedinice: Inženjerskogeološka jedinica 1. Vapnenci i dolomitični vapnenci, slabo izlomljeni, debelo bankoviti do masivni, bijeličaste boje. Čvrstoća, određena geološkm čekičem, iznosi između 150 i 200 MPa (veoma čvrsta stijena). Sadrži manje od 1 -3 pukotine u m3 stijenske mase (veoma veliki i veliki blokovi). Prema osnovnoj geološkoj karti ti materijali su paleogenske starosti. Inženjerskogeološka jedinica 2. Vapnenci i dolomitični vapnenci, srednje do jako izlomljeni, tanko do debelo slojeviti, bijeličaste boje. Čvrstoća, određena geološkm čekićem, iznosi između 100 1150 MPa, kadikad i manje od 100 MPa (čvrsta do veoma čvrsta stijena). Sadrži 3 do više od 30 pukotina u m3 stijenske mase (srednje veliki, mali i veoma mali blokovi). U pojedim zonama stijena je dosta do jako

Principi i tehnike iskopa

47

okršena s glinovitom ispunom pukotina i okršenih formi. Prema osnovnoj geološkoj karti ti materijali su paleogenske starosti. Inženjerskogeološka jedinica 3. Kršje i samci vapnenca i dolomitičnog vapnenca vezani glinom visoke plastičnosti, glina s dosta do puno kršja i samaca vapnenca, mjestimično i čista glina visoke plastlčnost. U prvih 30 do 40 cm pokrova mjestimično se zapaža i smeđecrvena humusna zona. U ovu zonu uvršteni su sedimenti kvartarnog pokrova i rezidualne gline s kršjem (u vrtačastim formama, u osnovnoj stijeni). Tijekom inženjerskogeoloških snimanja na terenu, procjenjena je čvrstoća zidova diskontinuiteta i čvrstoća intaktne stijene udarcima geološkog čekića sukladno preporukama ISRM (1978). Ispitivanja pokazuju da intaktna stijena pripada kategoriji čvrstih do vrlo čvrstih stijena. Kako zidovi pukotina nisu pretrpjeli značajno trošenje, stijena se i po parametru čvrstoće zidova diskontinuiteta može svrstati u kategoriju čvrstih do vrlo čvrstih stijena (ISRM, 1978). Veza između naprijed opisanih inženjerskogeoloških jedinica i kategorija iskopa prema OTU (2001) uspostavljena je na ovaj način: 1. 2. 3. 4.

Stijenska masa koja pripada inženjerskogeološkoj jedinici 1 svrstana je u kategoriju A. Stijenska masa koja pripada inženjerskogeološkoj jedinici 2 svrstana je u kategoriju B. Stijenska masa koja pripada inženjerskogeološkoj jedinici 3 svrstana je u kategoriju C. Na mjestima gdje kategorija B i C pokriva kategoriju A, u ukupnoj debljini manjoj od 1 m, kategorije B i C su prevedene u kategoriju A, kako je to preporučeno prema OTU-2001.

Zastupljenost pojedinih kategorija iskopa u karakterističnom presjeku izračunata je na osnovi udjela pojedinih litoloških jedinica na svakom od snimljenih profila Ovi primjeri pokazuju kako loši prethodni istražni radovi mogu prouzročiti velike probleme za sve sudionike u građenju tunela. Obično najveću štetu trpe izvoditelj (povećani troškovi građenja) i investitor (produljenje rokova) dok glavni krivac za nastalo stanje ostane po strani. Izvoditelj prethodnih istražnih radova nije sudionik građenja. 11.10 Rječnik raise

Upwardly constructed shaft, i.e., an opening, like a shaft made in the roof at one level to reach a level above

11.11 Literatura Babendererde, S., Babendererde L., 1996, Tunnel Boring Machines, Balkeme, p. 130, 260 p. Babendererde, S., Babendererde L., 1996, Tunnel Boring Machines, Balkeme, p. 130, 260 p. (Wagner H., Schulter, A., editors) Barla, G., Pelizza, S., TBM tunnelling in difficult ground conditions Barton, N., 2000, TBM Tunnelling in Jointed and Faulted Rock, Balkema, 172 p. Barton, N.R., Lien, R. and Lunde, J. 1974. Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mech. 6(4), 189-239. Basarir, H., Karpuz, C., A Rippability classification system for marls in lignite mines, Engineering geology 74 (2004) 303-318. Bieniawski Z.T. 1989. Engineering Rock Mass Classifications. Wiley, New York. Božić, B., 2001, Minerski priručnik, Izdavač: dr.sc. Branko Božić, 122 str.

Podzemne građevine i tuneli

48

Caterpillar. 2000. Handbook of Ripping, 7th ed. Catterpillar Tractor Co., Peoria, III., 1983. GN 200. Prosečne norme u građevinarstvu, II deo, Niskogradnja, Norma 200-Zemljani radovi i sondaže. Hanamura, T., 1996, State of the Art of the Japanese TBM Technology, New Developments, Tunnel Boring Machines, Balkeme, p. 130, 260 p. (Wagner H., Schulter, A., editors) Herrenknecht, M., 1998, Inovation in Machine driving tunnelling by M., WT March 1998, pp. 79-80) Hudson, J.A. and Harrison J.P. 2000. Engineering Rock Mechanics, An introduction to the principles, Pergamon. ISRM, Commission on Standardization of Laboratory and Field Tests, (1978), Suggested Methods for the Quantitative description of Discontinuities in Rock Masses, In: Int. Your. Rock Mech. Min. Sci. and Geomech. Abstr. Vol. 15, pp 319-368. Izvještaj o kategoriziranju stijenske mase na zelenom otoku 2 u zračnoj luci Dubrovnik, 2003, Dokumentacija Instituta građevinarstva Hrvatske (Autori: Ivan Vrkljan i želimir Ortolan) Kolić, D., Hörlein, N., Steiner, H., 2006, Tunel za instalacije ispod glavnog kolodvora u Grazu, Austrija Priopćenja 4. Savjetovanja HGD-a, Ojačanje tla i stijena, Opatija, 5.-7. listopada 2006.

Konda, T., Shield Tunnelling Method Kramadibrata, S., 1996, The influence of rock mass and intact rock properties on the design of surface mines with particular reference to the excavatability of rock, PhD thesis, School of Civil Engineering, XXXX Krsnik, J., 1989, Miniranje, Rudarsko-geološko-naftni fakultet Svaučilišta u Zagrebu, 179 str. Microtunnelling by. Paul Hayward, WT March 1997, pp.77-81) OTU. 2001. Opći tehnički uvjeti za radove na cestama knjiga II – Zemljani radovi, odvodnja, potporni i obložni zidovi, Hrvatske ceste - Hrvatske autocest, Zagreb. Rock Mechanics in Japan, Vol. VI, 1991. str. 59) Thuro, K., Plinninger, R.J. and Spaun G. 2002. Drilling, Blasting And Cutting – Is it Possible to Quantify Geological Parameters Relating to Excavatability? Engineering Geology for Developing Countries - Proceedings of 9th Congress of the International Association for Engineering Geology and the Environment. Durban, South Africa, 16 - 20 September 2002 - J. L. van Rooy and C. A. Jermy, editors. U.S. Army Corps of Engineers. 1983. Rock Mass Classification Data Requirements For Rippability, CECW-EG Washington, DC 20314-1000 ETL 1110-2-282; Technical Letter No. 1110-2-282 30 June 1983, Engineering and Design. Vervoort, A., De Wit, K., 1997, Use of rock Mass Classifications for Dreging, Int. J. Rock Mech. Min. Vol.34, No 5, pp.859-864.

Ivan Vrkljan

12. Posebne metode građenja tunela Prikazane su neke metode građenja koje ne pripadaju klasičnim metodama građenja (miniranje) niti raznim oblicima strojnog iskopa tunela. Opisane metode koriste se uglavnom kada su tuneli položeni nisko ispod površine tla (lažni tuneli i tuneli građeni pod zaštitom dijafragme) odnosno kada se u plitku vodu polaže tunelska cijev na dno mora, rijeka ili jezera

2

Podzemne građevine i tuneli

12

Posebne metode građenja tunela

12.1 Uvod Reagiranje sredine na otvaranje podzemne prostorije može biti vrlo različito. Prema vrsti sredine, tla ili stijene u kojoj leži tunel, mogu se definirati četiri osnovne metode gradnje (ITA, Smjernice za projektiranje tunela (ITA guidelines for the design of tunnels): • •

•

•

pri gradnji podzemne prostorije u otvorenoj građevnoj jami, tlo najčešće djeluje samo kao opterećenje, kao i kod svake nadzemne građevine (engl: cut-and-cover tunnelling). Nekada se ovi tuneli nazivaju lažnim tunelima. u nevezanim stijenama i tlu, te zatvorenom načinu gradnje, mora se ostvariti neposredno podupiranje krutom podgradom (kao pri napredovanju sa štitom, zacjevljenjem profila i vododrživim štitom na čelu). U ovom slučaju redovito sudjeluje i stijena u prijenosu opterećenja jer postoji određen otpor tla na radijalne deformacije prema van. u polučvrstoj stijeni ili tlu s većom kohezijom stijena može biti dovoljno stabilna da na određenoj dužini od čela i određeno vrijeme izdrži bez podgrađivanja. Ovdje mogu nastati i neka trajna rasterećenja i prije nego što postane djelotvorna privremena ili trajna podgrada. U tom će slučaju samo (često mali) dio primarnog stanja naprezanja djelovati na oblogu koju treba dimenzionirati. Čvrsta stijena sama može osigurati stabilnost iskopa tako da je potrebna eventualno samo tanka podgrada za površinsku zaštitu

sidra mlazni beton armatura čelični lukovi rešetkasti lukovi piperoof betoniranje izrezanihslotova xxx xxx

Slika XXX Četiri osnovne metode gradnje

3

Posebne metode građenja tunela

12.2 Lažni tuneli (cut and cover tunells) Englesko ime ove metode građenja (cut and cover tunells) upućuje na samu metodu građenja (iskopaj i pokrij). Francuzi ove tunele nazivaju lažnim tunelima (faux tunel) pa se i u našoj praksi nekada koristi ovaj izraz. Ova se metoda koristi kada tunel prolazi plitko ispod površine terena. Iskop plitkih tunela klasičnim načinima povezan je sa nizom problema stabiliziranja čela iskopa. Zbog toga je često ekonomičnije i brže izvršiti iskop, izgraditi tunelsku cijev u otvorenoj građevnoj jami i nakon toga teren vratiti u prvobitno stanje. Slika XXX prikazuje princip gradnje lažnih tunela. Kod ovog načina gradnje, javlja se sljedeća geotehnička problematika:

• • • •

stabilnost kosina građevne jame, treba odabrati tehnologiju iskopa primjerenu geološkim svojstvima stijenske mase, treba riješiti problem odvodnje građevne jame tijekom kišnih perioda ili dotoka podzemne vode, treba riješiti tenologiju zasipavanja kako tunelska cijev nebi trpila nesimetrična opterećenja.

Faza 1: Priprema površine (sječa raslinja, uklanjanje objekata na površini i slično)

Faza 2: Iskop rova

Faza 3: Izgradnja podloge tunelske cijevi (beton ili kameni nasip)

Faza 4: Izgradnja tunelske cijevi

Faza 5: Zatrpavanje tunela i rekultivacija površine

Slika XXX princip gradnje lažnih tunela

4

Podzemne građevine i tuneli

Hidroelektra je za skretanje rijeke Harbil u Alžiru izgradila tunel Harbil u duljini 4.740 m. Neki djelovi tunela izgrađeni su kao lažni tuneli a veći dio je iskopan strojevima s pokretnom glavom. Lažni su tuneli izgrađeni na dva načina. Na tri od četiri tunela u otvorenim je iskopima izgrađena jedinstvena betonska obloga tunela koja je nakon završetka gradnje zatrpana. Na jednom od tunela je u otvorenom iskopu izgrađena obloga koja ima funkciju adekvatnu funkciji primarne podgrade u dijelovima tunela koji su kopani pomoću strojeva (stabilizaciju otvora). Sekundarna betonska obloga na ovom je tunelu ugrađena u vrijeme kada je građena i na ostalim dijelovima tunela koji je kopan strojeno. Obloga tunela koji je kopan strojevima sa pokretnom glavom sastoji se od primarne (stabilizira iskop) i sekundarne betonske obloge koja daje funkcionalan kružni poprečni presjek tunelu i povećava stabilnost tunela. Primarna obloga tunela sastoji se od armiranog mlaznog betona, sidara i po potrebi čeličnih lukova. Sekundarna betonska obloga

L=4.740 m

Dionice izvedene kao lažni tuneli

Slika XXX Tunel Harbil u Alžiru Izvoditelj: Hidroelektra, Zagreb (1985-1987).

Slika XXX Loše rješena odvodnja površinskih voda na tunelu Harbil dovela je do potapanja lažnih tunela i ranije iskopanih dionica klasičnim načinom Hidroelektra, Zagreb (1985-1987).

5

Posebne metode građenja tunela

Tunel Harbil u Alžiru Izvoditelj: Hidroelektra, Zagreb (1985-1987). Cut and Cover tehnologijom izvedena je samo primarna podgrada tunela (čelični lukovi i armirani mlazni beton). Sekundarna betonska obloga (unutarnja) izvedena je nakon zatrpavanja tunela.

Slika XXX Lažni tunel Harbil u Alžiru (Hidroelektra 1985-1987) Tunel Harbil u Alžiru Izvoditelj: Hidroelektra, Zagreb (1985-1987). Tunelska je obloga izvedena u dvostranoj oplatina na licu mjesta. Betoniranje obloge prati zasipavanje završenog dijela tunela

Slika XXX Lažni tunel Harbil u Alžiru (Hidroelektra 1985-1987)

Podzemne građevine i tuneli

Zbog nepravilnog zatrpavanja betonske tunelske konstrukcije Gerrards Cross tunela na pravcu LondonBirmingham, 30.06.2005. je došlo do urušavanja 30 m tunelske konstrukcije. Naime, pri zatrpavanju je preopterećena kalota konstrukcije prije nego što su dovoljno zasuti bokovi tunela.

Slika XXX. Urušavanje Gerrards Cross air rights tunnel na pruzi London-Birmingham line (Ground Engineering, September 2005)

6

7

Posebne metode građenja tunela

12.3 Uronjeni tuneli

Kada se želi savladati vodena prepraka na raspolaganju je nekoliko mogućih rješenja. Neke od njih prikazuju slika XXX i slika XXX . Jedno od mogućih rješenja je i uronjeni tunel.

uronjeni tunel Bušeni tunel Most

Slika XXX Tri mogućnosti za savladavanje vodene prepreke; Uronjeni i bušeni tuneli Plutajući tuneli (Submerged floating tunnel)

Slika XXX Dvije varijante plutajućih tunala Uronjeni tuneli grade se već više od 100 godina. Izgrađeno je više od 150 ovakvih tunela, od toga oko 100 kao cestovni i željeznički tuneli. Prednosti gradnje uronjenih tunela: • • • • • • • •

Mogu imati proizvoljni poprečni presjek što je bitno kada se kombinira željeznički i cestovni promet. U odnosu na bušeni tunel na istom mjestu ima manju duljinu. U odnosu na bušeni tunel na istom mjestu, ima manji nagib nivelete što je bitno kod željezničkih tunela. Vrijeme građenja je kraće u odnosu na bušeni. Rad je sigurniji. Mogu se polagati na tlo izuzetno loših svojstava. Bolje podnose seizmičke efekte i pokrete tijekom potresa. Problemi iskopa bušenog tunela za posljedicu imaju zakašnjenje cijelog projekta. Kod potopljenog tunela, mogu se istovremeno obavljati sve faze gradnje. Dok se posljednji elementi potapaju, u one prve su već ugrađene isntalacije i obavljaju se završni radovi.

Podzemne građevine i tuneli

Slika XXX Shematski prikaz uronjenog tunela; Glodač sa iskop dna mora Faze građenja uronjenog tunela: • • • • • •

proizvodnja prefabriciranih elemenata, iskop na mjestu polaganja tunela, transport prefabriciranih elemenata, polaganje prefabriciranih elemenata tunela, spajanje prefabriciranih elemenata tunela, zatrpavanje tunela.

Najznačajniji projekt uronjenog tunela realiziran je na projekltu ØRESUND. Glavne karakteristike Øresund projekta (tunelski dio): • • • • • • • • • •

povezuje Malmö i Kopenhagen, cestovni i željznički promet, pušten u pogon: 2000 god., most duljine 7845 m, tunel duljine 3510 m, umjetni otok duljine 4050 m, najveći raspon mosta: 490 m dimenzije betonskih elementa tunela: 176x40x9 m, masa jednog betonskog elementa: 55 000 t, 3 ukupna količina betona: 700 000 m .

Slika XXX Poprečni presjek uronjenog tunela na projektu ØRESUND

8

Posebne metode građenja tunela

Slika XXX ØRESUND projekt u nekoliko slika

9

10

Podzemne građevine i tuneli

12.4 Iskop pod zaštitom dijafragme Ovaj se ančin vrlo četo koristi u gradovima tijekom iskopa tunela podzemnih željeznica i drugih objekata. Dijafragma može biti izvedena kao niz bušenih pilota ili kao klasična armiranobetonska dijafragma. Prednost ovog načina građenja je što uz dobru organizaciju građenja, poremećaj prometa na površini može biti minimalan. Faza 1: Priprema površine (sječa raslinja, uklanjanje objekata na površini i slično)

Faza 2: Iskop rova

Faza 3: Izgradnja dijafragmi (zidova budućeg tunela)

Faza 4: Betoniranje stropne ploče

Faza 5: Zatrpavanje tunela i rekultivacija površine

Faza 6: Iskop tunela

Iskop

Faza 7: Betoniranje podne ploče

Slika XXX Princip izgradnje tunela pod zaštitom dijafragme

Posebne metode građenja tunela

Slika XXX Iskop pod zaštitom dijafragme od bušenih pilota. Vide se gornja i podna ploča kao i ventilacijska cijev

11

Podzemne građevine i tuneli

12.5 Rječnik

12.6 Literatura ITA, Smjernice za projektiranje tunela (ITA guidelines for the design of tunnels)

12

Ivan Vrkljan

13. Hidroizolacija i odvodnja tunela Prikazani su osnovni principi odvodnje tunela tijekom građenja i način postavljanja hidroizolacije prije betoniranja obloge tunela.

2

Podzemne građevine i tuneli

13

Hidroizolacija i odvodnja tunela

13.1 Uvod Voda u tunelu je gotovo redovita pojava. Tunel se odvodnjava: • •

tijekom građenja, tijekom eksploatacije.

Vodu treba kontrolirano odvesti iz iskopa jer: • • • •

može potopiti tunel u slučaju nagiba nivelete u masiv, otežava rad osoblju, može oštetiti strojeve i instalacije, može utjecati na slabljenje mehaničkih svojstava stijenske mase.

Voda se iz tunela odvodi na dva načina: • •

gravitacijskim tečenjem do portala tunela ili u kavernu, tlačnim cjevovodima uz pomoć pumpi.

Voda u tunelu Sv. Rok

Voda u tunelu MOFFAT 1923-1927 (USA)

Slika XXX Voda često prati gradnju tunela jer tunel uvijek djeluje kao dren ukoliko je pozicioniran ispod nivoa podzemne vode

3

Hidroizolacija i odvodnja tunela

13.2 Odvodnja tunela tijekom građenja

Kanal za sakupljanje podzemne vode

Kolektor

Slika XXX Gravitacijsko tečenje vode kod dvostranog nagiba nivelete

Cjevovod

Kanal za sakupljanje podzemne vode

Potapajuće pumpe

Kanal za sakupljanje podzemne vode

Slika XXX Odvodnja tunela kod jednostranog nagiba tunela

A Cjevovod Kanal za sakupljanje podzemne vode Potapajuće pumpe

Slika XXX Odvodnja tunela tijekom građenja

4

Podzemne građevine i tuneli

13.3 Hidroizolacija tunela Prema Pravilniko o tehničkim uvjetima za projektiranje i gradnju tunela na cestama (SL 59/73) hidroizolavcija tunala izvodi se radi: • • •

Zaštite obloge od štetnih učinaka podzemne vode Zaštite kolnika i instalacija u tunelu Sigurnosti prometa

Hidroizolacija tunela se kod klasične gradnje redovito postavlja između primarne (armirani mlazni beton, sidra, čelični lukovi i sl.) i sekundarne obloge (betonska obloga). Izolaciju čini vodonepropusna PVC folija koja se vari na licu mjesta. Svaki se var provjerava. Između mlaznog betona i PVC folije ugrađuje se geotekstil koji služi kao drenažni sloj a ujedno štiti PVC foliju od oštećenja.

A Stijena Mlazni beton Betonska obloga Filc PVC folija Čavao za pričvršćivanje folije

Slika XXX Hidroizolacija tunala kod klasičnog načina gradnje

Slika XXX Drenažni sloj (geotekstil) i PVC folija između mlaznog betona i betonske obloge

Hidroizolacija i odvodnja tunela

Slika XXX PVC folija prije i poslije varenja 13.4 Rječnik 13.5 Literatura Hoek E., Big Tunnels in Bad Rock (2000) TERZAGHI LECTUREPaper published in the ASCE Journal of Gotechnical and GeoenvironmentalEngineering, Vol. 127, No. 9, Sept 2001, pages 726-740. Str.11 Pravilnik o tehničkim uvjetima za projektiranje i gradnju tunela na cestama (SL 59/73)

5

Ivan Vrkljan

14. Provjetravanje, rasvjeta i opasnost od požara Provjetraavnje, rasvjeta i opasnost od požara bitni su elementi sigurnosti prometa tijekom eksploatacije tunela.

2

Podzemne građevine i tuneli

14 Provjetravanje, rasvjeta i opasnost od požara

14.1 Uvod

Više velikih požara sa brojnim ljudskim žrtvama i velikom materijalnom štetom, ukazali su na hitnu potrebu poboljšanja sigurnosnih uvjeta u tunelima. Tako je Europski parlament u travnju 2004. donio novu smjernicu br. 2004/54 EC o sigurnosi u cestovnim tunelima (Directive 2004/54/EC). Smjernica se prvenstveno odnosi na tunele duljine veće od 500 m. Obavezna je primjena smjernice na sve tunele koji su u fazi projektiranja, dok se tuneli u eksploataciji moraju analizirati i rekonstruirati kako bi se doveli na isti nivo sigurnosti kao i novoprojektirani. Glavni cilj smjernice je spriječevanje opasnih događaja u tunelu, te stvaranja preduvjeta da se u slučaju nezgode ona rezultira što je moguće manjim posljedicama. Realizacijom smjernice stvorit će se povoljni uvjeti kako bi se: • • • • •

omogućilo sudionicima nesreće da se sami zaštite, omogućilo trenutačnu pomoć koju mogu pružiti sudionici u prometu, osigurlo učinkovito djelovanje hitnih interventnih službi, zaštitio okoliš, ograničila materijalna šteta.

TablicaXXX Mnjere sigurnosti konstrukcije tunela (Directive 2004/54/EC) Promet ≤2000 vozila po voznom traku

Konstrukcijske mjere

● Obavezno za sve tunele * Obavezno uz izuzeće ○ Nije obavezno □ Preporučeno

5001000 m

<1000 m

Promet >2000 vozila po voznom traku 5001000 m

10003000 m

>3000 m Obavezno gdje 15-godišnja prognoza pokazuje da je promet > 10000 vozila/voznom traku. Obavezno osim ako terenski uvjeti to ne dopuštaju. Obavezno gdje nema zaustavnog traka. U postojećim tunelima koji nemaju zaustavni trak ili staze za slučaj opasnosti, poduzet će se dodatne mjere sigurnosti. Izlaz u slučaju opasnosti u postojećim tunelima procijenit će se za svaki slučaj pojedinačno.

2 ili više tunelskih cijevi

§ 2.1

Nagib ≤5%

§ 2.2

*

*

*

*

*

Staze za pješake u slučaju opasnosti

§ 2.3.1 § 2.3.2

*

*

*

*

*

Izlazi u slučaju opasnosti barem na svakih 500m Poprečni prolazi za interventne službe barem na svakih 1500 m Prijelaz preko razdjelnog pojasa ispred svakog portala

§ 2.3.3 § 2.3.9

○

○

*

*

*

§ 2.4.1

○

○/●

○

●/○

●

Obavezno u tunelima s dvije cijevi dužim od 1500 m.

§ 2.4.2

●

●

●

●

●

Obavezno u tunelima gdje je to terenski moguće.

Ugibalište barem na svakih 1000 m Odvod za zapaljive i otrovne tekućine Otpornost konstrukcije na požar

§ 2.5

○

○

○

●/○

●/○

Obavezno u novim dvosmjernim tunelima > 1500 m koji nemaju zaustavni trak. U postojećim dvosmjernim tunelima > 1500 m, ovisno o analizama. Za nove i postojeće tunele ovisno o dodatnoj korisnoj tunelskoj širini.

§ 2.6

*

*

*

*

*

Obavezno tamo gdje je dopušten prijevoz opasnih tvari.

§ 2.7

●

●

●

●

●

Obavezno za tunele gdje lokalno urušavanje može imati katastrofalne posljedice.

Provjetravanje, rasvjeta i opasnost od požara

3

Tablica XXX Sigurnosna oprema tunela 2004/54/EC (Directive 2004/54/EC) Promet ≤2000 vozila po voznom traku

Promet >2000 vozila po voznom traku

5001000 m

<1000 m

5001000 m

10003000 m

>3000 m

§ 2.8.1

●

●

●

●

●

§ 2.8.2

●

●

●

●

●

§ 2.8.3

●

●

●

●

●

§ 2.9

○

○

○

●

●

§ 2.9.5

○

○

○

○

●

Obavezno u dvosmjernim tunelima sa centrom za upravljanje.

§ 2.10

*

*

*

*

*

§ 2.11

●

●

●

●

●

§ 2.12

●

●

●

●

●

§ 2.13

○

○

○

○

●

§ 2.14

○

○

○

○

●

Opremljene telefone i s dva protupožarna aparata. Ako nije dostupna, obavezno osigurati dovoljne količine vode na drugi način. Za sve sigurnosne objekte i opremu, a za korisnike tunela (vidi dodatak III). Nadzor nekoliko tunela može biti centraliziran u jednom upravljačkom centru. Obavezno, tamo gdje postoji centar za nadzor i upravljanje.

§ 2.14

●

●

●

●

●

§ 2.15.1

○

●

○

●

●

§ 2.15.2

○

○

○

○

□

§ 2.16.1

○

○

○

●

●

§ 2.16.2

●

●

●

●

●

Obavezno gdje postoji radioemitiranje za korisnike tunela i gdje postoji centar za nadzor i upravljanje.

§ 2.16.3

●

●

●

●

●

Obavezno tamo gdje korisnici tijekom evakuacije čekaju prije izlaska.

Pomoćni sustav napajanja § 2.16.3

●

●

●

●

●

Oprema otporna na požar § 2.16.3

●

●

●

●

●

● Obavezno za sve tunele * Obavezno uz izuzeće ○ Nije obavezno □ Preporučeno Rasvjeta

Ventilacija

SOS stanice Opskrba vodom Prometni znaci Centar za nadzor i upravljanje

Normalna rasvjeta Sigurnosna rasvjeta Rasvjeta za slučaj evakuacije Mehanička ventilacija Posebne odredbe (za polupoprečnu ventilaciju) Barem na svakih 250 m Barem na svakih 250 m

Video Sustav za nadzor

Oprema za zatvaranje tunela

Sustav za komunikacij u

Automatsko detektiranje nesreće i/ili požara Prometna signalizacija ispred ulaza u tunel Prometna signalizacija unutar tunela barem na svakih 1000 m Radioveze sa interventnim službama Radioporuke za korisnike tunela Zvučnici na nišama i izlazima

Barem jedan od ova dva sustava je obavezan u tunelima sa centrom za nadzor i upravljanje.

Preporučuje se ako postoji centar za nadzor i upravljanje a dužina prelazi 3000 m.

Kako bi se osiguralo funkcioniranje neophodne sigurnosne opreme barem tijekom evakuacije korisnika tunela. Kako bi se održavale neophodne sigurnosne namjene.

4

Podzemne građevine i tuneli

14.2 Provjetravanje tunela Tunel se provjetrava: • •

tijekom građenja, tijekom eksplatacije.

Izvori zagađenja: • • • • • •

miniranje, motori s unutarnjim sagorjevanjem, bušenje i rezanje stijene, bravarski radovi (varenje, brušenje i sl.), podzemni plinovi, disanje ljudi.

14.2.1 Provjetravanje tunela tijekom građenja

Ventilatori kojim se upuhava svježi zrak u tunel trebaju biti postavljeni izvan zone širenja nečistog zraka. Zona širenja nečistog zraka

Ventilator Ovisi o tehnologiji iskopa

Slika XXX Provjetravanje tunela tijekom građenja

Slika XXX Tunel Tuhobić na autocesti Rijeka-Zagreb 14.2.2 Provjetravanje tijekom eksploatacije tunela

Provjetravanje, rasvjeta i opasnost od požara

Pravilnik o tehničkim uvjetima za projektiranje i gradnju tunela na cestama (SL 59/73) regulira provjetravanje tunela na sljedeći način: • • • • • • • • •

štetni plinovi iz tunela odstranjuju se prirodnim ili umjetnim provjetravanjem, umjetno provjetravanje može biti uzdužno, polupoprečno ili poprečno, mogućnost prirodnog provjetravanja tunela duljine preko 100 m mora se računski provjeriti, ako se prirodnim provjetravanjem ne odstranjuju štetni plinovi preko dopuštene koncentracije, mora se primijeniti umjetno provjetravanje, dopuštena koncentracija ugljičnog monoksida (co) u tunelu iznosi: Za tunele duljine do 1000 m: 250 ppm Za tunele dulje od 2000 m: 200 ppm ppm označava volumensku koncentraciju štetnog plina u zraku izražena u cm3/m3 u jednom satu, za tunele duljine 1000 do 2000 m dopuštena koncentracija ugljičnog monoksida dobiva se linearnom interpolacijom, pri primjenu uzdužnog provjetravanja brzina kretanja zraka ne smije biti veća od 8 m/s, kod poprečnog sustava brzina kretanja svježeg i zagađenog zraka treba biti u granicama od 1525 m/s.

Tijekom eksploatacije provjetravanje tunela može biti: • •

prirodno, umjetno.

14.2.2.1 Prirodno provjetravanje Utjecajni čimbenici: • • • •

meteorološki uvjeti( temeperatura zraka na poratlima; razlika tlaka zraka na portalima; vjetar i dr.), nadmosrska visina, konfiguracija terena, intenzitet prometa.

Koncentracija zagađivača

Na provjetravanje ima utjecaj i tzv. efekt klipa (piston efekt) kod jednosmjernog prometa.

Slika xxx Prirodno provjetravanje

5

Podzemne građevine i tuneli

Koncentracija zagađivača

Okno ima pozitivan učinak naročito u slučaju dvosmjernog prometa

Slika xxx Prirodno provjetravanje potpomognuto ventilacijskim oknom 14.2.2.2 Umjetno provjetravanje Sustav uzdužnog provjetravanja

Koncentracija zagađivača

Uzdužno provjetravanje je sustav kod koga se zrak utiskuje ili isisava iz tunela na ograničenom broju točaka te tako nastaje uzdužni protok zraka kroz tunel.

Slika xxx Uzdužni sustav provjetravanja sa ventilatorima u stropu tunela

6

Koncentracija zagađivača

Provjetravanje, rasvjeta i opasnost od požara

Koncentracija zagađivača

Slika xxx Uzdužni sustav provjetravanja sa ventilatorima u stropu tunela

Slika xxx Uzdužni sustav provjetravanja sa ventilatorima u stropu tunela

7

8

Podzemne građevine i tuneli

Sustav polupoprečnog provjetravanja Jednolika raspodjela zraka odnosno zagađivača uzduž tunela glavna je karakteristika polupoprečnog sustava.

Koncentracija zagađivača

Svježi zrak dovodi se u tunel posebnim kanalima a zagađeni zrak odvodi se kroz tunelsku cijev.

Efekat dvosmjernog prometa ili meteorolooških uvjeta Jednosmjerni promet

Koncentracija zagađivača

Slika XXX Sustav polupoprečnog provjetravanja

Efekat dvosmjernog prometa ili meteorolooških uvjeta

Jednosmjer ni promet

Slika XXX Sustav polupoprečnog provjetravanja

Koncentracija zagađivača

Provjetravanje, rasvjeta i opasnost od požara

Efekat dvosmjernog prometa ili meteorolooških

9

Jednosmjerni promet

Slika XXX Sustav polupoprečnog provjetravanja Sustav poprečnog provjetravanja Svježi zrak dovodi se u tunel posebnim kanalima. Zagađeni zrak se iz tunela isisava i posebnim kanlima odvodi iz tunela.

Koncentracija zagađivača

Jednolika raspodjela zraka odnosno zagađivača uzduž tunela glavna je karakteristika poprečnog sustava

Idealno Utjecaj prometa

Slika XXX Sustavpoprečnog provjetravanja

10

Podzemne građevine i tuneli

14.3 Opasnost od požara Požar u tunelima moguć je tijekom građenja i tijekom eksploatacije tunela. Opasniji su požari tijekom eksploatacije jer se tada u tunelu redovito nalazi veći broj vozila i ljudi koji nisu pripremljeni na ovu situaciju. U posljednjih se desetak godina dogodilo više požara u tunelima sa vrlo tragičnim posljedicama.

Tablica XXX Veliki požari u Europskim tunelima (WT January-February 2004) Tunel Great Belt Denmark Channel, UK-France Mont Blanc, Italy-France Tauern Austria Kaprun Austria Gothard Switzerland

Tip

Godina

Duljina (km)

Trajanje požara (sati)

Broj poginulih

Oštećenja

Željeznički

1994

8 km

7

-

16 segmenata u kaloti svaki duljine 1,65 m oštećen

Željeznički

1996

50.5

9

-

oštećeno 500 m tunela

Cestovni

1999

11,6

50

39

oštećeno 900 m tunela

Cestovni

1999

6,4

17

12

uništena 24 vozila, 10-15 cm betonske obloge se oljuštilo

Željeznički

2000

3,3

1-2

159

Cestovni

2001

17

24

11

200 m obloge

14.3.1 Opasnost od požara tijekom građenja tunela Zaštita od požara potrebna je radi zaštite života i imovine. Zaštita od požara uključuje bilo koji sustav ili opremu koja pomaže u borbi protiv vatre. Tijekom gradnje tunela vatru može prouzročiti: • • • •

varenje, zapaljenje plastičnih folija, goriva i boja, zapaljenje gume transportera, greške na elektroinstalacijama.

Slika xxx Vijest iz dnevnog tiska o požaru tijekom građenja tunela u Parizu

Provjetravanje, rasvjeta i opasnost od požara

14.3.2 Opasnost od požara tijekom eksploatacije tunela Vatru u cestovnim i željezničkim tunelima mogu prouzročiti: • • •

sudar ili samozapaljenja vozila, greške na elektroinstalacijama, sabotaža ili vandalizam.

Slika XXX Lančani sudar u dvocjevnom tunelu u Salzburgu, srećom bez požara; Vijest iz dnevnog tiska o tragediji u tunelu Kaprun 11.11.2000 Brzine kretanja zraka i „klipni“ efekt u tunelima su pogodni za kvalitetu zraka i smanjenje troškova ventilacije. U slučaju požara dim se širi zbog dobre prirodne i umjetne ventilacije u 97% vremenskih uvjeta, brže nego što je bilo koji od putnika sposaban trčat.

Vir: praktični preiskus dr.Otto Widetschek TU Graz Brzina prirodne i umjetne ventilacije (m/s) 2,5 5 10

Potrebna brzina pješaka za bijeg km/sat 9 18 36

Obično su vartrogasci previše daleko i njihovo dolazno vrjeme je ovisno i o prometnim i vremenskim prilikama. Dokazano je, da je vrijeme nakon 6-10 minute već kritično i u slučaju, da se zapali više vozila ili teretnjak sa tvarima koje ne tretiramo opasnim (drvo, brašno, kruh, maslo,…). Temperatura i količina dima može već nakon 7 minute tako narast, da je svaka intervencija sa smjera bilokojeg portala uzaludna što se pokazalo u slučaju požara na tunelima Mt.Blanc, Taueren, Kaprun, St.Gothard.

11

Podzemne građevine i tuneli

Slika XXX Požar u cestovnom tunelu TAUERN u Austriji, prouzročen naletom kamiona na zaustavljenu kolonu (Tunnels and Tunnelling International, 8/99; p.4) Tablica XXX. Požar u cestovnom tunelu TAUERN u Austriji (Tunnels and Tunnelling International, 8/99; p.4) Datum 29. 05. 1999. Poginulih 12 Sudar nakon zaustavljanja kolone vozila radi bojenja Uzrok zidova tunala 0 Temperatura 1000 C Oštećenje oblge 150 m Oštećenje kolnika 300 m Troškovi popravke podgrade i kolnika 2,3 milijuna $ Troškovi popravke elektroinstalacija 750 000 $

12

Provjetravanje, rasvjeta i opasnost od požara

13

Baltimore

Gothard

Norveška

Slika XXX Zastrašujuće slike dima koji kulja iz tunela Oštećenja obloge tunela tijekom požara Tijekom požara razvija se vrlo visoka temperatura koja značajno može oštetiti betonsku oblogu i kolnik a potpuno uništiti sve instalacije.

14

Podzemne građevine i tuneli

Slika XXX Oštećenaj obloge Euro tunela (Engleska-Francuska)

Gothard 24.10.2001.

Slika XXX Oštećenja obloge u tunelu Mont Blanc i tunelu Gothard

Provjetravanje, rasvjeta i opasnost od požara

15

14.4 Rasvjeta tunela Tunel treba biti osvijetljen : • •

tijekom građenja, tijekom eksploatacije.

14.4.1 Rasvjeta tunela tijekom građenja Tijekom građenaj tunela rasvjetu čine fiksna rasvjetna tijela na razmacima koji osiguravaju dovoljno svjetlosti kao i pokretna rasvjetna tijela za osvjetljenje čela iskopa.

Električna rasvjeta koja se produljuje s napredovanjem tunela

Ovisi o tehnologiji iskopa

Prenosivi reflektor

SlikaXXX Rasvjeta tunela tijekom građenja tunela 14.4.2 Rasvjeta tunela tijekom eksploatacije Pravilnik o tehničkim uvjetima za projektiranje i gradnju tunela na cestama (SL 59/73): Tuneli u pravcu duljine preko 200 m i tuneli krivini duljine veće od

1,5 R * b moraju se redovito umjetno osvjetljavati r-polumjer krivine (m); b-širina svijetlog otvora (m) Rasvjeta tunela izvodi se prema projektu koji mora biti izrađen za svaki tunel posebice.Rasvjeta tunela mora omoguciti jednoliki prijelaz od dnevne svjetlosti na svjetlost u tunelu. Noćna rasvjeta u tunelu mora omoguciti blaži prijelaz pri izlasku iz tunela na neosvijetljeni dio ceste Potrebno je osigurati rezervni izvor svjetlosne energije.

16

Podzemne građevine i tuneli

Zona adaptacije

Zona adaptacije

Slika xxxx Zone adaptacije

14.5 Rječnik

14.6 Literatura Directive 2004/54/EC of the European Parliament and of the Council of 29 April 2004 on minimum safety requirements for tunnels in the Trans-European Road Network

Dušek, E., 2004, Nove smjernice Europske komisije o sigurnosti u cestovnim tunelima, Ceste i mostovi, , br.7-9, str.34-39. ITA Working Group 4, "Subsurface Planning" Annica Nordmark, Animateur, 1998, Fire and Life Safety for Underground Facilities: Present Status of Fire and Life Safety Principles Related to Underground Facilities Koichi. O., Otsuka, T., Fire Design Requirement for Various Tunnel

Norwegian Public Roads Administration, 2003, Road Tunnels, Manual 021 Pravilnik o tehničkim uvjetima za projektiranje i gradnju tunela na cestama (SL 59/73)

Ivan Vrkljan

15. Okna Prikazane su različite metode građenja okana. Kao primjer iz prakse prikazani su osnovni elmenti projektiranje i građenja okna RHE Velebit bunarskim načinom. U to je vrijeme ovo okno bilo najveće u svijetu izgrađeno ovim načinom u prekonsolidiranoj glini

2

Podzemne građevine i tuneli

15

Okna

15.1 Uvod Okno je općenito vertikalna ili približno vertikalna podzemna prostorija koja spaja površinu terena s tunelom ili drugom podzemnom prostorijom. 15.2 Metode građenja okana Metode građenja mogu se podjeliti u četiri skupine: • • • •

Tunelski način iskopa, Bunarski način iskopa (spuštanje bunara), Iskop pod zaštitom dijafragme, Strojni iskop.

15.2.1 Tunelski način građenja Kod tunelskih se načina gradnje okana koriste isti principi i tehnike za stabiliziranje kao i u slučaju građenja tunela. Razlikuju se jedino po tome dali se kopaju odozgo prema dolje ili odozdo prema gore.

Iskop: • miniranje • bager • čekići, itd. Primarna podgrada: • sidra • mlazni beton • armatura Izvoz: • dizalica • vitlo

Slika XXX Tunelski način građenja okna

3

Okna

Iskop: • miniranje • bager • čekići, itd. Primarna podgrada: • sidra • mlazni beton • armatuura Izvoz: • kamion • vlak

Slika XXX Slika XXX Tunelski način građenja okna

Iskop: • miniranje • bager • čekići, itd. Primarna podgrada: • sidra • mlazni beton • armatura Izvoz: • kamion • vlak

Slika XXX Slika XXX Tunelski način građenja okna

4

Podzemne građevine i tuneli 15.2.2 Bunarski način građenja Ovo je vrlo efikasan način izrade okana. Kod manjih okana plašt bunara se radi od prefabriciranih elemenata a kod velikih se plašt betonira na licu mjesta u kliznoj oplati. Plašt bunara se nadograđuje na površini i zbog svoje mase propada u tlo. Iskop se vrši u zoni noža bunara. Za umanjenje trenja između plašta bunara i tla koriste se razne tehnike. U poglavlu Primjeri iz prakse, prikazan je bunarski način izvođenja okna RHE Velebit.

Iskop: • bager • čekići, itd. Primarna podgrada: • prefabricirani betonski elementi ili beton u kliznoj oplati Izvoz: • dizalica

•

Slika XXX Bunarski način izgradnje okna

vitlo

5

Okna

15.2.3 Iskop pod zaštitom dijafragme Dijafragma može biti izvedena kao klasična dijafragma ili preklapanjem bušenih pilota. U nekim se slučajevima umjesto bušenih pilota mogu koristiti stupovi ojačanog tla izrađeni postupkom mlaznog injektiranja.

Iskop: • miniranje • bager • čekići, itd. Primarna podgrada: • dijafragma Izvoz: • dizalica • vitlo

Slika XXX Iskop okna pod zaštitom dijafragme; Dijafragma izvedena Soilcrete postupkom mlaznog injektiranja (prospekt tvrtke Keller)

Dijafragma od bušenih pilota pridržana geotehničkim sidrima

Slika XXX Građevna jama dubine 30 m za Bayerische Verainsbank u Munichu (proospekt tvrte Bauer)

6

Podzemne građevine i tuneli

15.2.4 Strojni iskop Za strojni se iskop koriste uglavnom dvije tehnike: • •

Raise borer (proširenje pilot bušotine). Blind shaft borer (bušenje),

Raise borer (proširenje pilot bušotine). SANDVIK Conventonal Raise Boring - Promjer: 0,6-6,1 m - Duljine preko 1100 m - Prvo se izvede pilot bušotina

SKANSKA Mogućnost bušenja do 1000 m Promjer bušenja do 5,5 m

Slika XXX Raise borer tehnika strojnog iskopa okana

7

Okna

SANDVIK Bušenje prema dolje (downward blind boring) Stijena se usisava kroz osovinu stroja

Slika XXX Blind shaft tehnika strojnog iskopa okana

SANDVIK Bušenje prema dolje (downward boring with predrilled pilot hole) Prethodno se izvede pilot bušotina

8

Podzemne građevine i tuneli 15.3 Primjer iz prakse. Okno RHE Velebit 15.3.1 Uvod Reverzibilna hidrocentrala Velebit u vrijeme gradnje zvala se RHE Obrovac. Gornje jezero nalazi se na gračačkom platou a donje u dolini rijeke Zrmanje. Razlika visina je cca 540 m. Voda prolazi tunelom kroz Velebit duljine 8.121 m te se čeličnim cijevovodima na površini terena dovodi do strojarnice hidrocentrale. Za smještaj turbina (pumpi) trebalo je izgraditi okno dubine 60 m i unutarnjeg promjera 30 m. Tlo se na lokaciji okna sastoji od sloja vrlo mekane gline debljine 10 m i prekonsolidirane gline koja leži ispod nje.

+9 m Mekana glina -1 m

Jezero Gračac

Tunel L=8121 m D=4,6 m

553 m

-51 m D= 30 m Prekonsolidirana glina

Čelični cjevovod

Donje jezero i rijeka Zrmanja

Strojarnica

Velebit

9m

Slika XXX RHE Vel Tablica XXX Osnovni podaci o hidrocentrali OSNOVNI PODACI Srednja godišnja protoka Instalirana protoka Brutto padovi

Turbina Pumpa Max. Srednji Min.

Ukupna instalirana snaga(2 agregata) Proizvodnja Potrebna energija za pumpanje

Protočno Pumpno

12 m3/s 60 m3/s 40 m3/s 551,5 m 546,0 m 541,0 m 275,5 MW 430 GWh 225 GWh 310 GWh

9

Okna

Tablica XXX Projektirana količina gradiva Vrsta ARMIRANI BETON MB 30 ISKOP BENTONITNA SUSPENZIJA ARMATURA Č-0200 POVRŠINA PLOHA

Količina 8 353 m3 39 600 m3 1 051 m3 1 149 Mg 10 865 m2

15.3.2 Projektiranje okna U svibnju 1978 godine raspisan je javni natječaj za izgradnju okna RHE Velebit. Na natječaj su pristigle 4 ponude od kojih je prihvaćena ponuda Industrogradnje za bunarski način iskopa jer je: • •

bila 20% jeftinija od ostalih, nudila 4 puta kraće vrijeme izvedbe (120 dana)

Dva su ponuđača nudila tunelski način gradnje a jedan gradnju okna pod zaštitom dijafragme Geotehnička istraživanja provedena su u više navrata (tablica XXX) Tablica XXX Sudionici istraživanja i gađenja Prva faza istraživanja 1978

JAROSLAV ČERNI-BEOGRAD

Druga faza istraživanja 1979

GRAĐEVINSKI INSTITUT-ZAGREB (FGZ-ZAGREB) GEOTEHNIKA-ZAGREB

Idejni projekt1978

INDUSTROGRADNJA-ZAGREB

Izvedbeni projekt 1979/1980 Tehnologija spuštanja 1979/1980 Izvođenje 1980

INDUSTROGRADNJA-ZAGREB ELEKTROPROJEKT-ZAGREB GRAĐEVINSKI INSTITUT-ZAGREB (FGZ-ZAGREB) GEOTEHNIKA-ZAGREB GRAĐEVINSKI INSTITUT-ZAGREB (FGZ-ZAGREB) INDUSTROGRADNJA-ZAGREB

Tijekom projektiranja bunara trebalo je napraviti slijedeće analize: • • • • • • • • • • • • • • •

definiranje parametara tla na osnovi reztultata istražnih radova, raspodjela svojstava tla po visini, definiranje vodoravnih naprezanja u tlu, oslanjanje noža na površinu nakon otpuštanja skele, prodiranje bunara kroz mekanu glinu na površini terena, simulacija ponašanja bunara tijekom spuštanja, odnos težina/trenje, širina zazora, oblik noža, poniranje noža u radu, stabilnost zazora (opasnost sloma), stabilnost dna (opasnost sloma), zadržavanje vertikalnosti osi bunara tijekom spuštanja, visinska kontrola spuštanja, tehnologija iskopa radi kontrole spuštanja,

Podzemne građevine i tuneli •

spriječavanje prodora isplake u iskop.

Betoniranje

Iskop

Propadanje bunara

Klizanje oplate i iskop jezgre

Slika Projektirana tehnologija iskopa tla i betoniranja plašta u kliznoj oplati

10

11

Okna

Detalj A 160 cm 40 cm

20 cm

230 cm

A

Armiranobetonski dio noža

311 cm

Čelični dio noža

Slika XXX Karakterističan poprečni presjek bunara RHE Velebit Detalj A

Klizna oplata Uvodni zid

1-Tijelo noža 2-Suspenzija 3-Šljunak 30-40 mm 4-Pijesak 5-Filter plastica 6-Žičano pletivo 7-Gumena traka

2 5 6

4 1

7

3

Galerija

A Mekana glina Zamjenski materijal-Nabijena glina Prekonsolidirana glina Bentonitna suspenzija

Slika XXX Detalj brtvljenja kontakta suspenzije i noža bunara

Podzemne građevine i tuneli Model sloma tla u nabijenoj glini (Meyerhofovo rješenje) Mekana gline debljine 10 m ocjenjena je kao nepodobna za spuštanje bunara te je potpuno zamjenjena visokoplastičnom glinom koja je kompaktirana. S obzirom na mehanička svojstva gline, prediviđeno je će se slom u zoni noža događati prema Mayerhofovom rješenju. Tijekom spuštanja bunara slom se stvarno događao prema ovom modelu.

Slika XXX Model sloma tla u sloju nabijene gline. Slika pokazuje da se slom stvarno desio po ovom modelu. Vidi se prof. Nonveiller kako raspravlja propadanje bunara u sloj nabijene gline nakon otpuštanja skele sa prof. A.Szavitsom Nossanom i Zvonkom Liscem

12

13

Okna Model sloma uz nož u prekonsolidiranoj glini Prekonsolidirana glina u kojoj je bunar spušten do konačne dubine ponašala se po modelu krtog loma. Velika razlika vršne i rezidualne čvrstoće upućivala je na model sloma uz nož bunara koji će biti bitno različit od model sloma kompaktirane visokoplastičme gline. Oznaka wp wL Ic CaCO3 qu c ϕ Cv

Vrijednost 20-25% 48-55% >1 23-28% 0,24-4 MPa 13-82 kPa (CID pokus) 220-320 (CID pokus) 2,5*10-3 cm2/s

τ

Direktno smicanje

u

Slom uz nož modeliran je na način prikazan na slici XXX. Predviđeno je da će do sloma doći kada klin tla uz nož bunera dostigne kritičnu dimenziju. Pri tome su analizirana dva načina iskopa kako to pokazuje slika XXX.

14

Podzemne građevine i tuneli

W=X+R τ

R = C + R1

Direktno smicanje

R W-T

u

R1

C

W

X

X R C=c*l R1

Slika XXX Model sloma tla u prekonsolidiranoj glini

Napredovanje iskopa

Napredovanje iskopa

f=const

h

bkr

b=const βkr

Slika XXX Kritična dimenzija klina može se postići na dva načina

15

Okna Kontrola naginjanja bunara Kako se između plašta bunara i tla nalazi bentonitna suspenzije (mješavina bentonita i vode), za očekivati je da će se tijekom spuštanja bunar naginjati na tlo. Jednostavna analiza uzastopnih naginjanja bunara pokazala je da se ne smije dozvoliti uzastopno naginjanje bunara samo na jednu stranu jer će se u tom slučaju zazor na jednoj strani smanivati a na drugoj povećavati. Zaključeno je da iskop uz nož treba vršiti na način da se bunar nakon naginjanja na jednu stranu, u slijedećem koraku nagne na suprotnu.

e1

e1

e2

e1+e2

e2

Slika XXX Analiza uzastopnog naginjanja bunara na jenu stranu

16

Podzemne građevine i tuneli 15.3.3 Izvođenje okna

Armatura noža. Vidi s e čelična oštrica

Unutarnja strana noža nakon otpuštanja skele. Formiranje unutarnjeg prstena klizne oplate

Vanjski izgled bunara nakon skidanja skele. Formiranje vanjskog prstena klizne oplate

Slika xxx Nož bunara prije i nakon betoniranja. Formiranje klizne oplate

17

Okna Iskop i izvoz Iskop je vršen bagerom Poclain 160 a izvoz dizalicom i korpama (slika XXX).

Slika XXX Iskop i izvoz materijala Uslojenost prekonsolidirane gline znala je prouzročiti izrazito nesimetričan iskop kako bi se bunar nagnuo na željenu stranu (slika XXX)

Diskontinuiteti niske posmične čvrstoće

Slika XXX Nesimetričan iskop u zonama kada je slojevitost prekonsolidirane gline bila izražena

18

Podzemne građevine i tuneli Opaženje tijekom spuštanja bunara

Za opažanje spuštanja bunara korištena je slijedeće oprema: • inklinometri, • pisači, • vodena vaga • konvergencmetar, • visak, • laser, • tlačne ćelije, • geodetska mjerenja.

8 2 1

1 3

1

6

5

4

5

7

1-Inklinometri 2-Pisači 3-Vodena vaga 4-Konvergencmetar 5-Visak 6-Laser 7-Tlačne ćelije 8-Geodetska mjerenja

6

Slika XXX Različiti sustavi za opaženje spuštanja bubnara (visak, inklinometar, lasr, vodena vaga)

Slika XXX Pisač na uvodnom zidu i tabla na plaštu bunara zabilježili su spuštanje bunara

3

19

Okna Završetak iskopa Kada je bunar dostigao konačnu dubinu, pojavio se problem završetka iskopa u centralnom dijelu bunara. Naime, ovaj je iskop mogao izazvati neželjeno propadanje bunara što bi stvorilo razne konstruktivne probleme. Jedno od razmatranih rješenja bila je izvedba armirano betonskog križa na dnu bunara koji bi pridržavao bunar tijekom iskopa centralnog dijela. Nakon završetka iskopa i podbetoniranja bunara, ovaj bi se križ uklonio. Od ove ideje se odustalo nakon analize rezultata opažanja bunara tijekom njegovog spuštanja. Od svih primjenjenih metoda opažanja najefikasnija se pokazala najjednostavnija metoda. Ona se sastojala od tri ploče koje su bile fiksirane na vanjski plašt bunara na kojima je bio pričvrašćen papir s ucrtanom mrežom. Pisaljka napeta gumom nalazila se na obodnom zidu bunara. Tiekom spuštanja bunara, ploče bi propadale zajedno s bunarom a fiksni pisač bi ostavljao trag na papiru. Ovi su zapisi otkrili stvarno ponašanje bunara u jednom koraku spuštanja. Bunar bi se uvijek na samom početku nagnuo na jednu stranu i onda bi u tom položaju propadao do dubine od 1 m. Očito je naginjanje bunara provociralo progresivni slom prekonsolidirane gline koji je počinjao na jednom segmentu noža i potom se širio po cijelom opsegu. Ciljanim iskopom, moglo se provocirati naginjanje na željenu stranu. Kada bi započelo propadanje bunara, ono bi se nastavilo bez obzira dali se iskop vrši ili ne. Ovaj mehanizam propadanja bio je bitan za donošenje konačne odluke o iskopu centralnog dijela. Naime, ako se spriječi naginjanje bunara, neće biti povećane koncentracije naprezanja i progresivnog sloma. Naginjanje bunara spriječeno je upumpavanjem cementnog morta u zazor u kojem je bila suspenzija. Mort je injektiran u zoni noža i istikivao je suspenziju na površinu. Nakon stvrdnjavanja morta, uspješno je završen iskop centralnog dijela bunara bez njegovog neželjenog propadanaj

Miniranje otvora Cementni mort

Slika XXX Iskop centralnog dijela bunara nakon dostizanja konačne dubine

20

Podzemne građevine i tuneli

Trag pisala na jednoj od tri table Y (cm)

Pisač na uvodnom zidu i tabla na plaštu bunara

t2

50 t2= do 6 sati t2-t1=15min

t1 10

7

X (cm)

1-Inklinometri 2-Pisači 3-Vodena vaga 4-Konvergencmetar 5-Visak 6-Laser 7-Tlačne ćelije 8-Geodetska mjerenja

Slika XXX Bilježenje jednog koraka spuštanja bunara jednostavnim pisačima Provjetravanje okna Iako je i prirodno provjetravanje bilo efikasno, izvedene su instalacije za provjetravanje okna. Problemi tijekom izvođenja Stabilnost okolnog tla održavala je bentonitna suspenzija koja se nalazila u zazoru između tla i plašta noža. Više puta se desilo da isplaka procuri u bunar kroz pukotine koje su se otvorile zbog sloma prekonsolidirane gline u okolini noža. Takvi su se problemi rješavali brzim iskopom bez izvoza materijala, kako bi se bunar čim prije spustio i na taj način presjekao tokove isplake. Jednom se prilikom ovaj način pokazao neefikasnim jer se očito radilo o dubljim otvorenim pukotinama. Tada je došlo do pada nivoa isplake u zazoru jer su gubici bili veći od kapaciteta strojeva koji su pripremali suspenziju. Posljedica je bila urušavanje okolnog tla i slijeganje površine uz nož za cca 20 cm. Iako se trenje na plaštu povećalo, bunar je već postigao masu koja je bila prevelika da bi mu dodatno terenje spriječilo propadanje.

21

Okna

20 cm

Slika XXX Prodor isplake kroz pukotinu koja se otvorila kao posljedica sloma prekonsolidirane gline. Posljedica gubitka isplake bilo je zarušavanje okolnog tla u zazorte slijeganje površine terena do 20 cm Kada je iskop bio pri kraju, visoka horizontalna naprezanja su prouzročila oštećenja betonskog noža što se manifestiralo odlamanjem i raspucavanjem betona. Međutim, ovi lomovi nisu na bilo koji način utjecali na uspješan završetak projekta.

Podzemne građevine i tuneli

Slika XXX Slom noža bunara pri kraju spuštanja bunara. Vide se prof. Čalogović i Kruno Galić u raspravi o oštećenjima noža

15.4 Rječnik shaft

raise

Generally a vertical or near vertical excavation driven downward from the surface as access to tunnels, chambers or other underground workings (ISRM) A vertical passage into a mine Upwardly constructed shaft, i.e., an opening, like a shaft made in the roof at one level to reach a level above

15.5 Literatura

Čalogović M., 1988, Projekt izvedbe dubokog bunara za strojarnicu RHE Obrovac, Prvi jugoslavenski simpozij o tunelima, Knjiga 2, str. 141-147. Grubić, N., Szavits-Nossan, A., Kovačić, D., 1988, Numeričle analize pri projektiranju strojarnice RHE Obrovac, Prvi jugoslavenski simpozij o tunelima, Knjiga 2, , str. 157-164, Brijuni NonveilIer, Ervin; Szavits-Nossan, Antun; Lisac, Zvonimir; Vrkljan, Ivan, Višić, Ivan. Geotehničke osnove projektiranja i gradnje okna strojarnice reverzibilne hidroelektrane // Saopćenja 5 simpozija Jugoslavenskog drustva za mehaniku stijena i podzemne radoveZagreb. Knjiga 2.. Zagreb : JDMSPR, Građevinski institut, RGN fakultet ,, 1980. 58-63 (znanstveni rad).

Nonveiller, Ervin; Szavits-Nossan, Antun; Lisac, Zvonimir; Vrkljan, Ivan; Višić, Ivan; Mavar, Ramon.

22

Okna Gründungsschacht 60 m tief als Brunnen abgesenkt. // Bauingenieur (Springer-Ferlag). 1982

(1982) , 57; 351-356 (članak, znanstveni rad). Vrkljan, Ivan; Nonveiller, Ervin; Szavits-Nossan, Antun; . Lisac, Zvonimir; . Višić, Ivan. Controlled sinking of an open end caisson in weak rock // Proceedings of 5-th International Congress on Rock Mechanics. Melbourne : Balkema, 1983. D337-D342 (međunarodna recenzija, znanstveni rad).

23

Ivan Vrkljan

16. Podzemne građevine U ovom su poglavlju prikazani neki aspekti građenja podzemnih prostora u urbanim sredinama te za smještaj različitih roba, radioaktivnog otpada i slično.

Podzemne građevine i tuneli

16

Podzemne građevine

16.1 Uvod

Tuneli i podzemne građevine razlikuju se po dimenzijama i namjeni. Uobičajeno je da se pod tunelima podrazumjevaju linijski objekti kod kojih je jedna dimenzija u odnosu na druge dvije značajno veća a služe za transport i pristup. Pod podzemnim prostorima se pak podrazumjevaju objekti kod kojih duljine nije toliko naglašena u odnosu na širinu i visinu (sportski, kulturni i i drugi sadržaji u urbanim područjima, podzemna skladišta,strojarnice hidrocentrala,). Inženjerski principi za tunele i podzemne građevine su isti. Podzemne građevine mogu imati izrazito velike poprečne presjeke pa se moraju primjeniti posebne metode projektiranja i građenja. U englskom se govornom podrčju koriste najčešće sljedeći izrazi: underground space, underground structure, cavern, rock chambers, underground construction, subsurface. Termin geotehnička konstrukcija (geotechnical construction) koristi za konstrukciju kod koje se moraju razmatrati inženjerska svojstva tla i stijena. Po ovoj definiciji temelj građevine je također geotehnička konstrukcija.

Podzemni prostori u urbanim sredinama svakim danom postaju sve složeniji i sve većih dimenzija. Treća dimenzija gradova je neminovnost. Kada govorimo o podzemnim prostorima u gradovima (underground urban space, urban underground structures) obično se misli na dvije vrste građevina: •

Prostori za skladištenje roba, parkinzi, sportski, kulturni i religiozni objekti, stanice metroa. Po dimenzijama, ovo su podzemne građevine.

•

Podzemna infrastruktura (urban underground infrastructure): tranzitni sustavi, urbane autoseste (urban motorways, city rings), podzemne željeznice (subway), vodopskrba (water supply), kanalizacija (sewage), kablovi, kontrola plavljenja površinskih prometnica i drugih građevina na površini. Po dimenzijama, ove građevine pripadaju tunelima.

Međunarodna tunelska udruga (ITA-International Tunnelling Association) ima dvije radne skupine koje se bave podzemnim prostorima: ITA Working Group No. 13, "Direct and Indirect Advantages of Underground Structures"; ITA Working group No. 4 “Subsurface planning”

Službeni časopis udruge je časopis Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research. Podzemni prostori koristili su se za stanovanje i primitivnu industriju od davnih vremena. U početkus su to bile prirodne špilje. Primjer ranih podzemnih građevina je neolitski rudnik kremena (flint). Jedan od najinteresantnijih otkrića ranog korištenja podzemnih prostora je jama izgrađena u vapnencu Zhoukoudian gdje su živjeli ljudi tijekom srednje g pleistocena prije 200 000 do 700 000 godina. Ekstenzivna gradnja podzemnih prostora može se vidjeti u Nabatean city of Petra u Jordanu oko 2000 godina stare i razni gradovi u Turskojkao što su Derinkuyu i Kaymakly iz šestog i sedmog stoljeća. Moderni razvoj podzemnih prostora koji nisu rudnički, počeo je izgradnjom male hidrocentrale u podzemnom prostoru na Snoqualmie vodopadima u Washingtonu, USA, pri kraju devetnajstog stoljeća. Danas se grade podzemni prostori s površinom poprečnog presjeka koji premašuju 800 m2 za što postoje tehničke mogućnosti i ekonomska opravdanost.

2

Podzemne građevine

Slika XXX stanovi ukopani u stijensku masu Sve intenzivniju podzemnu gradnju najviše potiču slijedeći čimbenici:

• • • •

nedostatak prostora u gradovima (prometnice, parkinzi, kulturni sportski i drugi sadržaji), ekološki aspekti urbane gradnje, stabilna temperatura u podzemlju (skladištenje hladnih roba), ekološki i sigurnosni aspekti (nuklearni otpad, plin, nafta, ugljen, sol).

Slika XXX Umjetička impresija podzemnih prostora u gradovima

3

Podzemne građevine i tuneli

16.2 Podzemne građevine u urbanim područjima

U urbanim je sredinama izražen enorman nesklad između raspoloživog i potrebnog prostora različitih namjena. Najočitiji primjer su prometnice koje postaju nerješiv prolem u gradovima bez njegovog spuštanja u podzemlje. U urbanim je područjima 1950. živjelo samo 10% stanovništa, 2000. se taj postotak povećao na 60%. Prirast urbane populacije je 60 milijuna na godinu. U 2015. godini 10% stanovništva živjet će u 26 megagradova. Kada se govori o podzemnij infrastrukturi, važno je naglasiti: • • • • •

zahtjevi prema podzemnim prostorime se stalno povećavaju, izvedivost ovisi o globalnoj ekonomskoj analizi (cost analyses), metoda građenja i tehnologija ovise o geologiji, lokaciji tunela, dužini i geometriji, lokalnoj tradiciji i slično, tunelogradnja je dostigla nivo koji omogućava građenje u svim prirodnim uvjetima, sigurnost i zaštita moraju biti osigurani tijekom korištenja objekta.

Slika XXX Strojni iskop tunela neposredno ispod dna rijeke, jezera ili mora

Slika XXX Parkiralište u Den Haagu

4

Podzemne građevine

Urbani promet podrazumjeva površinski (u nivou ili izdignuti) autobusni i željeznički (tramvajski) promet te podzemne željeznice (metro systems). U vćim gradovima se autobusima može prevesti do 5000 putnika na sat brzinom 12-15 km/sat, dok se u istom gradu metroom može prevesti do 60 000 putnika na sat u jednom smjeru srednjom brzinom od 60 km/sat

Slika XXX Westminster stanica podzemne željeznice u blizini Big Ben Clock Tower u Londonu (after Burland et al, 2001, u Kavdos, 2003) Sadržaji podzemmnih urbanih prostora: •

• • • •

transport, tranzitni sustavi, urbane autoseste (urban motorways, city rings), podzemne željeznice, parkirališta, vodopskrba (water supply), kanalizacija (sewage), kablovi, skladištenja raznih roba, javne zgrade (rekreacija, kulturi sportski i religiozni sadržaji, kontrola plavljenja površinskih prometnica i drugih građevina na površini

Odnos javnosti (senzibilnost) prema podzemnim prostorima: • • •

troškovi građenja predrasuda da su troškovi građenja previsoki period građenja predrasuda da je vrijeme građenja predugo i da će gradnja kasniti sigurnost i zaštita havarije tijekom građenja funkcioniranje

5

Podzemne građevine i tuneli

Uobičajeno se smatra da je odnos troškova građenja površinskih prema izdignutim prema podzemnim prometnim sistemima 1:3:6. Jedna naliza koju je napravila Radna grupa 13, Međunarodne tunelske udruge pokazuje da je ovaj odnos 1:2:4,5. Odnos javnosti (senzibilnost) prema podzemnim prostorima tijekom građenja Glavni je čimbenik u ovom slučaju geologija jer nepovoljna geologija može prouzročiti: • • •

teškoće u financiranju (treba procjeniti moguće dodatne troškove), neizvjestan vremenski plan građenja, havarije tijekom građenja.

Slika XXX Havarije podzemnih građevina tijekom građenja Odnos javnosti (senzibilnost) za vrijeme upotrebe Da bi se korisnik podzemnog prostora osjećao sigurnim , pri projektiranju i izvođenju podzemnih prostora moraju biti zadovoljeni različiti tehnički aspekti te voditi računa o psihologiji ljudi. • • • • • •

arhitektura, psihologija, osvjetljenje, unutarnje uređenje, signalizacija, obuka.

Korisnici podzemnih prostora uglavnom su osjetljivi an opasnost od požara. Statistika je poražavajuća jer pokazuje da su požari sve češći i sve tragičniji

6

Podzemne građevine

Slika XXX Trend porasta brja požara u cestovnim i željezničkim tunelima

Prednosti urbanih podzemnih gradnji Općenito, smještaj infrastrukture i drugih gradskih sadržaja u podzemlje doprinosi kvalitenijem životu stanovništva i očuvanje okoliša. Površine treba koristiti za plemenite svrhe a infrastrukturu treba spustiti u podzemlje.

Slika XXX Površinski promet negativno utječe na sve aspekte života u gradovima a utječe i na globalna zagađenja okliša

7

Podzemne građevine i tuneli

Slika XXX Krov podzemne knjižnice Sveučiliša u Delftu, ljeti park, zimi sanjkalište 16.3 Kulturni, sportski i drugi sadržaji u podzemlju Brojni su primjeri kulturnih, sportskih, religioznih i drugih objekata koji su smješteni u podzemlje. U ovome prednjače skandinavske zemlje jer se u tom području često pojavljuje vrlo kvalitetna stijenska masa. Najveći podzemni prostor u svijetu izgrađen je kao hokejaška dvorana u mjestu Gjøvik u Norveškoj za Olimpijske igre 1994. godine. Dvorana je izgrađena u prekambrijskom crvennom gnajsu. Za potrebe projektiranja provedeni su sljedeći istražni radovi: • • • • • • •

Kartiranje stijenske mase u ranije izgrađenom podzemnom prostoru na udaljenosti 50-100 m od lokacije hokejaške dvorane. 4 istražne bušotine. Mjerenje horizontalnih naprezanja. Mjerenje hrapavosti pukotina u velikom mjerilu. Cross-hole seizmička tomografija između tri istražne bušotine pokazala je da stijenska masa neposredno iznad kalote dvorane ima brzine seizmičkih valova u području 4700-5100 m-s. Tijekom građenja dvorane mjerene su također brzine seizmičkih valova na isti način kao i horizontalnih naprezanja u zoni iznad kalote kako bi se utvrdilo ponašanje stijenske mase uslijed promjene naprezanja. Stijenska masa klasificirana je prema G-Q-sistemu Bartona. Dobivena je vrijednost Q=12 što upućuje na dobru stijensku masu.

Numeričke analize provedene su uz pomoć distinct element koda UDEC-BB. Čak i bez sidara analize pokazuju da bi luk kalote bio stabilan. Male izračunate deformacije karakteristične su za modeliranje plitkih podzemnih prostora iskopanih u polju visokih normalnih naprezanja. Za stabiliziranje iskopa korištena su stijenska sidra i mikro armirani mlazni beton. Iskop je izvršen klasičnim postupkom-miniranje. Na udaljenosti od samo 40 m izmjerene su brzine seizmičkih valova amnje od 20 m/s.

8

9

Podzemne građevine

Hokejaška olimpijska dvorana u mjestu Gjøvik u Norveškoj, najveća je podzemna građevina na svijetu. Dvorana ima raspon od 60 m, dugačka je 90 m i visoka 25 m. Iskopana je 3 oko 130 000 m stijenske mase. Dvorana ima kapacitet od 5 600 sjedećih mjesta.

Slika XXX Hokejaška dvorana u mjestu Gjøvik u Norveškoj, izgrađena za zimske olimpijske igre 1994. Raspon 61 m.; Sportski centar u Sydneyu

Slika XXX Iskop kalotnog dijela hokejaške dvorane u mjestu Gjøvik

Podzemne građevine i tuneli

• • •

50 metarski bazen, može se podijeliti na dva dijela 3 volumen: 61 000 m godina završetka: 1993

Slika XXX Itäkeskus plivački bazen u podzemlju (Helsinki, Finska)

10

Podzemne građevine

16.4 Podzemni prostori za prihvat poplavnog vala Tijekom jakih padalina voda se sprema u podzemne prostore. Kada se stanje na ulicama i rijeci popravi, voda se ispumpava u rijeku

Slika XXX Privremeno spremanje vode s ciljem spriječavanja polava(Japan) http://www.kippo.or.jp/culture/gendai/evolving/tun_e.htm

Slika XXX Cestovni tunel koji jednim svojim dijelom prima poplavni val (SMART) Kuala Lumpur 16.5 Skladištenje nafte u podzemlju

Podzemna skladišta nafte su obično velikih dimenzija i grade se u kvalitetnoj stijenskoj masi. Skladišta se ne izoliraju u smislu da se spriječi ulaz podzemne vode u njih. Osnovni uvjet koji se mora ispuniti je da nivo podzemne vode bude uvijek iznad kalote skladišta. Ako je prirodni nivo podzemne vode ispod kalote skladišta, on se mora umjetnim putem povisiti i održavati cijelo vrijeme dok je skladište u uporabi. Kako je nafta lakša od vode, jedino je moguće tečenje vode u skladište a ne i tečenje nafte iz skladišta. Voda koja uđe u skladište skuplja se na njegovom dnu i pumpama izbacuje na površinu.

11

Podzemne građevine i tuneli

12

Slika XXX Princip skladištenja nafte u podzemlju; Kuji podzemno skladište nafte u Japanu (prospekt tvrtka Kajima) Primjer iz prakse: Kuji podzemno skladište nafte (Japan) Kao primjer uspješno izvedenog podzemnog skladišta nafte, prikazat će se skladiše Kuji u Japanu. Radove su izvele kompanija (joint venture): Kajima, Nishimatsu, Kumagai, Okumura, Aoki, Kokudo, u periodu od 1987-1993. Skladište je locirano u granitu. Ukupno je iskopano 12 milijuna m3 stijenske mase, utrošeno oko 410 000 m3 mlaznog betona i oko 300 000 stijenskih sidara. Širina prostorije je 18,3 m i visina 22,15 m. Tijekom eksploatacije vrši se opažanje skladišta pri čemu se kontrolira:

•

stabilnost podzemnih prostora: o deformacije podzemnih prostora, o pomaci stijenske mase u okolini, o naprezanja u sidrima.

•

podzeman voda: o nivo podzemne vode, o curenje u skladišta, o količina vode koja se unosi u podzemlje umjetnim putem, o ispitivanja propusnosti radi potvrđivanja oštećene zone oko podzemnih prostora.

13

Podzemne građevine

Slika xxxx Podzemno skladište nafte KUJI (Japan)

Za održavanje visokog nivoa podzemne vode, izgrađene su podzemne galerije iznad skladišta iz kojih su izbušene brojne bušotine za navodnjavanje stijenske mase

Slika xxxx Model umjetnog održavanja visokog nivoa podzemne vode Podzemno skladište nafte KUJI (Japan)

Podzemne građevine i tuneli

Slika XXX Tehnologija iskopa Kuji podzemnog skladište nafte (Japan)

14

15

Podzemne građevine

16.6 Skladištenje plina u podzemlju Plin se u podzemlje obično sprema u plinovitom stanju (CGES-Compressed gas energy storage) čime se izbjegava potreba da plin bude ohlađen ispod 00C (zahtjev za plin u tekućem stanju). Kako se radi o niskoj gustoći plina u plinovitom stanju, za njegovo skladištenje su potrebni veliki volumeni. Podzemni prostori su idealna alternativa površinskim skladištima. Preliminarne cost-benefit analize daju indiakcije da bi CGES u velikim podzemnim prostorima trebao imati brojne prednosti u odnosu na LNG (Liquid Natural Gas) na površini ili plitko ispod površine. Beckel at al., 1982, prikazuju uspješno skladištenje plina u rudnicima soli na dubini od 650 do 1800 m, pod tlakom od 100-240 bara i volumena oko 30 000 do 400 000 m3. Skladišta plina u podzemlju izvode se sa i bez metalne izolacije koja se ugrađuje po konturi iskopa.

stijena

beton

čelik

Slika xxx Skladištenje prirodnog plina (Švedska) V=40.000 m3; p=20 MPa

Podzemne građevine i tuneli

16

16.7 Skladištenje nuklearnog otpada Kada se govori o skladištenju radioaktivnog otpada treba razlikovati: • •

skladištenje visoko radioaktivnog otpada, skladištenje nisko i srednje radioaktivnog otpada.

Kriteriji koje ova skladišta trebaju ispuniti bitno se razlikuju. Skladištenje visokoradioaktivnog otpada Radioaktivno gorivo ima oblik malih cilindrića kojim se pune metalne cijevi. Kada se gorivo istroši, u njemu ostaje značajan iznos radioaktivnog zračenja te ono postaje opasno u sljedećih tisuću i više godina. Zbog toga se gorivo mora spremiti na sigurno mjesto koje neće biti dostupno a uvjeti skladištenja moraju spriječiti svaki prijenos radioaktivnosti na okoliš. Redovito se radioaktivni otpad smješta u podzemlje čime se osigurava nepristupačnost opasnoj tvari nakon popunjavanja skladišta. Kako je uvijek podzemlje povezano s podzemnom vodom koja tečenjem može prenositi radioaktivna zagađenja u prirodu, mora se osigurati potpuna izoliranost otpada i podzemne vode. Po vađenju iz reaktora, skupine cijevi s otpadom, umeću se u čelični cilindar koji se zatvara poklopcem s vijcima. Čelični se cilindar nakon toga umeće u bakreni cilindar. Bakreni se cilindar zatvara poklopcem kji se vari. Ovako upakiran radioaktivni otpad spreman je za transport i trajno odlaganje u podzemlje na dubine od više stotina metara. Podzemno se skladište sastoji od niza manjih tunela u čijem se dnu strojno buše okna primjeerne dubine i promjera. U svako od okana smjesti se po jedan cilindar (kontejner). Prostor između stijene i cilindra popunjava se prefabriciranim elementima od kompaktiranog bentonita velike suhe gustoće. Bentonit je prirodni materijal u kojem prevladavaju minerali glina smektitske skupine, najčešće montmorilonit. Montmorilonit u dodiru s vodom hidratira i pri tome snažno bubri. Kako bubrenje nije podložno zamoru tijekom dugog vremenskog perioda, bentonit je idealan i zapravo jedini meterijal primjeren za izolaciju kontejnera. Kada se popune sva okna u jednom tunelu, tunel se potpuno zatrpava stiejnom iz ikopa nekog drugog tunela u iz skladišnog sustava. Kada i posljednji tunel bude zatrpan, zatrpat će se i okna te će na taj način biti spriječen neželjeni kontakt sa kontejnerima.

Slika XXX Spremanje cijevi s radioaktivnim otpadom u čelični kontejner te čeličnog kontejnera u bakreni

17

Podzemne građevine

tunel

bentonit

kontejner s radioaktivnim otpadom

1-kontrolna zgrada 2,3,4-vertikalna okna 5-pristupni tuneli 6-tuneli u čijem se podu buše mala okna za smještaj kontejnera

Slika XXX Princip skladištenja visoko radioaktivnog otpada U svijetu su 1999 godine vršena istraživanja za smještaj nuklearnog otpada na 9 lokacija: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Olkiluoto (Finland); (potencijalna lokacija) Äspö (oskarshamn) (Swweden); (istraživački laboratotij) Haute Marne-Meuse (France); (potencijalna lokacija) Gorleben (Germany); (potencijalna lokacija) Grimsel (Switzerland); (istraživački laboratotij) URL (Pinawa, Manitoba); (Canada) (istraživački laboratotij) Yucca Mountain (USA); (potencijalna lokacija) Tono Kamaishi (Japan); (istraživački laboratotij)

18

Podzemne građevine i tuneli

Skladištenje nisko i srednje radioaktivnog otpada Nisko i srednje radioaktivni otpad smješta se također u podzemlje ali na sasvim drugačijem principu. Otpad se sprema u limene bačve a određeni broj bačava u betonski sanduk. Napunjeni se betonski sanduci spremaju u podzemna skladišta na način da se slažu jedan na drugi. Primjer jednog takvog skladišta dan je na priloženim slikama. Prikazano je skladište Olkiluoto u Finskoj. Skladište se može posjetiti (tehničke ekskurzije). Jedan puta godišnje otvoreno je za posjtu svim zainteresiranima. To je vrlo bitno kako bi se lokalno stanovništvo uvjerilo u sigurnost odlaganja radioaktivnog otpada u njihovoj blizini. Po izlasku iz skladišta, kontrolira se radioaktivnost posjetitelja.

Skladište OLKILUOTO u Finskoj 1. 2. 3. 4.

5. 6. 7. 8.

Kontrolna zgrada Okno transpotni tunel Istražni tunel, probna izrada kana za smještaj visokoradioaktivnog otpada na drugoj lokaciji. podzemna hala nisko radioaktivni otpad srednje radioaktivni otpad konsztuktivni tunel

3

Iskop: 90 000 m kapacitet (bačva od 200 l) • niskoradioaktivni: 24 800 bačvi • srednje radoaktivni: 17 360 bačvi Dužina pristupnih tunela: 665 m Dužina konstruktivnih tunela: 400 m Cijena: 85 mil FIM

Slika XXX Skladište nisko i srednje radiaktivnog otpada OLKILUOTO u Finskoj

Podzemne građevine

Slika XXX Unutrašnjost skladišta nisko i srednje radiaktivnog otpada OLKILUOTO u Finskoj

19

Podzemne građevine i tuneli

16.8 Skladištenje ugljena u podzemlju Ako se termoelektrana na ugljen nađe u urbanom području otvara se problem deponiranja velike količine ugljena. Kako vjetrovi raznose ugljen a deponije zauzimaju velike i obično skupe prostore, alternativa je skladištenje ugljena u podzemlju. U Helisnikiju je u zoni termoleketrane izgrađeno podzemno skladište ugljena Salmisaari udaljeno samo par kilometara od centra grada (Coal stock of Salmisaari). Ugljen se skladišti u 4 velika podzemna silosa. Na donjim se slikama vidi pozicija silosa u prostoru te unutrašnjost jednog od njih. Vidi se operma za doziranje količine ugljena koja se uzima iz skladišta.

Pozicija termoleketrane u Helsinkiju. Vidis e vanjska deponija ugljena. Skladište se sastoji od 4 podzemna silosa.

Slika XXX Podzemno skaldište ugljena u Helsinkiju (Finska) (Projekt: Oy Rockplan LTD) Skladište ima kapacitet od 250.000 tona ugljena. Podzemni silosi (bunkers) imaju visinu od 75 m i promjer od 40 m. Dno silosa je 100 m ispod nivoa mora. Iskopano je oko 550 000 m3 stijenske mase koja se iskoristila za gradnju drugih obejkata. Skladište je izgrađeno za dvije godine (2002-2004) a cijena mu je bila 300 milijuna FIM. Prostor na kojem je bila deponija iskoristit će se za izgradnju zgrada, lučice za brodove, sportske objekte i slično.

20

21

Podzemne građevine

16.9 Skladištenje hladnih roba u podzemlju Podzemlje je idealan prostor za spremanje hladnih roba. Niska stabilna temperatura zahtjeva minimalno energije za stvaranje uvjeta skladištenja. Kod ovih se skladišta mogu primjeniti dva principa: • •

zamrzne se stijenska masa u okolini skladišta formira se podgrada skladišta od leda (ledena podgrada)

Planina Planina

Sustav vodene zavjese

bušotine

voda

Ledena podgrada

pukotine

pukotine

Skladišni prostor

Zamrznuta zona (spriječava istjecanje tekućine i plina)

Skladišni prostor

Slika XXX Skladišta hladnih roba. (a) zamrzavanje stijenske mase u okolini skladišta; (b) Skladište s ledenom podgradom

Podzemne građevine i tuneli

22

16.10 Strojarnice i drugi podzemni prostori hidrocentrala Strojarnice, transformatorske hale i drugi podzemni prostori hidrocentrala poprimaju impozantne dimenzije. Kako se obično radi o prostorima velikih dimenzija, naročito je važno utvrditi horizontala prirodna naprezanja (in situ naprezanja).

Slika XXX Strojarnice hidrocentrala u Japanu (prospekt tvrtke Kajima)

Slika XXX Prostorni prikaz strojarnice, tranformatorske hale i ostalih podzemnih prostora na projektu Bekhme dam (Izvoditelj Hidrogradnja sarajevo); Početak iskopa tunela na projektu Bekhme dam, uzvodna strana. Ministarstvo za irigacije Republike Irak pokrenulo je XXX izgradnju, u ono vrijeme, jednog od najvećih svjetskih hidroenergetskih projekata, Bekhme dam projekt. Tender dokumentaciju izradila je japanska tvrtka Electric Power Dewelopment Co. LTD Tokyo. Cjelovit je posao povjeren konzorciju Enka (Turska) i Hidrogradnja-Sarajevo.Enka je preuzela na sebe gradnju nasute brane visine 220 m i nizvodne iskope, a Hidrogradnja uzvodne iskope i sve podzemne radove.

Podzemne građevine Ukupna dužina svih tunela i podzemnih prostora iznosi oko 15 km. Količina podzemnog iskopa adekvatna je iskopu cestovnog tunela površine 70 m2 , duljine 70 km. Uzvodni površinski iskopi dosegnuli su 2,3 milijuna m3. Na osnovi idejnog projekta, trebalo je u podzemne prostore ugraditi više od 500.000 m3 mlaznog beetona, oko 1.200 tona armaturnih mreža i oko 90.000 komada stijenskih sidara. Izvedene projekte osiguranja tunela, uzvodnih iskopa i sva laboratorijska ispitivanja obavljao je Građevinski institut iz Zagreba. Na žalost, zbog Zaljevkog rata (invazija Iraka na Kuvajt, 1990) radovi su u poodmakloj fazi prekinuti i nikada nisu završeni. 16.11 Rječnik 16.12 Literatura André P. Assis, Underground Structures: The Sensible Solution to Urban Problems André P. Assis, Sensible Underground Solutions for Urban Problems Bergman, S. M., The Development and Space Utilization of Subsurface, U.N. Progress Report, Tunnelliag and Underground Space Technology, Vol. I. No. 2, pp. 115-144, 1986.

Besner, J., The Sustainable Usage of Underground Space in Metropolitan Areas, 2002. Burland J.B., Standing J.R. and Jardine F.M. (2001) “Building Response to Tunnelling” Case studies from construction of the Jubilee Line Extension, London. Thomas Telford publishers, London. Guide to cavern engineering, Geoguide 4, Geotechnical engineering office, the government of the Hong Kong, 1998. ITA Working Group No. 13, "Direct and Indirect Advantages of Underground Structures", General Considerations in Assessing the Advantages of Using Underground Space/ Prepared by J.-P. Godard, Animateur and R. L. Sterling, Vice-Animateur, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 10, No. 3, pp. 287-297, 1995 ITA Working Group No. 13, "Direct and indirect Advantages of Underground Structures", Underground Car Parks/ Prepared by J.-P. Tareau, Tunnelling and Underground Space Fechnology, Vol. 10, No. 3, pp. 299-309, 1995 ITA Working Group No. 13, "Direct and Indirect Advantages of Underground Structures", Underground or aboveground? Making the choice for urban mass transitsystems, Tunnelling and Underground Space Technology 19 (2004) 3–28 ITA Working group No. 4 “Subsurface planning” Study of Access ways to underground spaceExamples of spatial requirement Final Report May 2004. Johanson, E., Riekkola, R., Pekka-Salo, J., Anttila, P., 1999, State of the Art-Nuclear Waste Repository Projects and Rock Mechanics in Finnish Program, Vail Rocks ’99,CO, USA, Int. Workshop on the Rock Mech. of Nuclear Waste Repositories. Kavvadas, M., J., 2003, Monitoring and modelling ground deformations during tunnelling Proceedings, 11th FIG Symposium on Deformation Measurements, Santorini, Greece, 2003. Kovari, K., 1993, Basic consideration on Storage of compressed natural gas in rock chambers, Rock Mech. and Rock Engng. 16(1), 1-27 Posiva Oy, 1999, An Overal Description of the Facility for Final Disposal of Spent Nuclear Fuel, A document related to the application for a decision in principle field to the council of state. Sterling, R. L., Godard, J-P., Geoengineering considerations in the optimum use of underground space

23

Podzemne građevine i tuneli

24

Ivan Vrkljan

17. Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora Opaženje geotehničkih građevina tijekom građenja i eksploatacije nema istraživačku svrhu već je to alat kojim se geotehničari služe. Zbog toga su geotehnička opažanja sastavni dio projektiranja. Prikazani su principi i načini mjerenja koji se najčešće koriste u postupku opažanja ponašanja tunela i drugih podzemnih prostora

Podzemne građevine i tuneli

17 Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora

17.1 Uvod

Svaki geotehnički projekt je u nekom stupnju hipotetski i svaka aktivnost u ili na stijenskoj masi i tlu povezana je s rizikom i iznenađenjima. Ovo je posljedica činjenice da su geotehničke konstrukcije izgrađene od prirodnih materijala koji su nastali različitim procesima. Rijetko je kada rezultat ovih procesa jednoličan materijal. Prirodni materijala (tlo i stijenska masa) su nehomogeni, anizotropni i prirodno napregnuti. Nemogućnost da se istražnim radovima, bez obzira na njihov opseg, utvrde svi značajna svojstva i stanja prirodnih materijala, za posljedicu ima mnoge pretpostavke na kojima se temelji projekt i na osnovi kojih se odabire oprema i tehnologija građenja. Jasno je da se pretpostavljena svojstva i stanja medija mogu značajno razlikovati od stvarnog stanja u prirodi. Terenska promatranja (field observations), uključujući i kvantitativna mjerenja mjernim uređajima, omogućavaju geotehničkom inženjeru da usprkos ograničenjima može projektirati sigurne i efikasne građevine a izvođaču da može raditi sigurno i ekonomično. Zato terenska mjerenja neuporedivo više znače geotehničarima u odnosu na druge projektante koji rade s umjetnim materijalima, čija su svojstva i stanja definirana projektom a tijekom gradnje se samo kontrolira zadovoljavanje postavljenih zahtjeva. Zato getehničar, za razliku od drugih projektanata, mora dobro poznavati principe i tehnike mjerenja. Za geotehničare je instrumentacija alat za rad a ne samo jedna od komponenti istraživanja. U našoj se praksi ustalio izraz-opažanje za ono što u engleskoj literaturi nalazimo kaomonitoring i field observation. Ralph B. Peck u predgovoru Dunicliffove knjige iznosi neka razmišljanja o problematici opažanja koja se često zanemaruju: (Dunnicliff, 1993, str. vii). • • • •

Čovječije oči su najbolji instrument za opažanje ponašanja geotehničke građevine, Rezultatima mjernje moraju biti pridružene točne informacije o stanju iskopa i ugrađenoj podgradi jer inače rezultat mjerenja nema smisla, Treba ocijeniti koje uređaje koristiti i bolje je koristiti čim jednostavnije (ako se pomaci mogu vidjeti okom ne treba koristiti mikrometar), Traba motivirati ispitivača da u teškim uvjetima napravi kvalitetnu ugradnju opreme i izvrši mjerenja mjerenja.

Ladanyi (1982), kao glavne probleme mehanike stijena ističe sljedeće: • • •

nemogućnost direktnog mjerenja osnovnih svojstava stijenske mase, efekt vremena, modeliranje.

2

Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora

Osnovna svojstva stijenske mase nije moguće direktno mjeriti zbog ograničavajućih faktora mjerila, (scale efects), vremena i novca. Ladanyi nudi i odgovor na pitanje-što činiti u ovakvoj situaciji. "Nemožemo mjeriti, ali ako dovoljno pažljivo promatramo, razvijamo koncepcijske modele, radimo povratne analize, utvrđujemo okvire i klasifikacijske sisteme neprestano promatramo i poboljšavamo ih tijekom dovoljno dugog perioda, možemo se nadati da ćemo eventualno moći utvrditi ova svojstva stijenske mase dovoljno točno za potrebe prjektiranja. 17.2 Opažanja i Eurokod 7 Osnovu filozofije projektiranja prema graničnim stanjima koja je opisana u Eurokodu 1 (EC1) i prihvaćena u Eurokodu 7 (EC7), je da treba razmotriti sve moguće modele sloma konstrukcije te, za svaku projektnu situaciju, treba provjeriti da relevantno granično stanje neće biti dostignuto. Pri projektiranju po graničnim stanjima, granična stanja nosivosti i granična stanja upotrebljivosti se razmatraju odvojeno. U praksi se često zna iz iskustva koje granično stanje je relevantno. Klizanje tla je vjerojatno najuobičajenije granično stanje nosivosti i prekomjerno slijeganje temelja je najuobičajenije granično stanje upotrebljivosti. Za svaku geotehničku projektnu situaciju treba potvrditi da relevantno granično stanje nije premašeno. Ovaj zahtjev može se postići (ENV 1997-1:1994): • • • •

upotrebom proračuna, usvajanjem propisanih mjera, modelskim ispitivanjima i probnim opterećenjima, metodom opažanja.

Ova četiri pristupa mogu se koristiti u kombinaciji. U praksi će iskustvo često pokazati koja vrsta graničnih stanja je mjerodavna za projektiranje, a izbjegavanje ostalih graničnih stanja može biti potvrđeno grubim provjerama. Rezultati opažanja geotehničkih građevina koriste se za: • •

potvrditu da relevantno granično stanje nije premašeno, dobivanja parametara tla i stijena povratnim analizama.

Da bi metoda opažanja dala očekivene rezultate, moraju biti zadovoljena sljedeća četiri zahtjeva i to prije početka gradnje: •

moraju se uspostaviti prihvatljive granice ponašanja,

•

mora se ocijeniti raspon mogućeg ponašanja i pokazati da postoji prihvatljiva vjerojatnost da će ponašanje biti unutar prihvatljivih granica,

•

mora se načiniti plan praćenja ponašanja, koji će pokazati je li ponašanje unutar prihvatljivih granica; praćenjem se to mora jasno pokazati i to dovoljno rano te u dovoljno kratkim vremenskim razmacima da bude moguće uspješno poduzimati uvjetovane mjere; vrijeme odziva uređaja i postupci za analizu rezultata moraju biti dovoljno brzi u odnosu na mogući razvitak događaja u sustavu,

•

mora se načiniti plan uvjetovanih mjera, koje se mogu usvojiti ako praćenje pokaže da je ponašanje izvan prihvatljivih granica.

Tijekom gradnje praćenje se mora provoditi prema planu, a ako zatreba mora se provesti i daljnje ili zamjenjujuće praćenje. Rezultati praćenja moraju se ocjenjivati u odgovarajućim fazama gradnje, a ako zatreba moraju se provesti i planirane uvjetovane mjere.

3

4

Podzemne građevine i tuneli

17.3 Tehnike opažanja tijekom građenja i eksploatacije tunela Geotehničko instrumentiranje nije samo odabir mjernih uređaja već opsežan inženjerski proces koji počinje s definiranjem svrhe i završava s implementacijom podataka. Svaki korak u ovom procesu je kritičan za uspjeh ili promašaj cjelokupnog programa. Postupak izgradnje tunela koji se stalno prilagođava napredovanju može se ostvariti kombiniranjem proračunskih metoda, empirijskog načina projektiranja i neposredne interpretacije mjerenja in situ. Pri tome se terenska mjerenja deformacija masiva te deformacija i naprezanja u podgradi stalno koriste za potvrdu projekta ili njegovu promjenu. Početne dionice s intenzivnom instrumentacijom daju ulazne podatke za taj postupak. Interpretacija izmjerenih vrijednosti daje uvid u ponašanje masiva kao reakciju na napredovanje tunela. Za primjenu ovog postupka treba ispuniti sljedeće uvjete: • • • • •

mora postojati mogućnost mijenjanja metoda iskopa i osiguranja uzduž osi tunela, investitor i izvođač moraju unaprijed ugovoriti odredbe koje dopuštaju modifikaciju projekta tunela, terenska mjerenja moraju biti interpretirana po konceptu koji povezuje mjerenja i kriterije projekta, interpretacija posebne instrumentirane dionice tunela mora biti korištena za zaključke o drugim dionicama; prijenos iskustava ograničen je na dionice s usporedivim geotehničkim i drugim okolnostima, mjerenja in situ treba predvidjeti po cijeloj dužini tunela da bi se provjerila ispravnost usvojenih pretpostavki.

Opažanja svake geotehničke građevine mogu se podijeliti u dvije velike skupine: • •

Opažanja medija u kojem je građevina izvedena (tlo, stijena, voda, plinovi iz podzemlja) Opažanje elemeta za stabilizaciju iskopa (mlazni beton ,sidra, betonska obloga i slično)

Kada se govori o podzemnim prostorima najčešće se vrše opažanja prikazana na slici XXX.:

Najčešće tehnike opažanja u podzemnim prostorima

3 6 1

4

2 7

1-mjerenje pomaka konture iskopa distometrima 2-mjerenje pomaka konture iskopa geodetskim metodama 3-mjernje pomaka u stijenskoj masi ekstenzometrima 4-mjernje naprezanja uzduž sidra (meassuring anchor) 5-mjerenje sile na glavi sidra (total anchor force) 6-mjerenje radijalnih i tangencijalnih naprezanja u mlaznom betonu i u betonskoj oblozi 7-mjerenje kontaktnih naprezanja između obloge is tijenske mase 8-piezometarska mjerenja

5

8

Slika XXX Različite tehnike opažanja u podzemnim prostorima

Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora

17.3.1 Mjerenje pomaka

Svaka geotehnička konstrukcija izaziva promjenu naprezanja u tlu ili stijeni bez obzira radi li se o temeljenju građevina, površinskim zasjecanjima ili podzemnim iskopima. Promjenu naprezanja izazvat će i unutarnji tlak u hidrotehničkim tunelima pod tlakom, plin pod tlakom u podzemnim skladištima, bubrenje stijena, promjene temperature i slično. Vidljiva posljedica promjene naprezanja su pomaci na konturama iskopa ili kontakta građevina i tla odnosno pomaci u dubini stijenske mase do koje promjena naprezanja doseže. Može se reći da se zona promjene naprezanja deformira. U engleskomse jeziku za pojam-deformacija, koriste dva izraza s bitno različitim značenjem: •

•

Deformacija (deformation) se definira kao promjena oblika (ekspanzija, sažimanje (contraction) ili neki drugi oblik distorzije (distortion)). Obično se dešava kao odgovor na djelovanje opterećenja ili naprezanja ali može biti i posljedica promjene temperature ili vlažnosti (bubrenje ili skupljanje (swelling or shrinkage). Deformacija (deformation) se mjeri u jedinicama duljine (m) ali se obično izražava kao neimenovani broj i tada se zove deformacija (strain). Deformacija (strain) predstavlja odnos promjene duljine nekog elementa i njegove originalne duljine u određenom pravcu.

Svi uređaji za mjerenje promjene oblika i veličine prostora zahvaćenog promjenom naprezanja, uvijek mjere pomak (displacement, deformation). •

pomak (displacement) – promjena pozicije materijalne točke.

Iz izmjerenih pomaka mogu se izračunati deformacije (strain) u željenim pravcima. Deformabilnost (deformability) se može opisati kao lakoća kojom se stijena može deformirati. Krutost (stiffness) se može opisati kao otpor deformiranju.

Kada se govori o mjerenjima pomaka u podzemnim prostorima, treba razlokovati: • •

mjerenje pomaka konture iskopa, mjerenje pomaka unutar stijenske mase

5

Podzemne građevine i tuneli

17.3.1.1 Mjerenje pomaka konture iskopa (konvergencija) Pomaci stijenske mase su najočitiji na konturi iskopa. Ovi se pomaci nazivaju radijalnim pomacima jer su naizraženiji u radijalnom pravcu u odnosu na konturu iskopa. Za nihovo mjerenje se koriste dvije tehnike:

• •

mjerenje promjene razmaka dviju točaka na konturi iskopa, određivanje vektora pomaka točke na konturi iskopa.

Kod obje su tehnike mjerne točke grupirane u odabranim porečnim profilima, te se na taj način dobije slika deformiranog poprečnog profila. Mjerenje promjene razmaka dviju točaka na konturi iskopa

Kod ovog se mjerenja na konturi iskopa ugradi više repera u odabranom poprečnom profilu. Između pojedinih repera se postavlja mjerna traka ili žica sa uređajem za precizno mjerenje promjene razmaka repera. Treba naglasiti da za ova mjerenja nije bitna udaljenost repera (razmak) već samo njegova promjena. Prvo mjerenje je uvijek nulto i očitanje na isntrumentu ne predstavlja neku fizikalnu veličinu. Ukoliko je između prvog (nultog) i drugog mjerenja došlo do pomaka repera, instrument će kod drugog mjerenja pokazati neku drugu vrijednost. Razlika prvog i drugog čitanja, predstavlja promjenu razmaka repera u mm (razlučivost mjernih uređaja je obično 0,01 mm). Kod ovih je mjerenja bitno da se mjerna traka ili žica uvijek napinje istom silom. Mjerenjem promjene razmaka u više pravaca, može se izračunati vektor pomaka u ravnini poprečnog presjeka. Žica ili traka rade se od materijala koji ne mijenjaju duljinu pri promjeni temperature (npr. invar). Prednosti odvog načina mjerenja: • jednostavna za izvođenje i ne traže posebnu obučenost operatera, • niska cijena opreme. Nedostaci: • tijekom mjerenja prekida se promet tunelom, • ventilacija i propuh mogu stvarati poteškoće kod mjerenja,

6

Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora

Slika XXX Distometar tvrtke Solexperts (prospekt tvrtke Solexperts)

Slika XXX Distometar s trakom (prospekt tvrtke Slope indicator)

7

Podzemne građevine i tuneli

Određivanje vektora pomaka točke na konturi iskopa Za ova se mjerenja koriste geodetski instrumenti kojim se precizno mjeri promjene položaja geodetskih markica ugrađenih po konturi iskopa. Kako danas geodetski instrumenti imaju vlastitu memoriju, spajanjem na računalo dobiju se dijagrami pomaka pojedine markice s vremenom.

Slika XXX Motorizirana totalna stanica Leica TCA 1800; Robotizirana totalna stanica u tunelu Motorizirana totalna stanica može izvesti automatska mjerenja u x.y, i z pravcu, sa relativno visokom točnošću: ∆z < 0.5 mm; ∆y, ∆y < 1.0 mm na udaljenosti od 150 m.

8

Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora

9

Prikaz rezultata mjerenja

Radijalni pomak (u)

Rezultati mjerenja se redovito prikazjuju na dijagramima: pomak-vrijeme. Dok se mjerenja vrše, treba voditi evidenciju svih događanja koja mogu imati utjecaj na izmjerenu veličinu kao što su: • iskop nove faze, • ugradnja podgrade (mlazni beton, sidra i slično), • potres.

u5

u6 5. Potres može prouzročiti jednokratni pomak konture

u4 u3

6. Konačan radijalni pomak prije ugradnje sekundarne betonske obloge

u2 u1

1

2

3

4

5

6 Vrijeme

1

2

u1

Iskop prve faze prouzročit će radijalne pomake konture iskopa

3

u2

Ugradnjom podgrade smanjit će se brzina prirasta pomaka

4

u3

Iskop druge faze prouzročit će nova pomjeranja konture prema praznom prostoru tunela

u4

Ugradnjom novih elemenata podgrade, radijalni pomak će dostignuti konačnu vrijednost

Slike XXX Praćenje promjene radijalnih pomaka tijekom vremena

Podzemne građevine i tuneli

17.3.1.2 Mjerenje pomaka unutar stijenske mase

Za mjerenje pomaka unutar stijenske mase koriste se: • •

ekstenzometri inklinometri

I jedni i drugi uređaji mjere unutar bušotine ali je princip mjerenja bitno različit. Ekstenzometri uvijek mjere promjenu razmaka dviju točaka u pravcu bušotine a inklinometri mjere pomake normalne na os cijevi kroz koju prolaze. Samo ime (ekstenzometar) upućuje da su namjenjeni prvenstveno za mjernje povećanja razmaka dviju točaka (extension). Naziv ekstenzometar potiče iz vremena kada su se oni koristili isključivo za mjerenja pomaka unutar građevina gdje se stvarno mogu izmjeriti samo izduženja. Međutim, kada ekstenzometar koristimo za opažanja slijeganja ispod temelja, oni bi se trebali zvati kompresometrima (compressometers). Ovaj naziv nikada nije zaživio u inženjerskoj praksi. Terzaghi ih je nazivao faundations gauges. Danas se obično nazivaju osjetilima slijeganja (settlement gauges). Ime inklinometra upućuje da se sa njim mjeri nagibinklinacija. Prema konstrukciji i principu mjerenja, razlikuju se: • • •

štapni ekstenzometri (rod extensometers), žičani ekstenzometri (wire extensometers), ekstenzometri kod kojih se koristi prenosiva mjerna sonda za mjerenje razmaka fiksnih točaka (probe extensometers).

Bez obzira o kom se tipu ekstenzometra radi, mjerenja se uvijek izvode u cijevima koje u ugrađene u prethodno izbušenu bušotinu. Prostor između cijevi i stijenske mase se injektira cementno-bentonitnom injekcijskom smjesom, odgovarajuće konzistencije i čvrstoće nakon stvrdnjavanja. Ekstenzometarska mjerenaj (izuzev jednostrukog ekstenzometra) pripadaju skupini tzv. linijskih mjerenja (linewise measurement). Točkasta mjerenja (pointwise measurement) dobiju se upotrebom jednostrukog ekstenzometra.

10

Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora

11

Štapni ekstenzometri Štapni ekstenzometar (rod extensometer) se sastoji od jedne ili više ekstenzometarskih šipki i isto toliko mjerila pomaka. Jedan kraj ekstenzometarske šipka fiksira se u bušotini na željenoj dubini a drugi kraj je na ušću bušotine. Svaki pomak točke u kojoj je šipka fiksirana prenijet će se na ušće bušotine. Ako izmjerimo pomak kraja šipke u odnosu na ušće bušotine izmjerilo smo zapravo pomak fiksne točke u odnosu na ušće bušotine. Šipke se obično umeću uPVC cijevi koje ih štite od eventualnog zarušavanja bušotine. Princip rada jednostrukog ekstenzometara prikazuju slika XXX a trostrukog slika XXX. Jasno je da ekstenzometri mogu biti i dvostruki, četverostruki i.t.d.

uA

Bušotina

Bušotina

Šipka

Šipka

Fiksna točka

A A

Slika XXX Princip rada jednostrukog ekstenzometra

uA

12

Podzemne građevine i tuneli

uC uB

C

uA

C

B B

A A

A

Slika XXX Princip rada trostrukog ekstenzometra

Slika XXX Ekstenzometri ugrađeni s površine terena sa ciljem mjerenja pomaka tla u zoni iskopa tunela

Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora

Slika XXX Moderna komunikacija projektanta s podacima koje ekstenzometri mjere (prospekt tvrtke Solexperts)

13

14

Podzemne građevine i tuneli

Klizni deformmetar (probe extensometer) Radi na prncipu mjerenja promjene razmaka fiksnih točaka u cijevi koja je ugrađena u stijensku masu (tlo). Ovim načinom mjerenja dobije se slika o deformacijama tla na mjernoj bazi koja odgovara razmaku fiksnih točaka (obično 1 m). Cijev u kojoj će se vršiti mjerenja sastoji se od segmenata duljine 1 m i spojeva. Spojevi su posebne konstrukcije i oni predstavljaju ujedno i mjernu točku. Spojevi i cijev imaju teleskopsku vezu kako bi se cijev prilagodila pomacima u tlu.

Nakon što se formira potrebna duljina, cijev se ugrađuje u bušotinu. Prostor između cijevi i tla se injektira cementno bentonitnom suspenzijom. Mjerna sonda spušta se u bušotinu na metalnim šipkama i zmjeri razmak između dva susjedna spoja (meassuring marks). Slična sonda, ali puno preciznija, komercijalno se naziva sliding micrometar. (mjerno područje=10 mm; osjetljivost uređaja izražena preko deformacije: 1*10-6. Kombinacijom deformmetra i inklinometra u jednos sondi dobiven je uređaj koji se komercijalno zove trivec sonda.

1-Fiksni element (spoj cijevi) (meassuring mark) 2-Injekcijska smjesa 3-Sonda (probe) 4- Fiksna točka 5-plastična cijev Prva i druga skica prikazuju umetanje sonde između fiksnih elemenata i prvo mjerenje. Treća skica prikazuje mjerenje nakon što se gornja fiksna točka pomaknula za iznos ∆L u odnosu na prvo mjerenje.

Slika XXX Proncip mjernje kliznim deformmetrom

Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora

Sliding deformeter (prospekt tvrtke Solexperts) Deformmetarska se mjerenja obavljaju u PVC cijevima koje u sebi, na razmacima od 1m, imaju fiksne elemente (measuring marks). Cijevi se ugrađuju u bušotinu a prostor između bušotine i stijenske mase se injektira cementno bentonitnom injekcijskom smjesom. Mjerna sonda se spušta u bušotinu i mjeri promjenu razmaka fiksnih elemenata. Oblik sonde i fiksnih elemenata je takav da sonda u određenom položaju može proći kroz ovaj element. Gornje slike prikazuju način spuštanja sonde i njenu poziciju u trenutku mjerenja.

Slika XXX Princip rada kliznog deformmetra (prospekt tvrtke Solexperts)

15

Podzemne građevine i tuneli

Slika XXX Mjernje TRIVEC sondom (Frodl; prospekt tvrtke Solexperts)

16

Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora

17

Inklinometri Inklinometar (inclinometer, slope inclinometer, probe inclinometer, slope indicator) je uređaj koji mjeri pomake normalne na os cijevi kroz koju prolazi. Uređaj sadrži senzor koji mjeri otklon njegove osi od vertikale. Inklinometarska se cijev ugrađuje u bušotinu a prostor između cijevi i stijene se injektira cementno-bentonitnom injekcijskom smjesom. Inklinometri se proizvde kao vertikalni za mjeranja u približno vertikalnim cijevima i horizontalni kada se cijev postavlja vodoravno.

otklon L*sinθ

Kut naginjanja

Kabel s kojim se inklinometar spušta i povlači iz bušotine

interval mjerenja (L)

inklinometarska ciejv

Slika XXX Inklinometar mjeri otklon cijevi od vertikale (prospekt tvrtke Slope indicator); Tipičan rezultat osam mjerenja nakon što je obavljeno nulto (sa nultim ukupno 9 mjerenja).

Inklinometarska mjerenja vrlo će precizno identificirati kliznu plohu (klizno područje)

inklinometarska buušotina

Podzemne građevine i tuneli

Slika XXX kabel. sonda i kolut za spuštanje i povlačenje kabela na kojem visi sonda (prospekt tvrtke Slope indicator)

18

Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora

19

17.4 Piezometarska mjerenja Treba razlikovati nivo pozemne vode (ground water level) i piezometarski noivo (piezometric level, piezometric elevetion).

Nivo podzemne vode je gornja površinapodzemne vodene mase na kojoj vlada atmosferski tlak. Tlak porne vode je tlak koji vlada u nekoj točki u tlu ili stijeni. Piezometarski nivo je nivo vodenog stupca koji odgovara tlaku porne vode u zoni u kojoj je mjerenje izvršeno. Pretpostavimo da se tlo sastoji od slojeva različite vodopropusnosti, u ovom slučaju od pjeskovitih slojeva između kojih se nalazi slabo vodopropusna glina koja se može smatrati hidrogeološkim izolatorom. A

B

C

piezometarski nivo

NPV pijesak

Pretpostavka: Cijev je u bušotini dobro injketirana i može u sebe primiti vodu samo na perforiranom dijelu.

glina

sloj 1

sloj 2

Nivo podzemne vode i piezometarski nivo se mogu mjeriti različitim tehnikama. Ovaj će se slučaj ilustrirati uporabom najjednostavnijih mjerila koji se sastoje od plastične ili metalne cijevi umetnute u bušotinu. Uvedena je pretpostavka da je cijev idealno injektirana vodonepropusnom inkecijskom smjesom na dijelovima koji nisu perforirani. To znači da voda u cijev može ući samo na njenom perforiranom dijelu. Ovo znači da se u slučajevima B i C, voda između pojedinih slojeva ne može teći uz cijev iz jednog u drugi sloj. Slučaj A Ako se cijev kojom želimo izmjeriti tlak porne vode nalazi u vrlo propusnom materijalu (pijesak, šljunak), nivo vode u cijevi će se izjednačiti s nivoom podzemne vode. U ovom slučaju nije bitno jeli cijev perforirana po cijeloj duljini ili samo na jednom dijelu.

20

Podzemne građevine i tuneli

Slučajevi B i C U glinovitom, slabo vodopropusnom tlu nalaze se proslojci koji u porama sadrže vodu pod tlakom (pore water pressure). Tlakovi vode odgovaraju visini vodenog stupca koji doseže iznad nivoa podzemne vode. U ovom slučaju govorimo o arteškoj vodi (artesian aquifer). Cijev kojom mjerimo tlak porne vode u ograničenoj zoni (perforirana je samo u zoni u kojoj želimo izmjeriti porni tlak) nazivamo piezometrima (piezometers). Nivo koji voda dostigne u cijevi naziva se piezometarskim nivoom. Cijevi prikazane na slici XXX uglavnom se koriste za mjerenje nivoa podzemne vode i piezometarskog nivoa u jače vodopropusnim tlima (pijesak i šljunak). U slabo vodopropusnim tlima količina vode koja ulazi u cijev može biti tako mala da mjerenje na ovaj način praktički nije moguće. U ovim se slučajevima koriste električne piezometarske sonde kod kojih je osjetilo tlaka male površine te brzo reagira na svaku promjenu pornog tlaka. Izmjereni podaci o tlaku vode na poziciji sonde, proslijeđuju se električnim kablovima na površinu do računala ili logera. Solexperts PiezoPress, Retrievable porewater pressure sensor) Prednost ovog sustava je što se piezometarske sonde (senzor tlaka) mogu zamjeniti u slučaju njihovog kvara, što nije rijedak slučaj kod dugotrajnih mjerenja.

pizometarska cijev Detalj

Unutarnja cijev (promjenjiva) kabel senzora senzor tlaka (promjenjiv)

piazometarski filter

Slika XXX Piezometar s promjenjivim senzorima (Solexperts PiezoPress, Retrievable porewater pressure sensor)

Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora

21

17.5 Opažanja naprezanja u mlaznom betonu i betonskoj oblozi

Ćelije se satoje od čeličnih limova zavarenih po rubovima tako da čine mali jastuk. Obično se ugrađuju u paru za mjerenje naprazanja u dva okomita pravca.Ćelije se ispune deareirenim fluidom i spojs s mjerilom tlaka tako da u ćeliji i cijevima nema ni najmanja količina zraka. Nekada se kao tekućina koristila živa, danas se korištenje žive izbjegava iz ekoloških razloga. Nakon stvrdnjavanja betona, ćelije se dovedu pod tlak. Svaka daljna promjena naprezanja u betonu, izazvat će skupljanje ili razdvajanje čeličnih ploča koje čine ćeliju, što će biti izmjereno električnim mjerilima tlaka. Isti se tip ćelija koristi u mlaznom betonu (primarna podgrada) i u betonskoj oblozi (sekundarna podgrada)

Instaliranje ćelija u mlaznom betonu primarne

Prenosivi uređaj za očitavanje podataka

Varena čelična mreža (armatura) Stijena

mlazni beton

mjerna ćelija

Veza na mjerni uređaj

Žica za fiksiranje ćelije

Slike XXX Ćelije za mjerenje radijalnih i tangencijalnih naperzanja u mlaznom betonu; Ćelija model 4850 (Geokon)

22

Podzemne građevine i tuneli

17.6 Opažanje sidara

Pri opažanju sidara obično se vrši: • •

Mjerenje sile na glavi sidra (total anchor force) Mjernje naprezanja uzduž sidra (meassuring anchor)

Mjerenje sile na glavi sidra (total anchor force) Svrha ovog mjerenja je da se utvrdi sila kojom stijenska masa na konturi iskopa djeluje na glavu sidra (podložnu pločicu i navrtku). Mjerilo sile umetne se između navrtke i posbnog elementa koji je prilagođen obliku mjerila sile. Tijekom vremena očitava se sila koju sidro preuzima na sebe.

podložne pločice Betonska obloga navrtka mjerilo sile

sidrena šipka podloška

Slika XXX (prospekt tvrtke Slope indicator) Mjernje naprezanja uzduž sidra (meassuring anchor) Mjerno sidro je posebne konstrukcije a služi da se izmjere naprezanja u sidrenoj šipki tijekom djelovanaj sidra. Nekada probno sidro ima oblik cijevi u koji se ugrade višepozicioni mini ekstenzometar (4-9 fiksnih točaka). Odrđivanje čvrstoće sidra

ISRM-a (1974) zahtjeva da se ispitivanja sidara (tzv. pull out test) izvodi na terenu dok ne bude ispunjen jedan od slijedeća dva kriterija: (a) izvlačenje sidra u iznosu od 40 mm ili (b) dostizanje sile koja odgovara granici F-p0,2. Ukoliko se sidro izvlači, onda se sila kod pomaka od 40 mm označi kao «čvrstoća sidra». Ako se pomak od 40 mm ne može dostići, sila izvlačenja se povećava do vrijednosti sile koja odgovara granici F-p0,2 čelične šipke. U ovom slučaju se «čvrstoća sidra» definira na ovaj način:«čvrstoća sidra je nepoznata ali je veća od dostignute sile tijekom pokusa» (vidi slike XXX.i XXX.).

Sila čupanja (kN)

Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora

23

Fm Sila loma čelika (breaking load; ultimate bolt load (termin u SM-ISRM,1974)) F-p0,2 Granica razvlačenja pri trajnoj istezljivosti 0,2% (tensile yield point; yield bolt load (termin u SM ISRM, 1974)) Naponsko-deformacijska Čvrstoća sidra=A Anchor strength

A

pomak (mm)

40

Slika XXX Definicija čvrstoće sidra (sidrena šipka+mort+stijena) kada se sidro izvlači iz

Sila čupanja (kN)

bušotine (čvrstoća sidra manja od čvrstoće sidrene šipke)

Fm Sila loma čelika (breaking load) F-p0,2 Granica razvlačenja pri trajnoj istezljivosti 0,2% (tensile yield point) Naponsko-deformacijska

Naponsko-deformacijska krivulja sidra (sidrena Čvrstoća sidra je nepoznata ali je veća od «B»

pomak (mm)

40

Slika XXX Definicija čvrstoće sidra (sidrena šipka+mort+stijena) kada se sidro ne izvlači iz bušotine (čvrstoća sidra veća od čvrstoće sidrenene šipke)

24

Podzemne građevine i tuneli

Zatezanje sidra na terenu na silu koja je gotovo identična sili loma čelične šipke nedopustivo je iz slijedećih razloga: • •

Lom sidrene šipke tijekom ovog ispitivanja vrlo je opasan za ispitivače a redovito dovodi do oštećenja mjerne opreme. Postupak preporučen od strane ISRM-a ne predviđa lom sidrene šipke, zato i zahtjeva da se tijekom ispitivanja ne prelazi granicu F-p0,2. Podrazumijeva se da se svojstva čelika ispituju u laboratoriju a da se na ternu ispituje cijeli sklop: sidrena šipka+mort+stijena. Fm=542,2/537,7

F-p0,2=302/297 Fm=Sila loma (breaking load) F-p0,2=Sila pri granici razvlačenja pri trajnoj istezljivosti (tensile yield point)

Slika XXX Rezultat ispitivanja vlačne čvrstoće sidrene šipke jednog sidra (IGH-Zagreb)

Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora

25

17.7 Rječnik ISRM (1975) biaxial state of stress compressive stress displacement hydrostatic pressure inelastic deformation linear (normal) strain plane stress/strain principal stress/strain progressive failure secondary state of stress shear force shear plane shear strain strain strain ellipsoid strain/stress rate stress

stress ellipsoid

stress/strain field stress/strain tensor triaxial compression triaxial state of stress

State of stress in which one of the three principal stresses are zero Normal stress tending to shorten the body in the direction in which it acts a change in position of a material point. (ISRM) A state of stress in which all the principal stresses are equal (and there is no shear stress) The portion of deformation under stress that is not annulled by removal of stress The change in length per unit of length in a given direction A state of stress/strain in a solid body in which all stress/strain components normal to a certain plane are zero The stress/strain normal to one of three mutually perpendicular planes on which the shear stresses/ strains at a point in a body are zero Formation and development of localized fractures which, after additional stress increase eventually form a continuous rupture surface and thus lead to failure after steady deterioration of the rock The resulting state of stress in the rock around man-made excavations or structures A force directed parallel to the surface element across which it acts A plane along which failure of material occurs by shearing The change in shape, expressed by the relative change of the right angles at the corner of what was in the undeformed state an infinitessimally small rectangle or cube The change in length per unit of length in a given direction. The representation of the strain in the form of an ellipsoid into which a sphere of unit radius deforms and whose axes are the principal axes of strain Rate of change of strain/stress with time Force acting across a given surface element, divided by the area of the element The representation of the state of stress in the form of an ellipsoid whose semi-axes are proportional to the magnitudes of the principal stresses and lie in the principal directions. The coordinates of a point P on this ellipsoid are proportional to the magnitudes of the respective components of the stress across the plane normal to the direction OP, where O is the centre of the ellipsoid The ensemble of stress/strain states defined at all points of an elastic solid The second order tensor whose diagonal elements consist of the normal stress/strain components with respect to a given set of coordinate axes and whose off-diagonal elements consist of the corresponding shear stress/strain components Compression caused by the application of normal stresses in three perpendicular directions State of stress in which none of the three principal stresses are zero

Metrologija-Znanost o mjerenju Mjerna metoda-Smislen niz postupaka, opisanih prema rodu, koji se upotrebljavaju za provođenje mjerenja Mjerni postupak-Skup postupaka, opisanih prema vrsti, koji se upotrebljava za provođenje pojedinih mjerenja u skladu s određenom metodom. Mjerna veličina-Posebna veličina podvrgnuta mjerenju Mjerna točnost-Usko slaganje između kojeg mjernog rezultata i istinite vrijednosti mjerene veličine (točnost je kvalitativan pojam; naziv preciznost ne smije se upotrebljavati umjesto točnosti) Ponovljivost (obnovljivost)-Usko slaganje između rezultata uzastopnih mjerenja iste mjerene veličine izvedenih u istim mjernim uvjetima Mjerna nesigurnost-Parametar pridružen rezultatu kojeg mjerenja koji opisuje rasipanje vrijednosti koje bi se razumno mogle pripisati mjerenoj veličini

Podzemne građevine i tuneli

26

Mjerna pogreška-Mjerni rezultatmanje istinita vrijednost mjerene veličine (kako se istinita vrijednost ne može odrediti, u praksi se upotrebljava dogovorena istinita vrijednost Mjerilo, mjerni isntrument-Uređaj namjenjen za izvedbu mjerenja, samostalno ili u vezi s dodatnim uređajima Osjetilo-Element mjerila ili mjernog lanca koji je izravno izložen djelovanju mjerene veličine Kalibracija-Postupak utvrđivanja položaja oznaka na ljestvici mjerila (u određenim slučajevima samo glavnih oznaka) u odnosu na odgovarajuće vrijednosti mjerenih veličina (ne treba brkati kalibraciju i umjeravanje) Osjetljivost-Promjena odziva mjerila podijeljena s odgovarajućom promjenom poticaja Razlučivanje (pokaznog uređaja)-Najmanja razlika između pokazivanja pokaznog uređaja koja se može jasno zamjetiti Točnost mjerila (accuracy of measuring instruments)-Sposobnpost mjerila da daje odzive bliske istinitoj vrijednosti (točnost je kvalitativan pojam) Razred točnosti (accuracy class)-razred mjerila koja zadovoljavaju određene metrologijske zahtjeve kojima je svrha održavanje pogrešaka u navedenim granicama (razred točnostiobično se označujedogovorenim brojem ili znakom, a naziva se kazalom razreda) Pogreška (pokazivanja mjerila) (repeatibility of measuring isntruments)-Pokazivanje mjerila manje istinita vrijednsot odgovarajuće ulazne veličine Ponovljivost (mjerila)-Sposobnost mjerila da daje veoma slična pokazivanja kod ponovljenih primejna iste mjerene veličine u istim mjernim uvjetima Mjerni etalon-Tvarna mjera, mjerilo, referencijska tvar ili mjerni sustav namjenjen za određivanje, ostvarivanje, čuvanje ili obnavljanje jedinice jedne ili više vrijednosti kakve veličine da bi mogli poslužiti kao referencija Umjeravanje (calibartion)-Skup postupaka kojima se u određenim uvjetima uspostavlja odnos između vrijednosti veličina koje pokazuje neko mjerilo ili mjerni sustav ili vrijednosti koje prikazuje neka tvarna mjera ili neka referencijska tvar i odgovarajuće vrijednosti ostvarenih etalonima 17.8 Literatura

ASTM D 653 – 02 Standard Terminology Relating to Soil, Rock, and Contained Fluids Burland J.B., Standing J.R. and Jardine F.M. (2001) “Building Response to Tunnelling” Case

Dunnicliff, J., 1993, Geotechnical Instrumentation for Monitoring Field Performance, John Wiley & Sons 577 p. ENV 1991-1 :1994, Basis of Design and Actions on Structures ENV 1997-1 :1994, Geotechnical Design, Part 1: General Rules ENV 1997-2, 1999, Geotechnical Design, Part 2: Geotechnical design assisted by laboratory testing ENV 1997-3, 1999, Geotechnical Design, Part 3: Geotechnical design assisted by field testing Frodl, H., High-precision Ground Settlement & Movement Measurement with TRIVEC Geokon, Geotechnical instrumentation, Instruction Manual Model 4850, NATM style VW concrete stress cell GIF-Prospekt tvrtke (Geotechniches Ingenieurburo Prof. Fecker &Partners GmbH. Hudec, M., Prager, A., (1992) Konstruktivni projekt tunela, Građevinar, Zagreb (Prijevod Smjernica Međunarodne tunelske asocijacije: ITA Guidelines for the Design of Tunnels,1988) Hudson, J.A., (1989), Rock Mechanics Principles in Engineering Practice, CIRIA, 72 p. Kavvadas, M., J. Monitoring and modelling ground deformations during tunnelling, Proceedings, 11th FIG Symposium on Deformation Measurements, Santorini, Greece, 2003. Kovári, K., Lunardi, P., On the observational method in tunnelling

Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora Ladanyi, B., (1982), Issues in Rock Mechanics: Personal View, Proc 23rd US Symposium on Rock Mechanics, Berkley, California.

Naterop, D., Urs R, Web-based data visualisation for tunnel and deep excavation monitoring Orr, T.L.L.; Farrell, E. R., 1999, Geotechnical Design to Eurocode 7, Springer-Verlag London Limited, 166 p. publishers, London. Studies from construction of the Jubilee Line Extension, London. Thomas Telford Thut, A., Slope Displacement: Geotechnical Measurement and Monitoring (Solexperts publikacija) Schubert W., Grossauer, K., 2004, Evaluation and Interpretation of Displacements in Tunnels 14th International Conference on Engineering Surveying Zürich, 15. – 19. März 2004 Ingenieurvermessung 2004. Suggested Methods ISRM ISRM, Terminology, 1975 (English, German, French) Suggested Methods for Rock Anchorage Testing, 1985 April Suggested Method for Blast Vibration Monitoring, 1992 March Suggested Methods for Rockbolt Testing, 1974 March Suggested Methods for Monitoring Rock Movements Using Borehole Extensometers, 1977 November Suggested Methods for Monitoring Rock Movements Using Inclinometers and Tiltmeters, 1977 December Suggested Methods for Surface Monitoring of Movements across Discontinuities, 1984 October Suggested Methods for Rock Stress Determination, 1987 February Suggested Method for in Situ Stress Measurement Using the Compact Conical-Ended Borehole Overcoring (CCBO) Technique, 1999 April Suggested Methods for Rock Stress Estimation – Part 1: Strategy for Rock Stress Estimation, 2003 October Suggested Methods for Rock Stress Estimation – Part 2: Overcoring Methods, 2003 October Suggested Methods for Rock Stress Estimation – Part 3: Hydraulic Fracturing(HF) and/or hydraulic testing of pre-existing fractures (HTPF), 2003 October Suggested Methods for Rock Stress Estimation – Part 4: Quality Control of Rock Stress Estimation, 2003 October 17.9 Prilozi 17.9.1 Mjerna nesigurnost

Nije problem kupiti uređaj i umjeriti ga u najboljim laboratorijima. To može svatko. Mjerni rezultat treba znati stvoriti a njega nema bez mjerne nesigurnosti. To ne može svatko. Pozanvanje mjerne nesigurnosti rezultata ispitivanja izuzetno je važno za laboratorij, klijente i institucije koje koriste ove rezultate u komparativne svrhe. Kompetentan laboratorij mora poznavati karakteristike svojih ispitnih metoda i nesigurnost koja prati dobiveni rezultat.

27

Podzemne građevine i tuneli

28

Mjerna nesigurnost izuzetno je važna mjera kvalitete rezultata ili metode ispitivanja. Druge takve mjere su obnovljivost (reproducibility), ponovljivost (repeatability) i.t.d. [6] Norma HRN EN ISO/IEC 17025:2000. [3] zahtjeva od akreditiranih laboratorija da za sve svoje mjerne procese koji utječu na ispitni rezultat procjeni mjernu neigurnost. Ovaj je zahtjev za umjerne laboratorije bio iskazan i u normi EN 45001, a donošenjem norme [3] zahtjevi iz EAL-ovih uputa postaju obvezni i za ispitne laboratorije (EAL-European Cooperation for Accreditation) [7]. S obveznom primjenom norme HRN EN ISO/IEC 17025:2000. [3] (31.12.2002.), akreditirani laboratoriji su preuzeli obvezu iskazivanja mjerne nesigurnosti. Kako je mjerna nesigurnost bila novina za većinu ispitnih laboratorija, DZNM-NSO (Državni Zavod za Normizaciju i Mjeriteljstvo-Nacionalna Služba za Ovlašćivanje), definirao je kriterije koji ispitnim laboratorijima pružaju dovoljno vremena za izobrazbu osoblja, te razvoj i uspostavu postupaka za procjenu mjerne nesigurnosti ispitnih postupaka. Prema ovim kriterijima, ispitni laboratorij bio je obvezan sačiniti plan izrade i primjene vlastitih postupaka za procjenu mjerne nesigurnosti a s primjenom plana moralo se početi 01.01.2003. Prema normi HRN EN ISO/IEC 17025:2000., ispitni laboratoriji moraju iskazati mjernu nesigurnost rezultata ispitivanja u izvještaju u sljedećim situacijama: • • •

kada je to specificirano metodom ispitivanja, kada to zatraži Naručitelj ispitivanja i/ili kada bi interpretacija rezultata ispitivanja mogla biti ugrožena nedostatkom poznavanja nesigurnosti (slučaj kada rezultati moraju biti uspoređeni s drugim rezultatima ili vrijednostima iz specifikacija).

Međunarodna organizacija za normizaciju (ISO) izdala je Upute za iskazivanje mjerne nesigurnosti (the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, “GUM”) [8]. “GUM” se prepoznaje kao osnovni dokument na koji se pozivaju sve upute i preporuke za proračun i iskazivanje mjerne nesigurnosti. Iako je “GUM” namijenjen mjeriteljstvu primjenjiv je i u ispitivanju premda postoje bitne razlike između mjeriteljskih i ispitnih postupaka. Mjerni je rezultat uvijek samo procjena prave vrijednosti mjerne veličine, koja ostaje nepoznata. Prema međunarodnom dogovoru, mjerni se rezultat iskazuje najboljom procjenom mjerne vrijednosti, kojoj se mora pridjeliti mjerna nesigurnost Jednoznačnost svjetski usklađenog iskazivanja mjernih rezultata omogućuje jasnoću dogovora u trgovinskim, napose međunarodnim, ugovorima.Pri tome “jednoznačnost” znači: razumljivost iskaza, mogućnost provjere te da obje strane jednako tumače rezultate [7]. Mjerna nesigurnost, prema definiciji u VIM-u [9], je parametar pridružen mjernom rezultatu, koji označuje rasipanje vrijednosti, koje se smije razborito pripisati mjerenoj veličini. Parametar može biti npr. standardno odstupanje ili njegov višekratnik odnosno poluširina raspona vrijednosti određene razine pouzdanosti.

Opažanja tunela i drugih podzemnih prostora

29

Mjerna pogreška

Sustavna pogreška

Poznata sustavna pogreška

Korekcija

Slučajna pogreška

Nepoznata sustavna pogreška

Preostala pogreška

REZULTAT MJERENJA

MJERNA NESIGURNOST

Slika 3 Rezultat mjerenja i mjerna nesigurnost Za opisivanje nekog postupka mjerenja i pripadajuće mu mjerne nesigurnosti koriste se kvalitativni pojmovi: točnost, istinitost i preciznost. Točnost je mjera podudaranja nekog mjernog rezultata s istinitom vrijednošću. Kad je na raspolaganju više mjernih rezultata, podudaranje srednje vrijednosti tih rezultata s istinitom vrijednošću je istinitost, a međusobno podudaranje pojedinačnih vrijednosti je preciznost. Različite kombinacije istinitih i neistinitih rezultata s preciznim i nepreciznim rezultatima slikovito su prikazane na slici 4. bias

Neistinito ali precizno

bias=0

Istinito ali neprecizno

bias=0

Istinito i precizno

bias

Neistinito i neprecizno

Slika 4. Prikaz pojmova istinitost i preciznost. Sredina mete je (nepoznata) istinita vrijednost

30

Podzemne građevine i tuneli

150 kN

100 kN

Granična vrijednost (Na primjer: Zahtijevana čvrstoća sidra)

50 kN

A

B

C

D

A - Rezultat mjerenja neosporno zadovoljava propisanu graničnu vrijednost B i C – Srednja vrijednost je blizu granične vrijednosti ali je zbog mjerne nesigurnosti nemoguće izreći neosporan sud D – Rezultat mjerenja neosporno ne zadovoljava propisanu graničnu vrijednost

Slika XXX Odnos granične vrijednosti, izmjerene srednje vrijednosti i mjerne nesigurnosti [1] Zakon o normizaciji, NN 55/96. [2] HR EN 45 001:1989 Opći kriteriji za rad ispitnih laboratorija [3] Norma HRN EN ISO/IEC 17 025: 2000, Opći zahtjevi za osposobljenost ispitnih i mjeriteljskih laboratorija (ISO/IEC 17025:1999; EN ISO/IEC 17025:2000). [4] Zakon o akreditaciji, NN 158, 7.10.2003. [5] Pravila za ovlašćivanje ispitnih i umjernih laboratorija, Državni zavod za normizacju i mjeriteljstvo, Nacionalna služba za ovlašćivanje, Zagreb, travanj 2002. [6] ILAC-G17:2002, Introducing the Concept of Uncertainty of Measurement in Testing in Association with the Application of the Standard ISO/IEC 17025, November 2002. [7] Boršić, M., Gašljević, V., Procjena mjerne nesigurnosti, Seminar i raspravljaonica, Fakultet elektrotehnike i računarstva, Zagreb, 12. prosinca 2000.

[8] Upute za iskazivanje mjerne nesigurnosti, prijevod na hrvatskom DZNM, 1995. (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM). BIPM, IEC, IFCC, ISO, IUPAC, IUPAP, OIML. International Organization for Standardization, Printed in Switzerland, ISBN 92-67-10188-9, First Edition, 1993. Corrected and reprinted 1995.). [9] BIPM/IEC/IFCC/ISO/IUPAC/IUPAP/OIML: International vocabulary of basic and general terms in metrology, 1993. (skraćenica VIM).

[10] EA-4/16, EA guidelines on the expression of uncertainty in quantitative testing, December 2003, rev00. [11] Kavur, B., 2004., Procjena mjerne nesigurnosti pri ispitivanju tla i stijena u geotehnici, Saopćenja savjetovanja: Hrvatska normizacija i srodne djelatnosti, Tehničko usklađivanje na putu prema Europskoj uniji, Brijuni, 17-19. lipnja 2004.

Ivan Vrkljan

18 Nova austrijska tunelska metoda Prikazane su okolnosti u kojima je nastala tzv. Nova austrijska tunelska metoda kao i osnovni principi na kojima je temeljena. U posljednje se vrijeme vodi rasprava na svjetskom nivou o opravdanosti da se ovaj pristup građenju tunela naziva austrijskom metodom. Prikazani su argumenti austrijske strane koja brani ime metode po kojoj je ona postala prepoznatljiva u cijelom svijetu

Podzemne građevine i tuneli

2

18 Nova austrijska tunelska metoda 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Uvod .................................................................................................................................3 Tunelogradnja prije NATM ................................................................................................3 Dostignuća u tunelogradnji i mehanici stijena koji su pogodovali pojavi NATM ....................4 Povijest NATM .................................................................................................................5 Principi NATM..................................................................................................................7 Kontroverze koje prate NATM .........................................................................................19 Rječnik ...........................................................................................................................20 Literatura ........................................................................................................................20

18 Nova austrijska tunelska metoda

18.1 Uvod Nova Austrijska Tunelska Metoda (NATM) u njemačkom govornom području pojavila se pod nazivom Neue Österreichiche Tunnelbauweise, koji je kasnije zamjenjen sa Neue Österreichiche Tunnelbaumethode. U engelskom govornom području prepoznajemo ju pod nazivom New Austrian Tunnelling Method. Kratica NATM koja proizilazi iz engleskog naziva, opće je prihvaćena u cijelom svijetu. Nekada se ova metoda naziva i: • •

Sequential support method, ističući sekvencijski pristup iskopu i podgrađivanju. Shotcrete method, ističući važnu ulogu mlaznog betona u primjeni ovog načina građenja.

NATM nije metoda ako pod metodom podrazumijevamo tehnologiju gradnje koja se može prikazati shemom iskopa i nacrtima podgrade. NATM nije vezana za bilo koju proceduru iskopa i podgrađivanja ali je vezana na principe opažanja. NATM je generalni koncept (filozofija) tunelogradnje. Ona je postupak gradnje tunela temeljen na znanstveno utvrđenim i u praksi potvrđenim idejama i principima, kako bi se mobiliziranjem nosivog kapaciteta stijenske mase, ostvaraila optimalna sigurnost i ekonomičnost. 18.2 Tunelogradnja prije NATM Tradicionalna tunelogradnja do polovine prošlog stoljeća, koristila je u početku drvenu a kasnije i čeličnu podgradu za privremeno stabiliziranje tunela do ugradnje konačne podgrade. Konačna podgrada bila je zidana ili od betona. Kod ovog načina građenja, opterećenje podgrade bila je posljedica dezintegracije i razrahljenja okolne stijene. Teorije ovih opterećenja razvili su Komarell, Terzaghi i dr. S obzirom na raspoložive tehnike iskopa i mnogo različitih faza iskopa, od iskopa do kompletiranja podgrade prolazilo je puno vremena što je pogodovalo razrahljenju stijenske mase. Rezultat ovakvog načina građenja bila su vrlo velika nepravilna opterećenja što je rezultiralo debelom podgradom. Međutim, još u to vrijeme znanstvenici su razumjeli potrebu reduciranja deformacija s ciljem korištenja nosivog kapaciteta stijenske mase i recipročnog odnosa između otpornosti podgrade i deformacija.

Slika xxx Stara austrijska tunelska metoda

3

Podzemne građevine i tuneli

4

Slika XXX teška drvena podgrada u tunelu Moffat, 1923. (USA) 18.3 Dostignuća u tunelogradnji i mehanici stijena koji su pogodovali pojavi NATM

NATM je često vezana za patent prof. Ladislausa Rabcewicza, koji je izmislio dvostruku tunelsku podgradu (početnu i konačnu). Ovaj koncept dopušta deformiranje stijene prije ugradbe konačne podgrade kako bi se reduciralo opterećenje. Ideja o potrebi deformiranja temeljena je na teoretskim istraživanjima Engessera iz 1881. a primjenio ju je Schmidt 1926. Glavni uspjeh i doprinos Rabczewicza, Leopolda Mullera i austrijanaca bilo je uvođenje sistematskog sidrenja i in-situ mjerenja što je temeljeno na teoriji mehanike stijena koju je razvijao tz. Salzburški krug. Uprava rudnika Pribřam u Češkoj, pokušala je 1848 koristiti brzu ugradnju morta kao zamjenu za tešku drvenu podgradu u rudniku ugljena Wejwanow (Sauer, 1994). U isto vrijeme, Karl Ritter, švicarski inženjer, preporuča kružni poprečni presjek tunela sa trenutnim zatvaranjem podnožnog svoda kako bi se osigurao zatvoreni prsten u uvjetima gnječenja (squeezing), vjerojatno kao rezultat Brunel-ovog patentiranog kružnog štita iz 1818. za tunelogradnju u mekanim tlima (soft ground). Rziha, glasoviti inženjer u tunelogradnji 19 stoljeća, predložio je čeličnu podgradu umjesto teške drvene. Njegova inženjerska filozofija u tunelogradnji bila je da je mnogo spretnije spriječiti opterećenje stijene nego boriti se s njim kada se pojavi. Mlazni beton je efektivno izmislio 1907. Carl E Akely, preparator životinja u prirodoslovnom muzeju, iz Chicaga, kada je izgradio stroj za špricanje morta na skelet dinosaura kako bi ga zaštitio od prljanja (oskrnjivanja). Prvi patent poboljšanog revolver stroja za mlazni beton prijavljen je u Allentown u Pelsivaniji, 1907. U to vrijeme mlazni beton je uglavnom bio korišten za zaštitu kosina. Prvi puta je 1914. predloženo korištenje mlaznog betona u podzemlju kao zaštita rudarske galerije od atmosferilija i kao protupožarna zaštita. Prvo zabilježeno korištenje mlaznog betona bilo je u SAD-u u ranim 1920-im. Najraniji zagovornik korištenja mlaznog betona kao trenutne podgrade umjesto tradicionalne teške drvene i čelične, bio je Anton Brunner, malo poznati rudarski inženjer iz Salzburga. Brunner je 1954. preuzeo punu odgovornost za stabiliziranje stijene podložne gnječenju (squeezing) u diverzionom tunelu za Runserau hidrocentralu korištenjem mlaznog betona. Bio je to prvi jači upad na područje koje je pokrivala upotraba štita u mekanim meterijalima. Nakon ove uspješne primjene on je pripremio patent za njegovu kompaniju Rella, koja nije pokazala interes za to. Nakon što je on sam dobio patent i kada je

18 Nova austrijska tunelska metoda

njegova metoda uspješno primjenjena na nekoliko tunela u Austriji i Italiji, pojačao se interes njegove kompanije. Korištenje mlaznog betona kao podgrade podzemnih iskopa uvela je građevinska industrija. Rabcewicz je uglavnom odgovoran za uvođenje korištenja podgrade od mlaznog betona u 1930-im godinama, i za razvoj NATM za iskop u slabim tlima (weak ground). 18.4 Povijest NATM NATM se razvila na iskustvima primjene starih metoda. U knjizi «Gebiergsdruck und Tunnelbau» prof. L.v. Rabcewicz daje sistematski pregled fenomena stijenskog pritiska i njegove interpretacije. U ovoj su knjizi već nagovješteni neki principi NATM. Svojim patentom iz 1948, prof. Rabcewicz formulira osnovne principe ove metode. Ključna je bile formulacija da se sa fleksibilnom primarnom podgradom dostiže novo ravnotežno stanje što se kontrolira terenskim opaženjima. Nakon što se ovo novo stanje uravnoteži, postavlja se unutarnja obloga tunela. U nekim se slučajevima obloga tunela može izostaviti.

Između 1948 i 1963, NATM je sazrijevala kroz teorijske studije i više kroz praktična iskustva, i njena je primjena stalno povećavana ali njeni osnovni principi ostali su isti. U periodu od 1956. do 1958, u Venezueli je izgrađen prvi veliki tunel preme principima NATM. U Austriji je prvi pokušaj primjene NATM bio u pedesetim godinama prošlog stoljeća na nekoliko malih hidrotehničkih tunela. (Golser, 1995, p.4/1)

Prva uspješna primjena metode u mekanim sredinama urbanih područja bila je u Frankfurt na Maini 1968. Prof. Müller zainteresirao je izvoditelja Beton und monierbau da prihvati metodu i izgradi pokusni tunel u Frankfurtskoj glini kako bi dokazao primjenjivost. NATM je prvi puta zvanično nazvana ovim imenom 1963. na Geomehaničkim kolokvijima u Salzburgu, i ta se godina pamti kao godina rođenja NATM. Nazvana je novom da bi se razlikovala od stare austrijske metode a Austrijska jer su je razvili austrijski inženjeri.

Na početku je metoda nailazila na značajne otpore s glavnim argumentom (sve do kasnih sedamdesetih) da se tanka podgrada od mlaznog betona i sidra ne može suprotstaviti opterećenju stijenske mase. Ovo jasno pokazuje kako je bilo nedovoljno znanje tunelskih inženjera samo prije pedesetak godina. Ovaj nedostatak znanja bio je uzrokom što je investitor često tražio da se stabilnost obloge od mlaznog betona i sidara analizira istim postupcima (proračunima) koji se koriste kod teške čelične i betonske podgrade.Kako ovo nije bilo moguće, uvjeriti investitora u ispravnost ideje bio je mukotrpan posao. Shotcrete Method, kako se tada nazivala, dobila je opće svjetsko priznanje kada je primjenjena na Schwaikhem tunelu 1964. godine pod konzultantkim vodstvom profesora L. Müllera i prof. L. von Rabczewicza. Obojica akademici s velikim iskustvom u parksi, počeli su objašnjavati metodu više na teoretskoj osnovi sukladno novim konceptima mehanike stijena. Rabczewicz je 1975. prilikom dodjele počasnog doktorata na sveučilištu Montauniversitat u Leoben-u poručio mladim inženjerima: Osnivači austrijskog kruga razvili su ovu tunelsku metodu, i vi, vi mladi morate učiniti sve da ona ne postane fosilna, da prihvaća nove materijale, novu opremu, nove tehnike. Tada će ona ostati uvijek nova.

5

Podzemne građevine i tuneli

6

Tablica XXX Pregled važnih datuma u razvoju NATM

Godina 1944 1948 19561958 1963 1968

Događanja Rabcewicz u članku Gebirgsdruck und Tunnelbau iznosi jasnu sliku filozofije iz koje je proizašla Neue Österreichiche Tunnelbauwise Rabcewiczev patent iz iz 1948. daje detaljan opis principa tunelogradnje koji su pretstavljali osnovu NATM Rabcewicz je preveo principe NATM u praksu koristeći mlazni beton, lagane čelilne lukove i prvi puta sistematsko sidrenje stijenskim sidrima na tunelima velikog poprečnog presjeka (na cestovnim i željezničkim tunelima između Caracasa i Valencia i između Guanta i Naricual u Venezueli). Rabczewicz je predstavio NATM na 13 geomehaničkom kolokviju u Salzburgu kao Neue Österreichiche Tunnelbauwise NATM prvi puta korištena u gradovima

Analiza imena

Nova Austrijska Tunelska Metoda (NATM) u njemačkom govornom području pojavila se pod nazivom Neue Österreichiche Tunnelbauweise, koji je kasnije zamjenjen sa Neue Österreichiche Tunnelbaumethode. Promjene imena izvršena je jer riječ tunnel-bauwise znači način građenja a tunnelbaumethode je generalni koncept (filozofija). Bauweise znači način građenja i time je podređen metodi, može se klasificirati da pripada metodi, i dopušteno ga je mjenjati dok ostaje dio metode. Njemačka enciklopedija Duden definira filozofiju kao težnju za razumjevanje odnosa među stvarima u svijetu. U tunelogradnji bi filozofija građenja tunela bila težnja za razumjevanjem odnosa na polju građenja tunela. Metoda je nazvana austrijskom jer su austrijski inženjeri dali glavni doprinos njenom razvoju. Austrijanci su bili ti koji su pojedinačna dostignuća povezali u cjelinu predstavlajući ih kao novu metodu građenja, uvođenjem te nove metode u praksu i šireći ju po cijelom svijetu. Metoda je nazvana novom kao bi se razlikovala od stare austrijske tunelske metode građenja Ime NATM, stvoreno je tijekom predavanja profesora Rabczewicza na 13 geomehaničkom kolokviju, 1963, u Salzburgu. Međunarodno priznanje NATM je dobila 1964. objavljivanjem Rabczewiczevog rada u časopisu Water Power, ali ime ove tehnike je još uvijek predmet kontroverzi širom svijeta. Definicija NATM Nova austrijska tunelska metoda se ne može opisati na način kako su bile opisane metode građenja koje su joj prethodile-shemom iskopa i stalnim podgradnim sustavom. NATM nije vezana za neku proceduru iskopa i podgrađivanja već je vezana s principima opažanja. Zato ju preme mišljenju Müllera nije prikladno zvati metodom građenja. NATM je nasuprot tome koncept tunelogradnje; metoda za građenje tunela na bazi fiksnih znanstveno utvrđenih i praktično isprobanih ideja i principa tako da se mobiliziranjem kapaciteta nosivosti stijenske mase postiže optimum sigurnosti i ekonomičnosti.

Austrijski nacionalni komitet za podzemne gradnje je 1980. dao službenu definiciju NATM na 10 jezika: (Kovari, 1993, p.16.) NATM je osnovana na konceptu da tlo ili stijena koji okružuju podzemni otvor postaje dio nosive konstrukcije kroz aktivaciju nosivog prstena.

18 Nova austrijska tunelska metoda

18.5 Principi NATM

Austrijska tunelska metoda je predominantno bazirana na poluempirijskom projektiranju i in situ mjerenjima tijekom građenja tunela. Sljedeći principe Terzaghija i Pecka “Observational Design Meethods” (ODM), odgovarajuća istraživanja i stalna opsežna mjerenja u tlu osiguravaju da adekvatna trenutna (immediate) i stalna (permanent) podgrada bude primjenjena na optimalan način prije ugradnje konačne betonske podgrade (final concrete lining). Konačna betonska podgrada se u njemačkom govornom području obično naziva-sekundarnom dok se trenutna i stalna nazivaju primarnom. NATM fokusira kompozitno ponašanje strukture koja se sastoji od tunelske podgrade (lining/support) i okolnog tla. Korištenje okolnog tla kao glavne nosive komponente, nije ekskluzivno princip samo NATM. Ali, bazična filozofija NATM je aktiviranje luka (ground arch) ili prstena mobiliziranjem nosivog kapaciteta tla/stijenske mase koliko god je to moguće, uključujući i odgovarajući tretman tla. NATM prikazana je sa 22 principa suradnjom Rabczewicza; Pachera i Müllera i oni se smatraju očevima ove metode. Ova trojica znanstvenika i inženjera pripadali su tzv. austrijskom krugu. Kada se govori o Austrijskom krugu, uz njih treba spomenuti i Stinija.

Bez obzira što namaju istu težinu i što bi se više principa moglo povezati u jedan, u nastavku će biti pikazani sva principa.

7

8

Podzemne građevine i tuneli

1. Stijenska masa je glavni nosivi element tunela

NATM

Prije

2

. S obzirom da je stijenska masa glavni nosivi element tunela, treba nastojati održeti njenu originalnu čvrstoću koju je imala prije iskopa tunela.

Prije NATM

Prije

3

. Treba izbjegavati razrahljenje stijenske mase jer ono izaziva gubitak čvrstoće. Tlo niže čvrstoće jače opterećuje podgardu.

NATM

Slika XXX Principi NATM (1-3)

Prije

9

18 Nova austrijska tunelska metoda

4.

Traba nastojati da stijena u okolini iskopa bude u troosnom a ne u dvoosnom ili jednoosnom stanju naprezanja jer joj je čvrstoća u troosnom stanju

σ1p σ1-σ3

σ3p

σ3p σ1p σθ

σθ

σr

σr σθ

σθ

NATM

Deformacija

Prije

5.

Deformaciju stijenske mase u okolini tunela ne treba spriječavati ali ju treba kontrolirati. Kontrolirana deformacija (pomaci konture iskopa) pobudit će formiranje nosivog prstene u okolini tunela ali neće dopustiti prekomjerno razrahljenje i na taj način gubitak čvrstoće stijenske mase.

NATM

Prije

6.

Podgradu treba ugraditi pravovremeno, ni previše rano ni previše kasno. Podgrada ne smije biti ni previše kruta ni previše fleksibilna. Kruta i rano ugrađena podgrada “navući” će na sebe visoka naprezanja. Previše fleksibilna ili kasno ugrađena podgrada prouzročit će razrahljenje stijenske mase što će za posljedicu imati visoka naprezanja na podgradu. Prema Mülleru, nepoznati tunelski radnik: Brdo spava. Nastoj ga ne probuditi. Ako se probudi više nikada neće zaspati. Kruta podgrada rano ugrađena

Previše fleksibilna ili kasno ugrađena podgrada

Slika XXX Principi NATM (3-6)

10

Podzemne građevine i tuneli

7.

Da bi podgradu ugradili pravovremeno treba točno procijeni vremenski čimbenik. U kvalitetnoj stijenskoj masi tunel može ostati duže nepodgrađen. U stijenskoj masi loše kvalitete tunel treba odmah podgraditi.

Kvalitetna st. masa

Loša stijenska masa

8. Vremenski se čimbenik procjenjuje na osnovi rezultata laboratorijskih i terenskih ispitivanja i opažanja.

9.

Koristi malzni beton umjesto drvene podgrade jer on spriječava veće deformacije te tako i razrahljenje stijenske mase.

NATM

Slika XXX Principi NATM (6-9)

Prije

11

18 Nova austrijska tunelska metoda

10. Treba koristiti tankostijenu primarnu i sekundarnu podgradu jer je ona savitljiva čime se izbjegava pojava većih momenata savijanja.

NATM NATM

Prije

11.

Probleme stabilnosi treba rješavati pojačavanjem primarne podgrade (armaturne mreže, lukovi i sidra) a ne njenim podebljanjem.

NATM

Prije

12. Način i vrijeme ugradnje sekundarne podgrade treba odrediti prema razultatima mjerenja pomaka konture iskopa tunela •Konvergencija •Ekstenzometri •Mjerno sidro •Mjerenje sile na glavi sidra •Tlačne ćelije •Mjerenje naprezanja u betonu •Akcelerografi •Geodetska opažanja

Slika XXX Principi NATM (9-12)

12

Podzemne građevine i tuneli

13. Statički se tunel razmatra kao cijev koja se sastoji od nosećeg prstena u stijenskoj masi i podgrade.

NATM

Prije

14. Cijev statički djeluje kao cijev samo ako nije razrezana uzduž osi. Zato podgradni prsten treba biti zatvoren.

NATM

Prije

15. Podgradni prsten treba zatvoriti čim prije. Ako se podgradni prsten ugrađuje u fazama, onda vrijeme između ugradnje prve i posljednje faze, kojom se prsten potpuno zatvara, treba biti čim kraće. Dugotrajno otvoren podgradni prsten za posljedicu će imati velika naprezanja u već ugrađenim dijelovima prstena i nepovoljna naprezanja u stijenskoj masi.

NATM

Slika XXX Principi NATM (13-15)

Prije

13

18 Nova austrijska tunelska metoda

16. Po mogućnosti treba kopati cijeli profil tuenla istovremeno. Iskop razradom profila, kada se pojedini dijelovi poprečnog presjeka tunela kopaju s vremenskim pomakom, nisu poželjni iako se u teškim geotehničkim uvjetima to ne može izbjeći. Pojedinačni iskopi oštećuju stijensku masu.

5 1

2

2

3

5 2

6

4

4

1

1

NATM

Prije

17. Metoda iskopa presudna je za sigurnost.

NATM

Prije

18. Poprečni profil tunela treba biti zaobljen kako bi se izbjegla koncentracija naprezanja. Koncentracija naprezanja u nekom kutu poprečnog profila može provocirati progresivni slom stijenske mase u široj zoni.

NATM

Slika XXX Principi NATM (13-15)

Prije

14

Podzemne građevine i tuneli

19. Sekundarna obloga također treba biti tanka. Nije poželjno da se sile između primarne i sekundarne podgradom prenose trenjem.

NATM

Prije

20. Primarna podgrada treba stabilizirati masiv. Sekundarna podgrada treba samo povećati sigurnost. Primarnu podgradu čine sidra, mlazni beton (armiran ili ne armiran), čelični lukovi (rešetkasti ili punog profila), pipe roof i slično. Sekundarnu podgradu čini betonska obloga tunela koja također može biti armirana ili ne armirana. Između primarne i sekundarne obloge postavlja se hidroizolacija.

u u Konvergencija

Vrijeme

21. Dimenzioniranje i kontrolira stabilnost primarne i sekundarne obloge vrši se opažanjima tijekom građenja i eksploatacije tunela. Opažanje (monitoring) podrazumjeva mjerenja naprazanja u mlaznom betonu i sekundarnoj oblozi, naprezanja na kontaktu mlaznog betona i stijene, pomaka konture iskopa tunela kao i pomaka unutar stijenske mase.

Slika XXX Principi NATM (19-21)

15

18 Nova austrijska tunelska metoda

22. Strujanje vode i hidrostatski tlak povećavaju opterećenja na podgradu. Zato stijensku masu treba drenirati omogućavajući vodi dotok u tunel. Izvori na konturi tunela ne smiju se blokirati.

Slika XXX Principi NATM (22)

Svaki od ovih principa nema jednaku težinu. Često se u literaturi više pojedinačnih principa povezuju i prikazuju kao jedan. Pet osnovnih principa NATM su: 1. Osnovna nosiva komponenta tunela je stijenska masa. Primarna i sekundarna podgrada (preliminary support and final lining) imaju samo tzv. “confining efect”. One samo služe za uspostavljanje nosivog prstena (load bearing ring) ili trodimenzionalne sferične nosive ljuske u stijenskoj masi. 2. Održavaj čvrstoću stijenske mase. Treba izbjegavati štetno razrahljenje (loosening) pažljivim iskopom i trenutnom ugradnjom podgrade. 3. Poprečni profil treba biti zaobljen. Treba izbjegavati koncentraciju naprezanja u kutovima gdje može započeti progresivni slom. 4. Podgrada treba biti tanka i fleksibilna. Primarna podgrada (primary support) treba biti fleksibilna kako bi se momenti savijanja sveli na minimum i olakšala preraspodjela naprezanja bez izlaganja podgarde nepovoljnim reznim silama (sectional forces). Podgradu ne treba pojačavati povećanjem njene debljine već sidrenjem stijenske mase. 5. Opažanja tijekom građenja (monitoring). Opažanja tunela tijekom građenja integralni je dio NATM. Opažanjem i interpretacijom pomaka, deformacija, i naprezanja moguće je optimizirati radne procese i zahtjeve na podgradu.

16

Podzemne građevine i tuneli

Nosivi prsten U engleskom se govornom području za nosivi prsten (zaštitnu zonu) koriste izrazi: protective zone, protective ring, ground ring. Prema Heimovoj hipotezi, tlak na podgradu linearno raste s dubinom tunela. Iskop dubokih željezničkih tunela ispod Alpa pokazao je da ova hipoteza nije točna. Naime, na velikim dubinama, sukladno ovoj hipotezi, za stabiliziranje tunela bila bi potrebna podgrada debljine od nekoliko metara, kako to ilustrira slika XXX.

P

Prema Himovoj hipotezi, na dubini od 1500 m, tlak na podgradu iznosio bi oko 39 MPa. Procjenjuje se da bi za ovo opterećenje trebala podgrada debljine 6 m, što je apsurdno. Tijekom građenja tunele st. Gothard (1872), tunel je bio stabiliziran podgradom debljine 0,6 m. Ova su iskustva pokazala da se na većim dubinama ne prenose sva opterećenja na podgradu.

H

P=γH

P

1 500 m

P=39 MPa

debljina podgrade=6 m !? st. Gothard 1872 Podgrada debljine 0,6 m je stabilizirala tunel

?

Slika XXX Ilustracija ne primjenjivosti Heimove hipoteze

17

18 Nova austrijska tunelska metoda

Još je Ritter (1879) primjetio da nakon neke dubine utjecaj mase gornje ležećih naslaga ima zanemriv ili puno manji utjecaj na opterećenje stijenske mase koja djeluje na podgradu tunela.

Tlak na podgradu ovisan je o dubini tunela

Tlak na podgradu neovisan je o dubini tunela

Slika XXX Nakon neke dubine, pritisci na podgradu se ne povećavaju linearno s dubinom Tri godine kasnije Engesser (1882) je definirao lučno djelovanje iznad podzemne prostorije u tlu bez kohezije. Od tada je bila prepoznata i jasno formulirana veza deformacije stijenske mase i pritiska na podgradu.

Slika XXX Lučno djelovanje u nekoherentnom tlu (Engesser, 1882.)

18

Podzemne građevine i tuneli

Wiesmann (1912) govori o zaštitnoj zoni oko tunela (protective zone) kao zoni u kojoj stijena preuzima na sebe opterećenja koje je trpila iskopana stijena, slično preraspodjeli naprezanja oku rupe u zidu. Wiesmann također napominje da podgradu ne treba dimenzionirati na način da ona preuzme kompletna naprezanja izazvana iskopom, jer će veći dio naprezanja na sebe preuzeti zaštitna zona. Inženjeri trebaju svu pažnju posvetiti zaštiti ove zone. Pod zaštitnom zonom, Wiesmann popdrazumjeva zonu u kojoj se desila preraspodjela naprezanja (slika XXX).

σθ σr

Zaštitna zona= Zona promjene naprezanja? (Wiesman 1909/1912)

Slika XXX Zaštitna zona pream Wiesmannu (1912) O zaštitnim zonama i povezanosti deformacije stijenske mase i pritisaka na podgradu govore i Maillart (1923) kao i Mohr (1957). Nije jednostavno definirati nosivi prsten u okolini tunela. Slika XXX prikazuje još neka razmišljanja o obliku nosivog prstena (nosivih prstenova).

Zaštitan zona = Zona plastifikacije?

Slika XXX Mogući oblici nosivih prstenova

Nosivi prsten = Zona sidrenja

Više nosivih prstenova (Müller, Sauer i Vardar, 1978) Nastaju li prstenovi istovremeno ili u vremenskim pomacima?

19

18 Nova austrijska tunelska metoda

Možda je najjednostavniju i najjasniju definiciju nosivog prstena dao Golser (1996) (slika (XXX) Nosivi prsten (Golser, 1996) NOSIVI PRSTEN JE ZONA U OKOLINI TUNELA U KOJOJ SE DESILA ZNAČAJNA PRERASPODJELA NAPREZANJA ZONA NOSIVOG PRSTENA ŠIRI SE OD PERIFERIJE ISKOPA I UKLJUČUJE ZONE ELASTIČNOG I ZONE PLASTIČNOG PONAŠANJA I ARMIRANE (SIDRENE) ZONE

Slika XXX Definicija nosivog prstena prema Golseru (1996) 18.6 Kontroverze koje prate NATM

Posljednjih petnaestak godina oko NATM se vode žučne rasprave između prof. Kovarija sa ETH instituta iz Zürichu, i austrijskih stručnjaka (Kovari 1993, 1994). Kovari ne prihvaća pozicioniranje NATM kao nadređena svim ostalim metodama građenja. Također raspravlja o, po njegovom mišljenju, krivim teorijskim postavkama na kojima se temelji NATM. Napad na NATM, Kovari je izveo 1993. (42. Geomechanik Kolloquiums in Salzburg) na istom mjestu na kojem je ona dobila ime 30 godina ranije.

20

Podzemne građevine i tuneli

METDA TUNELOGRADNJE 1 METDA TUNELOGRADNJE 2

TUNELOGRADNJA

Kovari smatra da NATM mora naći mjesto među ostalim metodama građenja. Moderna tunelogradnja djelo je sveukupnog svjetskog znanja a ne samo znanja austrijskih stručnjaka.

NATM

METDA TUNELOGRADNJE X

METDA TUNELOGRADNJE 1

Kovari na prihvaća pozicioniranje NATM kao nadređene svim ostalim metodama.

METDA TUNELOGRADNJE 2

NATM

METDA TUNELOGRADNJE X

Slika XXX Položaj NATM među ostalim metodama u tunelogradnji 18.7 Rječnik

18.8 Literatura

Brandl, H.,1995, Soil Properties in Connection with NATM, IACES (International Associations of Civil Engineering Students) Bureau of Vienna, Summercourse: NATM, July 2-July 8, 1995

Engesser, F.: Über den Erodruck gegen innere Stützwände (Tunnelwände), Deutsche Bauzeitung, 1882 Feder. G. ; Olsacher, A.: Bergbau und Tunnelbau, Anregungen und Ergänzungen. In: Rock Mechanics Suppl. 7 (1978). Fenner, R.: Untersuchungen zur Erkenntnis des Gebirgsdruckes. In: Glückauf 74 (1938), Nr. 32. Georg, H. J., 1995, Construction Method NATM, IACES (International Associations of Civil Engineering Students) Bureau of Vienna, Summercourse: NATM, July 2-July 8, 1995 Golser, J., 1995, Hystory, definition, Principles, IACES (International Associations of Civil Engineering Students) Bureau of Vienna, Summercourse: NATM, July 2-July 8, 1995 Golser, J., 1996, Controversial Views on NATM, Felsbau 14/96, pp. 60-75

Golser. J.: Praktische Beispiele empirischer Dimensionierung von Tunnels. In: Rock Mechanics Suppl. 2 (1973). Grob. H.: Systematik der tunnelbauweisen. SIAVortrag 1975. SIA-Doc.12. S. 8.

18 Nova austrijska tunelska metoda

Groves P.N., Sauer.,G., Morgan S.R., Engineering consequences of ground conditions on NATM works at London Bridge Station, Jubilee Line Extension Hoek, E., Kaiser, P., K., Bawden, W.F., 1995, Support of Underground Excavations in Hard Rock ITA Working group on General Approaches to Design of Tunnels (1988): Guidelines for the Design of Tunnels Prijevod: Hudec, M., Prager, A., (1992) Konstruktivni projekt tunela, Građevinar, Zagreb. Kovari, K., 1993, Is there a NATM, Geomechanical Colloquium, Salzburg Kovari, K., 1994, On the Existence of the NATM: Erroneous Concepts behind the New Austrian Tunnelling Method, Tunnel 1/94 p. 16-25

Kovari, K.: Der Gebirgsdruck im Tunnelbau. In: Neue Züricher Zeitung, Fernausgabe Nr.125. 3. Juni 1981. Kovari, K.: Methoden der Dimensionierung von Untertagebauten. Internationales Symposium für Untertagebau. Luzern. 1972. Kovari. K.: Gibt es eine NÖT? Fehlkonzepte der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise. In: Tunnel 1994, Nr.1. Kovari. K.: Gibt es eine NÖT? Vortrag von Kovari anläßlich des 42. Geo-mechanik Kolloquiums 1993 in Salzburg, Vorabdruck. Leon, A. ; Willheim. F .: Über die Zerstörungen in tunnelartig gelockerten Gesteinen. In: Wochenschrift für den öffentlichen BaudienstXVI (1910). Nr.4. Lothar, M., 1995, Tunnelling in Urban Areas, IACES (International Associations of Civil Engineering Students) Bureau of Vienna, Summercourse: NATM, July 2-July 8, 1995

Maillart, R: Über Gebirgsdruck.Schweizerische Bauzeitung-Band 81. Nr- 14, 1923, Mohr, F.: Kraft und Verformung in der Gebirgsmechanik unter Tage. Deutsche Baugrundtagung. Köln: Ernst, 1957. Müller, L. The Reason for Unsuccessful Applications of the New Austrian Tunnelling Method, pp. 67-72.

Neue Österreichische runnelbaumethode. Definition und Grundsatze. Wien: Selbstverlag der Forschungsgesellschaft für das Straßenwesen im ÖJAV, 1980. Neue Osterreichische Tunnelbaumethode, Definition und Grundsatze. Wien: Selbsverlag der Forsuchungsgesselschaft fur das Strassenwessen im OJAV, 1980. Oliver, X, 1994, Hethrow collapse puts NATM on trial Construction today Nov/dec 1994

Pacher, F.: Deformationsmessungen im Versuchsstollen als Mittel zur Erforschung des Gebirgsverhaltens und zur Bemessung des Ausbaues. In: Felsmechanik und Ingenieurgeologie. Suppl. 1, 1964. Poisel, R., 1995, Concept of NATM, IACES (International Associations of Civil Engineering Students) Bureau of Vienna, Summercourse: NATM, July 2-July 8, 1995 Poisel, R.,1995, Soil Properties in Connection with NATM, IACES (International Associations of Civil Engineering Students) Bureau of Vienna, Summercourse: NATM, July 2-July 8, 1995

Rabcewicz L. v.: Gebirgsdruck und tunnelbau. Wien: Springer Verlag, 1944. Rabcewicz, L. v.: Patentschrift Nr. 165573. Österr. Patentamt, einge-reicht 1948. Ritter, W.: Statik der Tunnelgewölbe, Berin, 1879 Sauer G., NATM IN SOFT GROUND Sauer, G.,1994, Furteher insights into the NATM, 23rd Julius Wernher Memorial Lecture

Seeber. G.: Bemessungsverfahren für die Sicherungsmaßnahmen und die Auskleidung von Straßentunnels bei Anwendung der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise. In: Straßenforschung 1980. Nr.133. Wiesmann. E.: Über Gebirgsdruck. In: Schweizerische Bauzeitung 60 (1912), Nr. 8.

21

Međunarodni sustav mjernih jedinica

1

Dodatak-1 Međunarodni sustav mjernih jedinica Ovaj sustav prihvatila je Generalna konferencija za mjere i utege 1960 godine. Tada je ovaj sustav postao “obvezatan” za sve zemlje potpisnice. Osnovne SI jedinice

Fizikalna veličina Naziv Oznaka duljina l masa m vrijeme t električna struja I termodinamička T temperatura količina tvari n intenzitet Iv

Naziv metar kilogram sekunda ampere kelvin mol candela

Osnovna SI jedinica Oznaka m kg s A K mol cd

Izgovor metar kilogram sekunda amper kelvin mol kandela

Definicije nekih osnovnih jedinica Osnovna je jedinica stalna, dogovorno utvrđena, određena vrijednost fizikalne veličine, koja ima posebni naziv i znak. Metar je duljina jednaka 1 650 763,73 valnih duljina u vakumu zračenja koje odgovara prijelazu između razine 2p10 i 5d5 atoma kriptona 86. Kilogram je masa međunarodne pramjere kilogram. Međunarodnu je pramjeru utvrdila, već godine 1889. Prva generalna konferencija za utege i mjere. Pramjera ja načinjena od slitine platine i iridija, a čuva se u Međunarodnom uredu za utege i mjere u Sevresu, pokraj Pariza. Omjer dviju masa određuje se s pomoću vage. Postupak vaganja, koji definira masu, sastoji se, u načelu, u brojenju tijela malihi jednakih masa (utega) koja dovode do ravnoteže vage.

Podzemne građevine i tuneli

2

Dopunske jedinice SI sustava Fizikalna veličina Naziv

Mjerna jedinica Naziv

kut

radijan

prostorni kut

steradijan

Oznaka rad

sr

Definicija Radijan je kut između dva polumjera koji na kružnici odrezuju luk čija je duljina jednaka polumjeru Steradijan je prostorni kut čiji se vrh nalazi u središtu kugle, a na njenoj plohi omeđuje površinu jednaku kvadratu polumjera kugle

Izvedene fizikalne veličine i njihove mjerne jedinice

Fizikalna veličina Naziv površina volumen volumna masa-gustoća sila tlak

Mjerna jedinica Naziv četvorni ili kvadratni metar kubični metar kilogram po kubičnom metru Newton Pascal

Izgovor

Oznaka m2

1m2=1 m * 1 m

m3

1m3=1 m * 1 m * 1 m

kg/m3 Njutn Paskal

Definicija

N Pa

ρ=m/V 1N=1 kg * 1 m/s2 1Pa= 1 N/1 m2

Međunarodni sustav mjernih jedinica

3

Mjerne jdinice izvan SI sustava koje se mogu upotrebljavati

Fizikalna veličina Naziv volumen kut u ravnini masa

vrijeme

tlak

temperatura

Naziv litra stupanj tona minuta sat dan tjedan mjesec i godina gregorijanskog kalendara

Mjerna jedinica Oznaka Definicija L 1 l=1 dm3 0 10=(π/180)rad t 1 t= 103 kg min 1 min=60 s h 1 h=3600 s d 1 d=86 400 s

bar

bar

0

stupanj celzija

C

1 bar= 100 000 Pa= 105 Pa 1 00C=1 K Temperatura od 00C jednaka je temperaturi od 273,15 K 00C=273,15 K

Definicije predmetka za tvorbu decimalnih jedinic Multiple jedinice Oznaka Vrijednost Predmetak predmetka predmetka deka da 101 hekto h 102 kilo k 103 mega M 106 giga G 109 tera T 1012 peta P 1015 eksa E 1018

Submultiple jedinice Oznaka Vrijednost Predmetak predmetka predmetka deci d 10-1 centi c 10-2 mili m 10-3 mikro µ 10-7 nano n 10-9 piko p 10-12 femto f 10-15 ato a 10-18

Podzemne građevine i tuneli

4

Odnosi mjernih jedinica NAPREZANJE kp/cm2

Mp/m2

Pa

kPa

2

MPa

N/m2

kN/m2

bar

1

10

98130

98,13

0,0981

98130

98,13

0,981

Mp/m2

0,1

1

9813

9,81

0,00981

9813

9,81

0,0981

Pa

1,019*10-5

1,019*10-4

1

0,001

1*10-6

1

0,001

1*10-5

kPa

0,01019

0,1019

1000

1

0,001

1000

1

0,01

kp/cm

1

6

MPa

10,19

N/m2

1,019*10-5

1,019*10-4

01,93

kN/m2

0,01019

0,1019

bar

1,019

10,19

6

1*10

1000

1

1*10

1000

10

1

0,001

1*10-6

1

0,001

1*10-5

1000

1

0,001

1000

1

0,01

1*105

100

0,1

1*105

100

1

SILA

p kp Mp N kN

p 1 1000 1*106 101,936 1,019*105

kp 0,001 1 1000 0,1019 101,936

Mp 1*10-6 0,001 1 1,019*10-4 0,1019

N 0,00981 9,81 9813 1 1000

VOLUMENSKE SILE 3

p/cm3 kp/m3 Mp/m3 kN/m3

p/cm 1 0,001 1 0,1019

kp/m3 1000 1 1000 101,93

Mp/m3 1 0,001 1 0,1019

Z

X

X=Y*Z

Y

kN/m3 9,81 0,00981 9,81 1

kN 9,81*10-6 0,00981 9,81 0,001 1

Odnosi faza u tlu

1

Dodatak-2 Odnosi faza u tlu Odnosi faza u tlu Vg

Plin

Mg≈0

Wg≈0

Vv Voda

Vw

Mw

Ww W

M

V

Vs

Volumeni

V

Ukupni volumen

Vv

Volumen pora

Vs

Volumen krutih častica

Vg

Volumen plinske fza u tlu (zrak)

Vw

Volumen tekuće faze u tlu (voda)

M

Ukupna masa tla

Ms

Masa krutih častica

Mw

Masa tekuće faze u tlu (voda)

W

Ukupna težina tla

Ww

Težina krutih častica

Ws

Težina tekuće faze u tlu (voda)

Krute čestice

Ms

Ws

Mase

Težine

Podzemne građevine i tuneli

Volumenski odnosi

Maseni odnosi

Vv V

Vlažnost Water content

Porozitet Porosity

n=

Koeficijent poroznosti: Void ratio

V e= v Vs

Stupanj saturacije Degree of saturation

e=

2

n 1− n

S=

n=

Vw Vv

e 1+ e

Gustoća Specific gravity of mass

Gm =

M w Ww = M s Ws

Totalna jedinična težina Total unit weight

γt =

W V

Jedinična težina suhog tla Unit weight of dry soil

γd =

Ms V

Gustoća čvrstih čestica Specific gravity of solids

G=

w=

M V

Gustoća suhog tla Specific gravity of dry soil

Gd =

Težinski odnosi

Ws V

Jedinična težina krutih čestica Unit weight of soils

Ms Vs

γs =

Ws Vs

Jedinična težina vode Unit weight of water

γw =

Ww Vw

Jedinična težina potopljenog tla Submerged (buoyant)

γ b = γ t −γ w =

G − 1 − e(1 − S ) γw 1+ e

Jedinična težina potopljenog tla Submerged (saturated soil)

γb = γt −γ w =

Gw= Se Gm =

γt γo

γd =

γ Ws Gγ w G = = t γw = V 1+ e 1 + wG / S 1 + w

G=

γs γo

Gw =

γw γo

γt =

G −1 γw 1+ e

γs w= Se γ0

W G+Se 1+ w = γw = Gγ w V 1+ e 1+ e

Gustoća (specific gravity) dobije se djeljenjem jedinične težine tla sa jediničnom težinom vode. γ0= Jedinična težina vode na 40C ≈ γw Jedinična težina: težina/volumen (kNm-3) Gustoća: masa/volumen=Jedinična težina*1/g (Mgm-3)

Dodatak-3

Ivan Vrkljan

18. Geotehničko projektiranje prema Eurokodu 7 Ideja o ujedinjenoj Europi nametnula je potrebu donošenja skupa usklađenih tehničkih pravila za projektiranje građevina koji bi početno služili kao alternativa različitim važećim pravilima u raznim državama članicama, a na koncu ih zamijenili. Ova tehnička pravila postala su poznata kao "Konstruktorski Eurrokodovi" (Structural Eurocodes ). Projektiranja u geotehnici pokriva Eurokod 7 koji uvodi, u većini zapadnoeuropskih zemalja, korištenje metode graničnih stanja sa parcijalnim koeficijentima u geotehničko projektiranje. Ovaj pristup donosi značajne promjene u odnosu na dosadašnji pristup geotehničkom projektiranju. Članak u kratkim crtama prikazuje filozofiju Eurokoda 7.

Podzemne građevine i tuneli

18 18.1 18.1.1

2

Geotehničko projektiranje prema Eurokodu 7

Općenito Povijest Eurokodova

Rad na uspostavljanju skupa usklađenih tehničkih pravila za projektiranje građevina započelo je Povjerenstvo Europske zajednice (CEC). Ova tehnička pravila postala su poznata kao "Konstruktorski Eurokodovi" (Structural Eurocodes). Rad na Eurokodovima započeo je 1976, a na Eurokodu 7, 1981. Godine 1990., nakon savjetovanja sa zemljama članicama, CEC je prenio rad na daljnjem razvoju, izdanjima i obnavljanju Konstruktorskih Eurokodova na CEN (Euuropean Committee for Standardization), a tajništvo EFTA se složilo da podupre CEN-ov rad. Tehnički odbor CEN / TC 250 je odgovoran za sve Kontruktorske Eurokodove. Prvi dio Eurokoda 7 objavljen je, kao prednorma (ENV), 1994. godine (ENV 1997-1:1994). U daljnjem tekstu prvi dio Eurokoda 7 biti će označen kao EC7-1. Na temelju komentara koji će se prikupiti tijekom perioda pokusnog korištenja, prednorma će se prevesti u europsku normu (European Standard EN 1997-1). Planirana je sljedeća dinamika aktivnosti na prevođenju EC7 iz statusa europske prednorme (ENV) u europsku normu (EN): 2000. (rujan) prva verzija EC 7-1 kao EN; 2002. (siječanj), konačna verzija EC7-1 kao EN na engleskom; 2003. (srpanj), formalno glasanje; 2008. (srpanj), obavezna upotreba. Objavljivanje Eurokoda 7, predstavlja značajan doprinos razvoju građevinarstva, pošto on uvodi metodu graničnih stanja sa parcijalnim koeficijentima u geotehničko projektiranje. 18.1.2

Ciljevi Eurokodova

Konstruktorski Eurokodovi obuhvaćaju skupinu normi za konstruktorsko i geotehničko projektiranje građevina. Ciljevi njihovog donošenja su sljedeći (ENV 1997-1:1994): 1. Oni trebaju poslužiti kao referentni dokumenti za sljedeće svrhe: • Kao sredstvo da dokažu kako građevine udovoljavaju bitnim zahtjevima Direktive za proizvode u gradnji (CPD). (u Hrvatskoj, npr. Zakon o građenju) • Kao okvir za izradu usklađenih tehničkih specifikacija za proizvode u gradnji 2. Oni pokrivaju izvedbu i provjere u opsegu potrebnom da naznači kvalitetu proizvoda u gradnji, i radnih normi, potrebnih da udovolje pretpostavkama projektnih pravila 3. Dok ne bude dostupan usklađeni skup tehničkih specifikacija za proizvode i metode ispitivanja njihovog ponašanja, neki od Konstruktorskih eurokodova pokrivaju ove aspekte u informativnim dodacima.

Geotehničko projektiranje prema Eurokodu 7

18.1.3

3

Program Eurokodova

Radi se na sljedećim Eurokodovima, od kojih se svaka općenito sastoji od više dijelova (ENV 1997-1:1994): EN 1991 Eurokod 1 Osnove projektiranja i djelovanja na konstrukcije EN 1992 Eurokod 2 Projektiranje betonskih konstrukcija EN 1993 Eurokod 3 Projektiranje metalnih konstrukcija EN 1994 Eurokod 4 Projektiranje spregnutih konstrukcija EN 1995 Eurokod 5 Projektiranje drvenih konstrukcija EN 1996 Eurokod 6 Projektiranje zidanih konstrukcija EN 1997 Eurokod 7 Geotehničko projektiranje EN 1998 Eurokod 8 Aseizmičko projektiranje konstrukcija EN 1999 Eurokod 9 Projektiranje aluminijskih konstrukcija Za razne, gore navedene, Eurokodove, CEN/TC 250 je osnovao odvojene pododbore. Eurokod 7, kao prednormu (ENV) odobrio je Europski odbor za normizaciju (CEN) 25. svibnja 1993. kao buduću normu za privremenu primjenu. Eurokodovi su bile zamišljeni od strane Europske komisije u 1970-im kao grupa harmoniziranih Europskih normi za strukturno i geotehničko projektiranje zgrada i radova u graditeljstvu (Orr i Farrell, 1999). One se bave zahtjevima za: (a) čvrstoćom; (b) stabilnošću; (c) upotrebljivošću, (d) trajnošću građevina. Od svih Eurokodova sljedeće su najvažniji za EC7: • • • •

EN 1991 Eurokod 1: Osnove projektiranja i djelovanja na konstrukcije EN 1992 Eurokod 2-Dio 3: Projektiranje betonskih konstrukcija-Betonski temelji EN 1993 Eurokod 3-Dio 5: Projektiranje metalnih konstrukcija-Piloti EN 1998 Eurokod 8-Dio 5: Aseizmičko projektiranje konstrukcija-Temelji, potporne konstrukcije i geotehnički aspekti. Treba primijetiti da EC7 ne pokriva specijalne zahtjeve seizmičkog projekta i zbog toga referenciranje na EC8 Dio 3 je neophodno za situacije koje uključuju opterećenja od potresa.

Eurokodovi su norme za projektiranje a ne norme za ispitivanje. Međutim, geotehničko projektiranje se razlikuje od većine drugih projektiranja pošto se radi s prirodnim materijalom a ne s proizvedenim (beton, čelik), te je potreba za određivanjem svojstava tla dio procesa projektiranja. Zbog toga su napisana još dva dijela EC7 koji, dok ne budu napisane norme za ispitivanja, pokrivaju zahtjeve za geotehnička projektiranja poduprta s laboratorijskim i terenskim ispitivanjima (ENV 1997-2(1999); i ENV 1997-3(1999)). U daljnjem tekstu, drugi i treći dio EC7 biti će označeni kao EC7-2 i EC7-3. 18.1.4

Ostale relevantne norme

TC250 bavi se samo normama za projektiranje konstrukcija. Odgovornost za pripremu normi za ispitivanja bez obzira radi li se o betonu, tlu ili drugim materijalima, je na tehničkim komitetima a ne na TC250. Trenutno nema CEN komiteta za pripremu normi za tlo. Postoji ISO (International Standar Organization) komitet, TC182-Geotechnic in Civil Engineering, koji je pripremio norme ISO 14688 za identifikaciju i klasifikaciju tla i ISO 14689 za identifikaciju i klasifikaciju stijena. Radi izbjegavanja udvostručenja, CEN neće pokretati komitet kada ISO komitet već priprema norme za neko područje. Zbog toga nisu oformljeni CEN komiteti za pripremu normi za

Podzemne građevine i tuneli

4

geotehničke pokuse. Europski tehnički komitet, ETC5, koji je pokrenulo Međunarodno društvo za mehaniku tla i geotehničko inženjerstvo, pripremilo je preporuke za većinu uobičajenih geotehničkih laboratorijskih pokusa (ISSMGE, 1999). U odsutnosti europskih ili međunarodnih normi za geotehnička ispitivanja, EC7-2 i EC7-3 pozivaju se na različite nacionalne norme za različita laboratorijska i terenska ispitivanja. Slika 1 prikazuje aktivnosti CEN-a I ISO-a na donošenju normi za geotehničko projektiranje, izvođenje i ispitivanje (Orr i Farrell, 1999). CEN tehnički komitet, TC288-Izvođenje specijalnih geotehničkih radova, formiran je radi pripreme normi za izvođenje geotehničkih radova. Kako je pokazano na slici 1, komitet je pripremio ukupno osam normi od kojih je 7 prihvaćeno kao europska norma i jedna kao prednorma (prEN). Planirano je i donošenje normi za armirana tla i za stabilizaciju tla. Neke od ovih normi uključuju neke zahtjeve koji bi trebali biti u EC7 ali su zanemareni u vrijeme pisanja EC7. Ovi zahtjevi će vjerojatno biti pokriveni s EC7 kada se on donese kao europska norma. Kako je EC7 bio pisan prije donošenja ovih normi, on ih ne referira (Orr i Farrell, 1999). 18.1.5

Područje primjene Eurokoda 7

Ova prednorma primjenjuje se na geotehničke aspekte projektiranja građevina i odnosi se na zahtjeve za čvrstoćom, stabilnošću, upotrebljivošću i trajnosti konstrukcija. Drugi zahtjevi, npr. oni koji se odnose na toplinsku ili zvučnu zaštitu, nisu razmatrani. Eurokod 7 podijeljena je na tri dijela (EC7-1, EC7-2 i EC7-3). EC7 treba koristiti zajedno s EN 1991 Eurokod 1: Osnove projektiranja i djelovanja na konstrukcije, koja uspostavlja načela i zahtjeve za sigurnošću i upotrebljivošću, opisuje osnove za projektiranje i dokazivanje i daje smjernice za povezane aspekte pouzdanosti konstrukcije. EC7 ne obuhvaća posebne zahtjeve seizmičkog projektiranja. Eurokod 8 "Aseizmičko projektiranje konstrukcija" daje dodatna pravila za seizmičko projektiranje koja upotpunjuju ili prilagođuju pravila ove prednorme.

5

Geotehničko projektiranje prema Eurokodu 7

ISO (ispitivanje)

CEN

TC250 Konstruktorski eurokodovi

TC 288 Izvođenje geotehničkih građevina

• •

SC7 Euronorma-7

EC7: Geotehničko projektiranje Dio 1: Opća pravila Dio 2: Projektiranje podržano laboratorijskim ispitivanjima Dio 3: Projektiranje podržano terenskim ispitivanjima

TC 182 Identifikacija i klasifikacija tla Identifikacija i klasifikacija stijena

Norme za izvođenje

ISSMGE (ETC 5)

EN 1536: Bušeni piloti EN 1537: Sidra EN 1538: Dijafragme EN 12063: Zagatne stijene EN 12699: Utisnuti piloti EN 12715: Injektiranje EN 12716: Mlazno injektiranje PrEN288008: Mikropiloti

Preporuke za geotehnička

ISRM

-

Preporuke za:

laboratorijska ispitivanja

- terenska ispitivanja - opažanja, - projektiranja, i tij k

Slika 1 Aktivnosti CEN-a i ISO-a na donošenju normi te ISSMGE-a i ISRM-a na donošenju preporuka za geotehničko projektiranje, izvođenje i ispitivanje EC7-1 daje opću osnovu za geotehničke aspekte projektiranja građevina. Ona obuhvaća sljedeća područja: Poglavlje 1: Poglavlje 2: Poglavlje 3: Poglavlje 4: Poglavlje 5: Poglavlje 6: Poglavlje 7: Poglavlje 8: Poglavlje 9: 18.2

Općenito Osnove geotehničkog projektiranja Geotehnički podaci Nadzor nad izvedbom, praćenje i održavanje Nasipavanje, odvodnjavanje, poboljšanje i armiranje tla Plitki temelji Temeljenje na pilotima Potporne građevine Nasipi i kosine

Osnove geotehničkog projektiranja

Osnovu geotehničkog projektiranja prema EC 7 čini filozofija graničnih stanja. Prema ovoj filozofiji treba zadovoljiti osnovne zahtjeve, odabrati parametre opterećenja i materijala, definirati parcijalne koeficijente za opterećenja i materijale kao i proračunom provjeriti granično stanja nosivosti i granično stanje upotrebljivosti. Temeljni zahtjevi koje moraju zadovoljiti sve konstrukcije projektirane prema Eurokodovima, uključujući i EC 7, dani su u poglavlju 2.1(1)P

Podzemne građevine i tuneli

6

ENV 1991-1 (Osnove projektiranja i djelovanja na konstrukcije): Ovi zahtjevi traže da se konstrukcija treba projektirati i izvoditi na način da: • •

ostane sposobna za zahtjevanu upotrebu, može preuzeti sva djelovanja i utjecaje koji se mogu dogoditi tijekom izvedbe i upotrebe. 18.2.1

Projektni zahtjevi

Kompleksnost geotehničkih projekta varira od vrlo jednostavnih, laganih građevina na dobrom tlu do kompleksnih građevina kao što su velike, osjetljive građevine na slabom tlu ili duboki iskopi blizu starih zgrada. EC7 pravi razliku između lakih i jednostavnih geotehničkih građevina za koje je moguće osigurati da temeljni zahtjevi budu zadovoljeni na osnovi iskustva i kvalitetnih geotehničkih istraživanja sa zanemarivim rizikom za svojstva i kompleksnijih geotehničkih građevina , za koje su potrebni proračuni i opsežna istraživanja. Pri određivanju geotehničkih projektnih zahtjeva treba uzeti u obzir sljedeće čimbenike (ENV 1997-1:1994): 1. Narav i veličinu konstrukcije i njenih dijelova, uključujući bilo koje posebne zahtjeve 2. Uvjete koji se tiču njezine okoline (susjedne konstrukcije, promet, druge upotrebe ili korištenje, vegetaciju, opasne kemikalije i sl.) 3. Uvjete u temeljnom tlu 4. Podzemna voda 5. Regionalna seizmičnost 6. Utjecaj prirodnog okoliša (hidrologija, površinske vode, potonuća tla, sezonske promjene vlažnosti) Radi uzimanja u obzir različitih nivoa kompleksnosti projekta uveden je sistem triju gotehničkih kategorija. Prednost kategorija je da one osiguravaju okvir za kategoriziranje različitih nivoa rizika u geotehničkom projektiranju. Odgovornost je projektanta osigurati da građevina ima dovoljnu sigurnost protiv oštećenja u odnosu na svaki potencijalni hazard. Tablica 1 prikazuje odnos istraživanja, projektiranja i tipova građevine u odnosu na geotehničke kategorije. Treba primijetiti da EC7 ne uvodi različite koeficijente sigurnosti za različite kategorije. Umjesto toga, EC7 za više kategorije traži posvetu više pažnje kvalitetnim geotehničkim istraživanjima i projektiranju (Orr i Farrell, 1999). Granična stanja su stanja izvan kojih konstrukcija više ne zadovoljava zahtjeve projektnog ponašanja. Eurokodovi prave razliku između graničnih stanja nosivosti i graničnih stanja upotrebljivosti. Granična stanja nosivosti su ona koja se dovode u vezu sa slomom, ili nekim drugim sličnim oblikom otkazivanja konstrukcije. Stanja koja prethode slomu konstrukcije smatraju se, radi jednostavnosti, umjesto samog sloma, graničnim stanjima nosivosti. Granična stanja nosivosti obuhvaćaju sigurnost konstrukcije i njenih sadržaja i sigurnost ljudi. Vjerojatnost pojave graničnih stanja nosivosti ima male izglede kod dobro projektiranih građevina. Granična stanja upotrebljivosti, prema EC1, odgovaraju uvjetima izvan kojih utvrđeni uporabni zahtjevi na konstrukciju ili na neki njen element nisu više zadovoljeni. Primjeri uključuju deformacije, slijeganja, vibracije i lokalna oštećenja građevine u normalnoj upotrebi pod radnim opterećenjem. Dostizanje graničnog stanja upotrebljivosti ima veću vjerojatnost od dostizanja graničnog stanja nosivosti.

7

Geotehničko projektiranje prema Eurokodu 7

Tablica 1. Istraživanje, projektiranje i tipovi građevina u odnosu na geotehničke kategorije (Orr i Farrell, 1999; ENV 1997-1:1994) GC1

Geotehnička kategorija GC2

Općenito (ENV 1997-1)

Ova kategorija uključuje samo male i relativno jednostavne konstrukcije: za koje je moguće osigurati zadovoljenje bitnih zahtjeva na osnovi iskustva i kvalitativnih geotehničkih istražnih radova; sa zanemarivim rizikom za vlasništvo ili živote. Postupci za Prvu geotehničku kategoriju će biti dovoljni samo za uvjete temeljnog tla za koje se iz usporedivog iskustva zna da su zadovoljavajuće jednostavni kako bi se rutinski postupci mogli koristiti za projektiranje i izvedbu temelja. Postupci za Prvu geotehničku kategoriju će biti dovoljni samo ako nema iskopa ispod razine podzemne vode ili ako usporedivo lokalno iskustvo pokazuje da će predloženi iskop ispod razine podzemne vode biti jednostavan

Ova kategorija uključuje uobičajene tipove konstrukcija i temelja bez pretjeranog rizika ili neuobičajenih ili izuzetno teških uvjeta u temeljnom tlu ili uvjeta opterećenja. Konstrukcije u Drugoj geotehničkoj kategoriji zahtijevaju brojčane geotehničke podatke i proračune kako bi se osiguralo da će bitni zahtjevi biti zadovoljeni, no mogu biti upotrebljeni rutinski postupci za terenske i laboratorijske pokuse, kao i za projektiranje i izvedbu.

Potrebne ekspertize

Osoba s odgovarajućim iskustvom

Iskusna osoba

Geotehnička istraživanja

Kvalitetna istraživanja uključujući sondažne jame

Rutinska istraživanja uključujući bušenja, terenska i laboratorijska istraživanja

Procedure projektiranja

Postupci propisanim mjerama i pojednostavljeni postupci. Proračun stabilnosti i deformacijska analiza mogu biti nepotrebni.

Rutinski proračuni stabilnosti i deformacije temeljeni na projektnim postupcima iz EC7

-

Primjeri građevina

-

jednostavne jednokatne ili dvokatne kuće ili poljoprivredne zgrade s najvećom silom ispod stupova od 250 kN i 100 kN / m ispod zidova i uz upotrebu uobičajenih tipova plitkih temelja ili pilota. potporni zidovi ili zaštite iskopa (razupore) gdje razlika razina terena i dna ne prelazi 2 m manji iskopi za drenaže, polaganje cjevovoda i sl.

Uobičajeni tipovi plitkih temelja temeljnih ploča temeljnih pilota zidova ili drugih potpornih konstrukcija (za tlo i vodu ) iskopa stupova i upornjaka mostova nasipa i zemljanih radova geotehničkih sidara i drugih sustava zatega tunela u tvrdim, nerazlomljenim stijenama bez posebnih zahtjeva za vodonepropusnošću ili drugih zahtjeva

GC3 Ova kategorija uključuje konstrukcije ili dijelove konstrukcija koji izlaze izvan granica Prve i Druge geotehničke kategorije. Treća geotehnička kategorija uključuje vrlo velike ili neuobičajene konstrukcije, konstrukcije koje uključuju rizike veće od uobičajenih, ili neuobičajene ili izuzetno teške uvjete opterećenja i temeljnog tla, kao i konstrukcije u područjima visoke seizmičnosti Geotehničar specijalist s iskustvom Dodatna sofisticirana istraživanja i laboratorijska ispitivanja Sofisticirane analize

-

Vrlo velike zgrade Veliki mostovi Duboki iskopi Nasipi na slabom tlu Tuneli u slabom ili jako propusnom tlu

Osnovu filozofije projektiranja prema graničnim stanjima koja je opisana u EC1 i prihvaćena u EC7 , je da treba razmotriti sve moguće modele sloma konstrukcije te, za svaku projektnu situaciju, treba provjeriti da relevantno granično stanje neće biti dostignuto. Pri projektiranju po graničnim stanjima, granična stanja nosivosti i granična stanja upotrebljivosti se razmatraju odvojeno. U praksi se često zna iz iskustva koje granično stanje je relevantno. Klizanje tla je vjerojatno najuobičajenije granično stanje nosivosti i prekomjerno slijeganje temelja je najuobičajenije granično stanje upotrebljivosti (Orr i Farrell, 1999).

Podzemne građevine i tuneli

8

Za svaku geotehničku projektnu situaciju treba potvrditi da relevantno granično stanje nije premašeno. Ovaj zahtjev može se postići (ENV 1997-1:1994): • • • •

upotrebom proračuna, usvajanjem propisanih mjera, modelskim ispitivanjima i probnim opterećenjima, metodom opažanja.

Ova četiri pristupa mogu se koristiti u kombinaciji. U praksi će iskustvo često pokazati koja vrsta graničnih stanja je mjerodavna za projektiranje, a izbjegavanje ostalih graničnih stanja može biti potvrđeno grubim provjerama (Orr i Farrell, 1999). 18.2.2

Proračunske (projektne) situacije

Prema EC1 (2.3(1)) moraju se razmotriti okolnosti u kojima konstrukcija treba ispuniti svoju funkciju i za njih odabrati mjerodavne proračunske situacije. Odabrane proračunske situacije trebaju biti dovoljno zahtjevne i tako kombinirane da obuhvate sve uvjete koji se razumno mogu očekivati da će se dogoditi tijekom izvedbe i upotrebe konstrukcije. Proračunske situacije razvrstane su kao (Orr i Farrell, 1999): • • • •

Stalne situacije koje se odnose na uvjete obične upotrebe Prolazne situacije koje se odnose na povremene uvjete u kojima se nalazi konstrukcija, primjerice tijekom izvedbe ili popravke Udesne situacije koje se odnose na iznimne uvjete u kojima se nalazi konstrukcija, ili kada je konstrukcija izložena primjerice požaru, eksploziji, udaru Potresne situacije koje se odnose na uvjete u kojima je konstrukcija izložena potresnim utjecajima

U geotehničkom projektiranju treba uključiti, prema prilici, sljedeće projektne situacije (ENV 1997-1:1994): 1. opću podobnost temeljnog tla na kojem je konstrukcija smještena ; 2. raspored i klasifikaciju raznih područja tla, stijene i elemenata konstrukcija koji su uključeni u proračunski model; 3. rudarske radove, špilje ili druge podzemne konstrukcije; 4. Za građevine na stijeni - nagibe slojnih ravnina; - uslojenost tvrdih i mekih slojeva; - rasjede, pukotine, raspukline; - šupljine nastale otapanjem, kao što su podzemna ždrijela (pukotine, rupe) ili raspukline (kaverne) ispunjene mekim materijalom, i kontinuirane procese otapanja; 5. 6. 7.

djelovanja, njihove kombinacije i slučajeve opterećenja; prirodu okoliša unutar kojeg je smješten projekt, uključujući sljedeće: učinke podlokavanja, erozije i iskopa, koji vode promjeni geometrije površine terena; učinke kemijske erozije; učinke vremenskih (atmosferskih) razaranja (trošenja); učinke smrzavanja; promjene razina podzemne vode, uključujući i učinke odvodnjavanja, mogućeg poplavljivanja, zakazivanja (sloma) drenažnog sustava, itd.; 8. prisutnost plinova koji izlaze iz temeljnog tla;

Geotehničko projektiranje prema Eurokodu 7

9

9. druge učinke vremena i okoline na čvrstoću i druga svojstva materijala; npr. posljedice rupa izazvanih životinjskom djelatnošću; 10. potresi; 11. potonuća tla uslijed rudarenja ili drugih uzroka; 12. dopuštene deformacije konstrukcija; 13. učinke nove konstrukcije na postojeće konstrukcije ili službe (funkcije) lokacije. 18.2.3

Trajnost

U geotehničkom projektiranju unutrašnji i vanjski uvjeti okoliša trebaju biti ocijenjeni u projektnom stupnju, kako bi se odredilo njihovo značenje u odnosu na trajnost, te omogućile odredbe za zaštitu ili odgovarajuću otpornost materijala (ENV 1997-1:1994). Zahtjevi za trajnost betona dani su u EC2-Part 3 (ENV 1992-3,1989) a opći zahtjevi za zaštitu čeličnih pilota protiv korozije dani su u EC3-Part 5 (prENV 1993-5,1997). 18.2.4 18.2.4.1

Geotehničko projektiranje proračunom Uvod

Projektiranje proračunom je najuobičajeniji projektni pristup u geotehnici. EC7-1 zahtjeva da proračunski model treba opisivati ponašanje temeljnog tla za razmatrano granično stanje. Zbog toga se odvojeni i različiti proračuni trebaju izvesti kod provjere graničnog stanja nosivosti i graničnog stanja upotrebljivosti. Proračuni prema graničnom stanju nosivosti uključuju svojstva čvrstoće tla dok proračuni prema graničnim stanjima upotrebljivosti uključuju analizu deformacija i svojstva krutosti i kompresibilnosti tla. Projektne proračune treba izvesti u skladu s metodom parcijalnih koeficijenata opisanom u EC1-1. Osnova ove metode je da se proračuni koriste radi provjere dali je rizik od sloma građevine dovoljno nizak (za tip sloma prema graničnom stanju nosivosti ili za tip sloma za granična stanja upotrebljivosti). U bilo koji geotehnički proračun prema graničnim stanjima treba uključiti sljedeće komponente (Orr i Farrell, 1999): • • • • • •

nametnuta opterećenja ili pomake (djelovanja), svojstva tla, stijene i drugih materijala, geometrijske podatke, parcijalne koeficijente ili neke druge elemente sigurnosti, granične ili prihvatljive vrijednosti deformacija, širine pukotina, vibracije i.t.d., proračunske modele. 18.2.4.2

Djelovanja u geotehničkom projektiranju

Izraz djelovanje je uveden u Eurokodove za opterećenja i nametnute pomake. Za bilo koji proračun vrijednosti djelovanja su poznate veličine. Prije provedbe proračuna, projektant treba izabrati sile i nametnute pomake koji će biti smatrani djelovanjima u tom proračunu. Neke sile i nametnuti pomaci će biti smatrani djelovanjima u određenim proračunima, a neće u drugima. Negativno trenje i zemljani pritisci su primjeri takovih sila. U geotehničkim proračunima, za uključivanje u djelovanja treba razmotriti sljedeće (ENV 1997-1:1994): • •

težina tla, stijene i vode; naprezanja u temeljnom tlu "na mjestu" (in situ);

10

Podzemne građevine i tuneli • • • • • • • • • • • • • • • •

pritisci otvorene (slobodne, vanjske) vode; pritisci podzemne vode; sile strujnog tlaka; stalna opterećenja, nametnuta opterećenja od konstrukcija i opterećenja okoliša na konstrukcije; dodatna (pokretna) opterećenja; sile od usidrenja (brodova); odstranjivanje opterećenja ili iskop zemljišta; opterećenja prometom; pomaci uzrokovani rudarskom djelatnošću; bujanje ili skupljanje uzrokovano vegetacijom, klimatskim promjenama ili promjenama vlažnosti; pomaci uslijed puzanja ili klizanja zemljanih masa; pomaci uslijed degradacije, rastvaranja, samozbijanja i otapanja; pomaci i ubrzanja uzrokovani potresima, eksplozijama, vibracijama i dinamičkim opterećenjem; učinci temperature, uključivo i izdizanje smrzavanjem; opterećenje ledom; nametnuta prednaprezanja u geotehničkim sidrima ili razuporama.

Karakteristične vrijednosti stalnih djelovanja, Gk, izvode se iz težine materijala, uključujući tlak vode. Karakteristične vrijednosti promjenljivih djelovanja, Qk, na primjer vjetra i snijega, su ili specificirane vrijednosti ili vrijednosti dobivene iz meteoroloških zapisa razmatranog područja (Orr i Farrell, 1999). Proračunske (projektne) vrijednosti djelovanja, Fd, za analizu graničnog stanja nosivosti treba ili izvesti iz karakterističnih vrijednosti, Fk, koristeći jednadžbu Fd=γFFk

(1)

gdje je γF parcijalni koeficijent opterećenja, ili ih treba odrediti direktno. Ako se djelovanje sastoji od stalnog i povremenog opterećenja, gornja jednadžba se može napisati u obliku: Fd=γGGk+γQQk

(2)

Vrijednosti γG i γQ dane su u tablici 2.

18.2.4.3

Svojstva temeljnog tla

EC7-1 definira karakteristične vrijednosti kao vrijednosti parametara tla ili stijene koje trebaju biti izabrane kao oprezna procjena vrijednosti koja se tiče pojave graničnog stanja. Zbog toga karakteristične vrijednosti trebaju biti odabrane s obzirom na pojedino granično stanje, i zbog toga pojedini parametar, npr. φ’ u jednom sloju, može imati različite karakteristične vrijednosti za različite mehanizme sloma. Kada se koristi više različitih pokusa za određivanje jednog parametra (SPT, triaksijalni pokus i sl.) mogu se dobiti različite izvedene vrijednosti istog parametra na istoj lokaciji. Ovo treba uzeti u obzir pri određivanju karakteristične vrijednosti.

Geotehničko projektiranje prema Eurokodu 7

11

Proračunska (projektna) vrijednost svojstva tla kod primjene metode granične stanja nosivosti , Xd, dobije se ili djelenjem karakteristične vrijednosti Xk s parcijalnim koeficijentom za svojstvo materijala γm Xd=XK/γm

(3)

ili se procijeni direktno. Kada se Xd procjenjuje direktno, preporuča se korištenje vrijednosti γm kao vodilje za zahtjevanu stabilnost (Orr i Farrell, 1999). Proračunska čvrstoća gradiva i proračunska nosivost konstrukcijskih elemenata treba biti proračunata u skladu s ENV 1992 do 1996 i 1999 (ENV 1997-1:1994).

18.2.4.4

Geometrijski podaci

Geometrijski podaci uključuju visinu (razinu) i nagib površine terena, razine vode, dubine granica slojeva, dubine iskopa, oblik temelja itd. (ENV 1997-1:1994). Karakteristične vrijednosti geometrijskih podataka (ak) su izmjerene vrijednosti na terenu. Za granična stanja s teškim posljedicama, proračunske vrijednosti geometrijskih podataka (ad) trebaju predstavljati najnepovoljnije vrijednosti koje se u stvarnosti mogu pojaviti (ENV 19971:1994). U slučajevima gdje promjene i odstupanja (varijacije) geometrijskih podataka nisu bitne, treba ih uzeti u obzir pri izboru proračunskih vrijednosti svojstava tla ili djelovanja. Parcijalni koeficijenti opterećenja i materijala γF i γm uključuju slobodu za manja odstupanja u geometrijskim podacima. U ostalim slučajevima je općenito preporučljivo da se s ovim nesigurnostima računa neposredno: ad=ak+∆a. 18.2.4.5

Proračun po graničnim stanjima nosivosti

Kod proračuna po graničnim stanjima nosivosti koji uključuje slom tla, normalno se prihvaća projektna situacija koja odgovara prihvatljivo niskom riziku sloma, primjenom dva seta parcijalnih koeficijenata sigurnosti. Jedan set povećava opterećenja kako bi se dobilo proračunsko (projektno) djelovanje, Ed, a drugi set reducira parametre čvrstoće tla ili otpornosti radi postizanja proračunskog (projektnog) otpora, Rd. Radi provjere da je granično stanje nosivosti dovoljno neočekivano, neophodno je zadovoljiti sljedeći uvjet.

E d ≤ Rd

(4)

Parcijalni koeficijenti s kojim se postižu Ed i Rd mogu se uvesti koristeći jedan od dva sljedeća pristupa (Orr i Farrell, 1999): • •

MFA pristup (Material factor Approach) u kojem se primjenjuju parcijalni koeficijenti na karakteristična djelovanja i karakteristična svojstva materijala RFA pristup (Resistance factor Approach) u kojem se primjenjuju parcijalni koeficijenti na karakteristična djelovanja i karakteristične otpornosti

Termini MFA i RFA ne nalaze se u EC7 ali mogu biti uključeni u EN verziju. Kada se koristi MFA metoda, proračunski (projektni) efekt djelovanja i proračunska (projektna) otpornost kod projektiranja po graničnim stanjima nosivosti, izvodi se iz sljedećih jednadžbi:

12

Podzemne građevine i tuneli E d = E ( Fd , X d , a d ) = E (γ F Fk , X k / γ m , a k ± ∆ a )

(5)

Rd = R( Fd , X d , a d ) = R(γ F Fk , X k / γ m , a k ± ∆ a )

(6)

gdje su E() i R() funkcije efekta djelovanja odnosno funkcije efekta otpornosti koje kombiniraju proračunske (projektne) vrijednosti djelovanja (Fd), materijalnih svojstava (Xd) i geometrijskih podataka (ad). Ako je efekt geometrijskih varijacija zanemariv, njegov utjecaj se može uključiti kroz parcijalne koeficijente γF i γm pa je ∆a=0, te se gornje jednadžbe pojednostavljuju. (Orr i Farrell, 1999). U geotehničkom projektiranju prema EC7, uvedena su tri projektna slučaja poznata kao Slučaj A, Slučaj B i Slučaj C. Slučajevi A, B i C su uvedeni kako bi se osigurala stabilnost i odgovarajuća čvrstoća u konstrukciji i temeljnom tlu, u suglasju s Tablicom 9.2 u ENV 1991-1, Eurokod 1 Osnove projektiranja i djelovanja na konstrukcije. Vrijednosti parcijalnih koeficijenata za opterećenje i materijal dani su u tablici 2. Ove vrijednosti su za konvencionalne građevine u trajnim, i privremenim projektnim situacijama. Više vrijednosti razmatraju se u slučajevima abnormalnog rizika i neočekivanog ili posebno teškog tla ili uvjeta opterećenja. Kako je namjera da Eurokodovi postanu skupina harmoniziranih normi za projektiranje konstrukcija, vrijednosti γF za slučajeve A, B i C za stalna i promjenljiva djelovanja (tablica 2.1 u EC7-1) u geotehničkom projektiranju su ista kao i vrijednosti u tablici 9.2 u EC1-1 koji su primjenljivi za projektiranja koja uključuju sve materijale od betona i čelika do tla. Poglavlje 2.4.4(12) EC7-1 zahtjeva da projekt treba provjeriti s obzirom na oba aspekta, konstrukcijski i geotehnički za sva tri slučaja A, B i C odvojeno. Često će samo jedan proračun biti potreban jer će i on jasno pokazati koji je slučaj kritičan u kojoj projektnoj situaciji. Slučaj A primarno se odnosi na promjenljivost-nesigurnost u nepovoljnim promjenljivim djelovanjima, u situacijama gdje su čvrstoća građevine i tla beznačajne. Slučaj A je relevantan u situacijama gdje ravnoteža ovisi primarno o težini, s malim utjecajem čvrstoće tla i gdje su hidrostatske sile često glavno opterećenje (Orr i Farrell, 1999). Slučaj B bavi se primarno s nesigurnostima djelovanja i zbog toga su parcijalni koeficijenti djelovanja za slučaj B općenito veći od jedan. Cilj slučaja B je da osigura sigurne geotehičke veličine i projekt građevine protiv nepovoljnih odstupanja djelovanja od njihovih karakterističnih vrijednosti, dok su svojstva tla jednaka njihovim karakterističnim vrijednostima. Slučaj B je obično kritičan u konstruktorskom projektiranju elemenata kao što su temelji i potporni zidovi. Slučaj B nije relevantan gdje nije uključena čvrstoća konstrukcije, kao na primjer kod projektiranja kosina. Slučaj C bavi se primarno s nesigurnostima u svojstvima materijala i zbog toga je općenito MFA metoda, s parcijalnim koeficijentima na svojstva tla većim od 1. Cilj slučaja C je da osigura sigurne geotehičke veličine i projekt građevine protiv nepovoljnih odstupanja od svojstava tla i otpornosti od njihovih karakterističnih vrijednosti, dok su stalna djelovanja jednaka njihovim karakterističnim vrijednostima a promjenljiva djelovanja su nešto povećana, ali manja nego u slučaju B,. Slučaj C je obično kritičan kod određivanja veličine elemenata u tlu, kao što su veličina temelja i dubina potpornih zidova. Za situacije gdje je samo uključena čvrstoća tla, kao u slučaju stabilnosti pokosa, slučaj C je jedino relevantan.

13

Geotehničko projektiranje prema Eurokodu 7

Tablica 2 Parcijalni koeficijenti za slučajeve A, B i C (Orr i Farrell,1999) Parametar Koeficijent Parcijalni koeficijenti opterećenja (γF) Stalno nepovoljno djelovanje γG Promjenljivo nepovoljno γQ djelovanje

Slučaj A

Slučaj B

Slučaj C

1,00

1,35

1,00

1,50

1,50

1,30

1,00

1,00

0 1,00

0 1,00 1,25 1,60 (1,25)**

Stalno povoljno djelovanje

γG

Promjenljivo povoljno djelovanje Udesno djelovanje

γQ γA

0,95 (0,90)** 0 1,00

γtanφ’

1,10

1,00

γc’

1,30

1,00

γcu

1,20

1,00

1,40

γqu γplim γCPT γg

1,20 1,40 1,40 1,00

1,00 1,00 1,00 1,00

1,40 1,40 1,40 1,00

Parcijalni koeficijenti materijala (γm) tanφ’ Efektivna kohezija c‘ Nedrenirana posmična čvrstoća cu Tlačna čvrstoća qu Presiometarski granični tlak plim CPT otpor Jedinična težina tla γ Parcijalni koeficijenti otpornosti (γR) Otpor nosivosti Otpor klizanju Otpor zemlje Otpor baze pilota Otpor na plaštu pilota Ukupni otpor pilota Vlačni otpor pilota Otpor sidra na izvlačenje

* 1,00 1,00 γRv * 1,00 1,00 γRs * 1,00 1,00 γRc * 1,00 1,30 γb * 1,00 1,30 γs * 1,00 1,30 γt 1,40 1,00 1,60 γst 1,30 1,00 1,50 γA Parcijalni modelski koeficijenti efekta djelovanja i otpora (γE; γsd, γrd) Efekti djelovanja i otpora 1,00 1,00 1,00** γsd, γrd Napomene: Bold vrijednosti su parcijalni koeficijenti koji su dani ili koji se podrazumijevaju u ENV verziji EC7 Italic vrijednosti su preporučeni parcijalni koeficijenti kojih u ENV EC7 nema ali mogu biti uključene u EN verziju * Parcijalni koeficijenti koji nisu relevantni za Slučaj A ** Vjerojatno će imati ovu vrijednost u EN verziji EC7 Vjerojatno će u EN verziji EC7 biti uvedena još dva slučaja (Slučaj C2 i Slučaj C3)

18.3

Geotehnička istraživanja i geotehnički podaci

Sva tri dijela EC7, treba razmatrati kao cjelinu kod procjene zahtjeva za planiranje geotehničkih istraživanja i prikupljanja geotehničkih podataka. Dijelovi 2 i 3 EC7 daju osnovne zahtjeve na

14

Podzemne građevine i tuneli

opremu za ispitivanje i postupke ispitivanja, za interpretaciju i prikaz rezultata i za dobivanje izvedenih vrijednosti parametara tla i stijena. Dijelovi 2 i 3 nisu norme za ispitivanje ali su dijelovi EC7, koji je norma za geotehničko projektiranje. Namjera je da dijelove 2 i 3 trebaju koristiti projektanti, ne osobe koje izvode laboratorijska i terenska ispitivanja. Slika 2 prikazuje vezu sva tri dijela EC7 s obzirom na planiranje geotehničkih istraživanja i dobivanje geotehničkih podataka za korištenje u projektnim proračunima. Trenutna intencija je da se dijelovi 2 i 3 spoje u jedan dokument (Orr i Farrell, 1999.p). EC7-1 predviđa izvođenje geotehničkih istražnih radova u tri faze: • prethodna (preliminarna) istraživanja (vidi 3.2.2 u EC7-1); • projektna istraživanja (vidi 3.2.3 u EC7-1); • kontrolna istraživanja (vidi 4.3 u EC7-1).

POKRIVENO S EC7-1 Procjena projektnih situacija Odabir geotehničkih kategorija Opći zahtjevi za: • planiranje istraživanja, • dobivanje vrijednosti parametara

Odluka o geotehničkim podacima potrebnim za projektiranje

Određivanje karakterističnih i proračunskih (projektnih) vrijednosti za korištenje u projektnim proračunima

Izvještaj s • geotehničkim informacijama, • izvedenim vrijednostima parametara

POKRIVENO S EC7-2 I EC7-3 Osnovni zahtjevi za: • geotehnička istraživanja, • uzorkovanje tla, • opremu za izvođenje pokusa, • laboratorijske i terenske pokuse.

Procjena (proračun) izvedenih vrijednsoti svojstava tla (parametara)

Slika 2 Uloga EC7 u postizanju geotehničkih podataka Ovisno o geotehničkim kategorijama neke od faza mogu biti preskočene. Na primjer, za geotehničku kategoriju GC1, prethodna i projektna istraživanja mogu se kombinirati. Prethodna istraživanja treba provesti: • radi ocjene opće podobnosti lokacije; • radi usporedbe više mogućih lokacija, ako je primjereno; • radi procjene promjena koje mogu biti izazvane predloženim radovima; • radi planiranja projektnih i kontrolnih istraživanja, uključujući ustanovljavanje opsega temeljnog tla koje može imati bitan utjecaj na ponašanje konstrukcije; • za ustanovljavanje pozajmišta, ako je primjereno.

Geotehničko projektiranje prema Eurokodu 7

15

Projektna istraživanja treba provesti: • • •

radi prikupljanja informacija potrebnih za odgovarajuće i ekonomično projektiranje trajnih i privremenih radova; radi prikupljanja informacija potrebnih za planiranje postupka izgradnje; radi ustanovljavanja bilo kojih poteškoća koje mogu nastati tijekom izgradnje.

Kontrolna istraživanja su istraživanja radi provjere stvarnih uvjeta u tlu koji se utvrde tijekom građenja. Kako su ova istraživanja dio nadzora građenja, zahtjevi za kontrolna istraživanja specificirana su u u poglavlju 4.3 Prvog dijela EC7. Proces kojim se dobiju projektne vrijednosti geotehničkih parametara sastoji se od 4 faze kao što to pokazuje slika 2, pri čemu se dobiju sljedeće četiri različite vrijednosti (Orr i Farrell, 1999): • • • •

izmjerene vrijednosti parametara, izvedene vrijednosti parametara, karakteristične vrijednosti parametara, projektne vrijednosti parametara.

Zahtjevi koje treba uzeti u obzir kod izvođenja izvedene vrijednosti parametara iz terenskih i laboratorijskih pokusa za korištenje u geotehničkom projektiranju prema EC7 pokriveni su s EC7-1 i EC7-2. Zahtjevi koje treba uzeti u obzir kod izbora karakterističnih vrijednosti i određivanja projektnih vrijednosti pokriveni su s EC7-1. Izmjerene vrijednosti su vrijednosti izmjerene tijekom pokusa. Izvedene vrijednosti su vrijednosti parametara tla dobivene teorijom, korelacijama ili empirijski iz izmjerenih rezultata pokusa. Izvedene vrijednosti čine osnovu za izbor karakterističnih vrijednosti. Primjer izvedenih vrijednosti su kohezija i kut trenja koji se dobiju iz triaksijalnih pokusa prema Mohr-Coulombovoj teoriji, nedrenirana čvrstoća (cu) dobivena iz pokusa krilnom sondom ili kut trenja i modul elastičnosti dobiven iz SPT pokusa koristeći empirijske odnose. Treba naglasiti da različiti pokusi mogu dati različite izvedene vrijednosti istog parametra na jednoj lokaciji. Karakteristična vrijednost geotehničkog parametra definirana je kao oprezno određena vrijednost koja djeluje na pojavu graničnog stanja. Zbog toga se karakteristična vrijednost mora odabrati uzimajući u obzir aktualnu projektnu situaciju. Proračunska (projektna) vrijednost je vrijednost parametra korištena u projektnim proračunima. Ona se određuje, ili iz karakterističnih vrijednosti primjenjujući parcijalni koeficijent ili drugačije, direktno procjenjujući iz izvedene vrijednosti. U cilju pravljenja razlike između različitih metoda uzorkovanja, one su klasificirane u tri kategorije (ENV 1997-3, 1999): (a) metode uzorkovanja iz kategorije A; (b) metode uzorkovanja iz kategorije B; (c) metode uzorkovanja iz kategorije C. Kada se koriste metode uzorkovanja koje spadaju u kategoriju A to znači da želimo dobiti uzorke kod kojih je u postupku uzorkovanja ili transporta došlo do vrlo malog ili nikakvog poremećaja strukture. Sadržaj vode i šupljina odgovara uvjetima in situ. Komponente nisu promijenjene niti je došlo do promjene kemijskog sastava tla.

16

Podzemne građevine i tuneli

Kada se koriste metode uzorkovanja koje spadaju u kategoriju B dobivaju se uzorci koji sadrže sve komponente koje je tlo imalo in situ i to u nepromijenjenim omjerima, a tlo je osim toga zadržalo i svoj prirodni sadržaj vode. Može se odrediti opći raspored raznih slojeva ili komponenata tla. Struktura tla je poremećena. Primjenom metoda uzorkovanja koje spadaju u kategoriju C u uzorku dolazi do potpune promjene strukture tla. Opći raspored različitih slojeva ili komponenata tla promijenjen je u takovoj mjeri da se slojevi koji postoje in situ ne mogu precizno odrediti. Sadržaj vode u uzorku ne mora odgovarati prirodnom sadržaju vode u sloju iz kojeg je uzorak uzet. Poglavlje 2.3(1) EC7-2 opisuje 5 klasa kvalitete uzoraka tla u odnosu na laboratorijska ispitivanja koje ovise o karakteristikama koje ostaju nepromijenjene pri uzorkovanju. Njih ne treba miješati s tri kategorije metoda uzorkovanja koje su opisane naprijed. Pet klasa kvalitete uzoraka su sljedeće: 1. Uzorak gdje nije došlo praktički značajnih promjena karakteristika (neporemećen uzorak) 2. Druga klasa kvalitete: Uzorak kod koga je došlo do malog poremećaja. Poremećaj može utjecati na rezultat direktnog smicanja i kompresibilnost (lagano poremećen) 3. Treća klasa kvalitete: Uzorak kod koji sadrži sve originalne komponente tla in situ, uključujući i vodu 4. Četvrta klasa kvalitete: Uzorak kod koji sadrži sve originalne komponente tla in situ ali gdje sadržaj vode ne odgovara vlažnosti in situ. 5. Peta klasa kvalitete: Uzorak kod koga su sadržaj vode i komponente tla promijenjeni tijekom uzorkovanja tako da on nije podoban za ispitivanja već samo za određivanje granica slojeva Tablica 3 Klase kvalitete uzoraka tla za laboratorijska ispitivanja Svojstva tla Veličina zrna Sadržaj vode Redoslijed slojeva Granice slojeva - okvirno Granice slojeva - precizno Atterbergove granice, gustoća zrna, sadržaj organskih materija Gustoća, indeks gustoće, poroznost, propusnost Stišljivost, posmična čvrstoća

Klasa kvalitete uzoraka 1 x x x x x x x x

2 x x x x x x x

3 x x x x

4 x

5

x x

x

x

x

A Prikladna kategorija uzorkovanja

B C

Geotehničko projektiranje prema Eurokodu 7

18.4

17

Zaključak

Objavljivanje Eurokoda 7, predstavlja značajan doprinos razvoju građevinarstvu, pošto on uvodi metodu graničnih stanja sa parcijalnim koeficijentima u geotehničko projektiranje. Promjena tradicionalne metode projektiranja predstavlja poteškoće za mnoge inženjere. Zbog toga je bilo mnogo skepticizma u nekim geotehničkim krugovima o opravdanosti uvođenja metoda graničnih stanja i parcijalnih koeficijenata. Međutim, racionalna osnova metode graničnih stanja i prednosti njenog korištenja u geotehničkom projektiranju postajala je sve evidentnija kako je koncept EC7 bio provjeravan (Orr i Farrell, 1999). Eurokodovi će uskoro ući u svakodnevnu potrebu u zemlje Europske unije. Da bi ulazak u Europsku uniju bio čim bezbolniji, potrebno je čim prije upoznati logiku Eurokodova i neke njihove odredbe ugraditi u nacionalnu regulativu.

18.5

Literatura

1. ENV 1991-1 :1994, Basis of Design and Actions on Structures 2. ENV 1997-1 :1994, Geotechnical Design, Part 1: General Rules 3. ENV 1997-2, 1999, Geotechnical Design, Part 2: Geotechnical design assisted by laboratory testing 4. ENV 1997-3, 1999, Geotechnical Design, Part 3: Geotechnical design assisted by field testing 5. Orr, T.L.L.; Farrell, E. R., 1999, Geotechnical Design to Eurocode 7, Springer-Verlag London Limited, 166 p. 6. ISSMGE (1999) Recommendation of the ISSMGE for geotechnical laboratory testing, DIN, Beuth Verlag, Berlin 7. Szavits-Nossan, A., Ivšić, T., (1995), Eurocode 7, Geotehnika, Građevinski godišnjak ’95, Hrvatsko društvo građevinskih inženjerastr. 154-208. 8. Priopćenja trećeg savjetovanja Hrvatske udruge za mehaniku tla i geotehničko inženjerstvo, Geotehnika kroz Eurocode 7, Hvar, 2-5. listopada 2002. 466 strana.

Dodatak-4

NUMERIČKO MODELIRANJA TUNELA U SLABIM STIJENAMA Izvadak iz diplomskog rada Adise Raković, Građevinski fakultet u Rijeci, (2004), mentor: Ivan Vrkljan

2

Podzemne građevine i tuneli

Sadržaj 2- NUMERIČKO MODELIRANJA TUNELA U SLABIM STIJENAMA 2.1 Ulazni parametri za analizu

26 26

2.1.1 Primarna naprezanja u zoni tunela

26

2.1.2 Poprečni presjek tunela

26

2.1.3 Stanje stijenske mase

27

2.1.4 Karakteristike podgradnih elemenata

28

2.2 Određivanje primarnih naprezanja

29

2.3 Određivanje čvrstoće i deformabilnosti stijenske mase 2.4 Procjena deformacija nepodgrađenog tunela korištenjem zatvorenih rješenja (program Rocsupport) 2.5 Analiza naprezanja i deformacija korištenjem programa Phase2

29

2.5.1 Osnovne karakteristike programa Phase

2

2.5.2 Naprezanja i deformacije u okolini nepodgrađenog tunela

31 33 33 33

2.5.2.1 Analiza pod pretpostavkom elastičnog ponašanja stijenske mase

34

2.5.2.2 Analiza pod pretpostavkom plastičnog ponašanja stijenske mase

39

2.5.3 Podgrađivanje tunela

43

2.5.3.1 Podgrada se sastoji samo od stijenskih sidara

43

2.5.3.2 Podgrada se sastoji od stijenskih sidara i mlaznog betona

47

2.5.3.3 Analiza podjele opterećenja

53

2.6 Zaključci

63

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

2- NUMERIČKO MODELIRANJA TUNELA U SLABIM STIJENAMA Analizirat će se stanje naprezanja i deformacije oko cestovnog tunala u slaboj stijenskoj masi. Odredit će se podgrada koja je potrebna da se održi stabilnost tunela. 2.1 Ulazni parametri za analizu Ulaznim parametrima definirat će se dubina tunela, poprečni presjek, svojstva intektne stijene i stijenske mase, kao i parametri podgradnih elemenata (sidara i mlaznog betona) 2.1.1 Primarna naprezanja u zoni tunela • • • • •

Tunel se nalazi na dubini od 150 m. Veće glavno naperzanje je vertikalno a manje glavno naprezanje je horizontalno. Primarna naprezanja modelirati kao konstantna naprezanja u modelu. Primarna naprezanja treba izračunati po teoriji elastičnosti. Treće glavno naprezanje (okomito na ravninu) ima vrijednost manjeg glavnog naprezanja. 2.1.2 Poprečni presjek tunela

Stanje naprezanja i deformacija analizirat će se za dva poprečna presjeka podgrađenog i nepodgrađenog tunela. Poprečni presjeci tunela prikazani su na slikama 2.1.1.1 i 2.1.1.2.

Slika 2.1.2.1 Poprečni presjek tunela označen kao “Poprečni presjek 1”

3

4

Podzemne građevine i tuneli

Slika 2.1.2.2 Poprečni presjek tunela označen kao “Poprečni presjek 2” 2.1.3 Stanje stijenske mase Vrsta stijene: • Trošna i alterirana stijena Parametri intaktne stijene: • Jednoosna tlačna čvrstoća intaktne stijene •

•

σci=20 MPa

Hoek-Brownov parametar: mi=7

Gustoća stijenske mase: •

γ=2,5 Mg/m3

Struktura stijenske mase: •

Dezintegrirana stijenska masa, slabo uklješteni blokovi teško ispucala stijenska masa sa mješavinom oštrih i zaobljenih komada stiejne(prema E. Hoeka: Practical Rock Engineering)

• •

Stanje površina blokova: Stanje ploha diskontinuiteta: loše (poor) (prema E. Hoeka: Engineering)

Practical Rock

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

5

Faktor poremećenja stijenske mase: • D=0 Dilatacijski parametar • α=0 Izotropnost: • Izotropna stijenska masa. Postlomno ponašanje stijenske mase: • Pretpostaviti elastično-idealno plastično ponašanje stijenske mase 2.1.4 Karakteristike podgradnih elemenata SIDRA GEOMETRIJSKA SVOJSTVA Duljina (m) Promjer sidara (mm) Razmak sidara u ravnini (in plane spacing) (m) Razmak sidara uzduž tunela (out-of-plane spacing) (m) Položaj u odnosu na konturu iskopa PARAMETRI ELASTIČNOSTI Youngov modul (MPa) Poissonov koeficijent PARAMETRI ČVRSTOĆE Ponašenje Čvrstoća-vršna (MN) Čvrstoća-rezidualna (MN) Prednaprezanja (MN) MLAZNI BETON Debljina (m) PARAMETRI ELASTIČNOSTI Youngov modul (MPa) Poissonov koeficijent PARAMETRI ČVRSTOĆE Ponašenje Tlačna čvrstoća-vršna (MPa) Tlačna čvrstoća-rezidualna (MPa) Vlačna čvrstoća-rezidualna (MPa) Beam formulacija:

Vrijednost 5 25 2 2 okomito 200.000 0,25 plastično 0,2 0,2 0 Vrijednost 0,15 3.000 0,25 plastično 35 5 5

Podzemne građevine i tuneli

2.2 Određivanje primarnih naprezanja Primarna naprezanja određena su uz pretpostavku elastičnog ponašanja stijenske mase. σv= σ1= γ*H σ1= 0,25*150 = 3,75 MPa σh= σ3= σv*(υ/1-υ) σ1= 3,75*(0,25/1-0,25) = 1,25 MPa 2.3 Određivanje čvrstoće i deformabilnosti stijenske mase Čvrstoća stijenske mase definirana je Hoek-Brownovim kriterijem čvrstoće a deformabilnost na način kako su to predložili Hoek, Carranza-Torres, Corkum, 2002. Proračuni su provedeni korištenjem programa RocLab. Čvrstoća stijenske mase

Hoek je na web stranici http://www.rocscience.com/ objavio program RocLab za određivanje parametara čvrstoće stijenske mase koji je temeljen na posljednjoj verziji općenitog HoekBrownovog kriterija čvrstoće. (Hoek, Carranza-Torres, Corkum, 2002) Posljednja verzija općenitog Hoek-Brownovog kriterija uvodi sljedeće novine: •

Uvodi faktor D koji ovisi o stupnju poremećenja stijenske mase usljed miniranja i naponskog relaksiranja. Faktor D varira od 0 za neporemećenu stijensku masu do 1 za vrlo poremećenu stijensku masu. Autori daju preporuke za određivanje faktora poremećenje (D).

•

Eliminirano je izračunavanje koeficijenata (s) i (a) za GSI>25 i GSI<25. Sada su ovi koeficijenti izraženi istom jednadžbom za sve stijenske mase.

•

Uvedena su dva dijagrama za odabir GSI-a na osnovi opisa stijenske mase. Jedan općeniti i jedan koji se odnosi samo na fliš

•

Razlikuje pojmove jednoosne tlačne čvrstoće stijenske mase i globalne čvrstoće stijenske mase

Deformabilnost stijenske mase

Program RocLab izračunava deformabilnost stijenske mase istovremeno dok izračunava njenu čvrstoću. Iz tablica koje su priložene programu RocLab, procjenjena je vrijednost geološkog indeksa čvrstoće GSI=20. Za zadano stanje stijenske mase Hoek Brownov kriterij čvrstoće prikazan je na slici 2.3.1.

6

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

Slika 2.3.1 Hek-Brownov kriterij čvrstoće stijenske mase prikazan kao odnos glavnih naprezanja i kao odnos posmičnih i normalnih naprezanja Hek-Brownovi parametri čvrstoće stijenske mase su: • • •

s=0,0001 mb=0,402 a=0,544

Modul elastičnosti stijenske mase: • E=795 MPa U «elastičnim» i «plastičnim» analizama treba koristiti naprijed prikazan Hoek-Brownov kriterij čvrstoće.

7

Podzemne građevine i tuneli

2.4 Procjena deformacija nepodgrađenog tunela korištenjem zatvorenih rješenja (program Rocsupport) Za ovu analizu korišten je program Rocsupport (Rocscience-Rockengineering group, Toronto). Program je napisan za hidrostatsko stanje naprazanja i za tunel kružnog poprečnog presjeka. Izračunat će se polumjer plastificirane zone i konvergencija kružnog tunela. Ove će vrijednosti poslužiti za grubu procjenu stabilnosti nepodgrađenog tunela. Na osnovi toga će se donijeti odluka dali treba provesti točnije analize tunela. Pri tome će se koristiti tablica 2.4.1 koja prikazuje približne odnose deformacije i geotehničkih uvjeta stabiliziranja tunela Ulazni parametri za analizu: • • • • • •

Tunel bez podgrade D=5,26 m (polumjer tunela) P0=3,75 MPa (primarno naprezanje) Kriterij čvrstoće: Hoek Brownov Ponašanje stijenske mase: elastično Modul elastičnosti: E=795 MPa

Rezultati proračuna • •

Polumjer plasificirane zone: 16,1 m Konvergencija tunela: 3,26%

Slika 2.4.1 Rezultati proračuna korištenjem programa Rocsupport

8

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

9

Tablica 2.4.1 Približan odnos deformacije i geotehničkih uvjeta stabiliziranja tunela Deformacija ε (%)

Geotehnički uvjeti

Manja od 1

Očekuju se mali problemi stabilnosti te se mogu koristiti vrlo jednostavne metode projektiranja. Klasifikacije stijenskih masa predstavljaju dobru osnovu za projektiranje

B

1 do 2,5

Koristi se metoda karakterističnih krivulja za prognozu formiranja plastificirane zone oko tunela i interakcije između progresivnog razvoja ove zone i različitih tipova podgrade.

C

2,5 do 5

D

5 do 10

E

Veća od 10

A

Dvodimenzionala analiza konačnim elementima u koju su uključeni i elementi podgrade i iskop po fazama. Stabilnost čela općenito nije glavni problem. Stabilnost čela je dominantni problem projektiranja te treba predvidjeti mjere osiguranja i na čelu iskopa. Dvodimenzionalna analiza nije primjerena. Nestabilnost čela i gnječenje u okolini tunela čine ovaj slučaj tipično trodimenzionalnim. Danas ne postoji efikasna metoda projektiranja za ove uvjete. Većina rješenaj je temeljena na iskustvu.

Tiovi podgrade Jednostavni uvjeti u tunelu. Tipično se koriste sidra i mlazni beton. Manji problemi gnječenja (squeezing) koji se općenito rješavaju sidrima i mlaznim betonom a ponekad sa laganim čeličnim profilima ili rešetkastim čeličnim profilima koje se dodaju za dodatnu sigurnost Ne tako izraženi problemi gnječenja traže brzu ugradnju podgrade i pažljivu kontrolu kvalitete. Općenito je potrebna ugradnja teških čeličnih profila u mlazni beton Izraženi problemi gnječanja i stabilnosti čela. Obično je potreban pipe roof i sidrenje čela sa čeličnim lukovima ugrađenim u mlazni beton. Ekstremni problemi gnječenja. Pipe roof i sidrenje čela i popustljiva podgrada u ekstremnim slučajevima.

Zaključak

Rezultati analize pokazuju da tunel pripada skupni C (vidi tablicu 2.4.1). U ovom slučaju treba se obaviti dvodimenzionala analiza konačnim elementima u koju su uključeni i elementi podgrade i iskop po fazama. Stabilnost čela općenito nije glavni problem.

Podzemne građevine i tuneli

2.5 Analiza naprezanja i deformacija korištenjem programa Phase2 2.5.1 Osnovne karakteristike programa Phase2 Phase2 je dvodimenzionalni program konačnih elemenata koji se koristi za proračun naprezanja i pomaka oko podzemnih otvora i može se koristiti za rješenje velikog broja rudarskih i građevinskih problema kao što su: • • • • • • • • •

Ravninska deformacija Elastičnost ili plastičnost materijala Izotropno, ortotropno, i transverzalno izotropno ponašanje stijenske mase Faze iskopa (do 50) Višeslojni materijali Podgrada (sidra, mlazni beton) Gravitacijsko i konstantno polje naprezanja Diskontinuiteti u stijenama Podzemna voda (uključujući i porni pritisak u analizu)

Program je sastavljen od tri modula: • • •

Model Compute Interpret 2.5.2 Naprezanja i deformacije u okolini nepodgrađenog tunela

Zadana geometrija tunela insertirana je u program kao DXF file. Granice modela Kreirali smo vanjske granice iskopa tipa box s faktorom ekspanzije-4. Generiranje mreže Program sam generira mrežu nakon što mu zadamo: • Tip • Tip elementa • Factor gradijenta • Broj čvorova na konturi iskopa

10

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

+

Slika 2.5.2.1 Mreža konačnih elemenata za “Poprečni presjek-1” prije “iskopa” tunela Nakon što smo generirali mrežu zadajemo konstantno polje naprezanja (alternative: gravitaciono). U dijalogu polja naprezanja moramo definirati parametre: • • • •

Sigma 1, σ1 = 3,75 ΜPa Sigma 3, σ3 = 1,25 ΜPa Sigma Z, σz = 1,25 ΜPa Kut između osi X i smjera Sigma1. Kut se mjeri u stupnjevima. α = 90o 2.5.2.1 Analiza pod pretpostavkom elastičnog ponašanja stijenske mase

Elastična analiza provodi se sa ciljem određivanja veličine zone u kojoj dolazi do prekoračenja čvrstoće stijenske mase (sloma stijenske mase). Zbog toga se i u elastičnoj analizi mora definirati kriterij čvrstoće. Analiza je provedena sa Hoek-Brownovim kriterijem čvrstoće. Nakon što smo zadali sve parametre, “iskopamo” elemente unutar granica iskopa.

11

Podzemne građevine i tuneli

Slika 2.5.2.1.1 Mreža konačnih elemenata za “Poprečni presjek-1” nakon “iskopa” tunela Kao rezultat proračuna dobije se: 1. Faktor čvrstoće 2. Izolinije i vektori pomaka Faktor čvrstoće predstavlja odnos raspoložive čvrstoće stijenske mase i naprezanja u nekoj točki. Stijenska masa unutar izolinije obilježene brojem-1, ima faktor čvrstoće manji od 1, što znači da će se slomiti ako tunel ostane nepodgrađen.

12

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

Slika 2.5.2.1.2 Izolinije faktora čvrstoće za elastičnu analizu nepodgrađenog tunela (poprečni presjek-1)

Slika 2.5.2.1.3 Izolinije faktora čvrstoće za elastičnu analizu nepodgrađenog tunela (poprečni presjek-2)

13

Podzemne građevine i tuneli

Maksimalni pomak: 0,048 m Slika 2.5.2.1.4 Izolinije i vektori pomaka za elastičnu analizu nepodgrađenog tunela (poprečni presjek-1)

Maksimalni pomak: 0,0457 m Slika 2.5.2.1.5 Izolinije i vektori pomaka za elastičnu analizu nepodgrađenog tunela (poprečni presjek-2)

14

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

Analiza rezultata elastične analize nepodgrađenog tunela 1. Elastični pomaci pokazuju značajno izdizanje poda tunela 2. U okolini tunela razvija se zona preopterećenja (sloma) stijenske mase velikih dimenzija 3. Poprečni presjek-2 je povoljniji od poprečnog presjeka-1 jer je zona preopterećenja stijenske mase (sloma) manja u odnosu na poprečni presjek-1 Zajključak Velika zona sloma stijenske mase (plastificirana zona) upućuje na potrebu provođenja tzv. plastične analize.

15

16

Podzemne građevine i tuneli

2.5.2.2 Analiza pod pretpostavkom plastičnog ponašanja stijenske mase

Naprezanje

Plastična analiza je provedena uz pretpostavku elastičnog-idealno plastičnog ponašanja stijenske mase. To znači da stijenska masa nakon sloma zadržava vršnu čvrstoću (rezidualni parametri su identični vršnim parametrima)

Vršna čvrstoća

Deformacija Elastično ponašanje

Plastično ponašanje

Slika 2.5.2.1 Elastičan-idealno plastičan model ponašanja mvršno = mrez.= 0,402 svršno = srez= 0,0001 Fenomen da stijena pri slomu dilatira (povećava volumen) opisuje se kutem dilatacije ili parametrom dilatacije. Parametar dilatacije ovisi o čvrstoći stijenske mase kako to pokazuje tablica 2.5.2.2.1. Tablica 2.5.2.2.1

Tipične vrijednosti kuta dilatacije (Hoek, E., Rock Engineering (a course)

http://www.rocscience.com/ Oznaka svojstva

Kut trenja

φ’

Kut dilatacije

α

Jedinice

(0) (0)

Čvrsta stijenska vrlo dobre kvalitete

Srednja stijenska masa

Stijenska masa vrlo loše kvalitete

46

33

24

φ’/4=11,5

φ’/8=4

Nula

Parametar dilatacije D = 0 (odgovara ponašanju slabih stijena).

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

699 Yielded finite elements Slika 2.5.2.2.1 Izolinije faktora čvrstoće i slomljeni konačni elementi za plastičnu analizu nepodgrađenog tunela (poprečni presjek-1)

Maksimalni pomak: 0,0789 m Slika 2.5.2.2.2 Izolinije i vektori pomaka za plastičnu analizu nepodgrađenog tunela (poprečni presjek-1)

17

Podzemne građevine i tuneli

619 Yielded finite elements Slika 2.5.2.2.3 Izolinije faktora čvrstoće i slomljeni konačni elementi za plastičnu analizu nepodgrađenog tunela (poprečni presjek-2)

Maksimalni pomak: 0,0773 m Slika 2.5.2.2.4 Izolinije i vektori pomaka za plastičnu analizu nepodgrađenog tunela (poprečni presjek-2)

18

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

Analiza rezultata plastičnih analiza nepodgrađenog tunela Može se primjetiti da kod plastičnih analiza nema zona sa faktorom čvrstoće manjim od 1. kako se stijena ponaša plastično, faktor čvrstoće ne može biti manji od 1. Kada se desi slom (yielding), faktor čvrstoće je po definiciji jednak jedinici. Faktor čvrstoće može biti manji od 1 samo u elastičnim analizama kao hipotetska mjera preopterećenja stijene. Zone plastificiranja (zone slomljenih konačnih elemenata) označene su na slikama kružićem (o) ako je slom posljedica vlačnih naprezanja i križićem (x) kada je slom posljedica posmičnih naprezanja. Zona plastificiranja u grubo je identična zoni u kojoj je faktor čvrstoće manji od 1 u elastičnim analizama.

Zaključak Velika plastificirana zona u okolini tunela ukazuje na potrebu podgrađivanja tunela. Tunel bez podgrade bi se urušio.

19

Podzemne građevine i tuneli

2.5.3 Podgrađivanje tunela 2.5.3.1 Podgrada se sastoji samo od stijenskih sidara Provedena je analiza za plastično ponašanje stijenske mase. Elementi sidrenja: • Dužina sidara: 5 m • Razmak u ravnini: 2 m • Pozicija: Okomito na iskop • Tip sidra: pasivno-injektirano po cijeloj duljini • Promjer sidra: 25 mm • Modul elastičnosti sidara: E = 200000 MPa • Maksimalna nosivost: 0,2 MN • Rezidualna nosivost: 0,2 MN • Prednaprezanje: 0 MN • Razmak sidara uzduž osi tunela (out of plane spacing): 1 m

20

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

659 Yielded finite elements 162 Yielded bolt elements Slika 2.5.3.1.1 Izolinije faktora čvrstoće i slomljeni konačni elementi za plastičnu analizu tunela podgrađenog sa sidrima (poprečni presjek-1)

Maksimalni pomak: 0,0714 m Slika 2.5.3.1.2 Izolinije i vektori pomaka za plastičnu analizu tunela podgrađenog sa sidrima (poprečni presjek-1)

21

Podzemne građevine i tuneli

567 Yielded finite elements 165 Yielded bolt elements Slika 2.5.3.1.3 Izolinije faktora čvrstoće i slomljeni elementi za plastičnu analizu tunela podgrađenog sa sidrima (poprečni presjek-2)

Maksimalni pomak: 0,0696 m Slika 2.5.3.1.2 Izolinije i vektori pomaka za plastičnu analizu tunela podgrađenog sa sidrima (poprečni presjek-2)

22

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

Analiza rezultata plastičnih analiza tunela podgrađenog sa sidrima Sidra su ugrađena radijalno na konturu iskopa. U odnosu na nepodgrađeni tunel, broj slomljenih konačnih elemenata se smanjio sa 699 na 659 za poprečni presjek-1, odnosno sa 619 na 567 za poprečni presjek 2. Plastificirana zona u okolini tunela podgrađenog samo sidrima nije se značajno smanjila u odnosu na nepodgrađeni tunel. U odnosu na nepodgrađeni tunel, maksimalni pomak konture tunala podgrađenog sidrima smanji se sa 0,0789 na 0,0714 m kod poprečnog presjeka-1, odnosno sa 0,0773 m na 0,0696 m za poprečni presjek-2. Vidljivo je da sidra nisu zančajno smanjila pomake konture iskopa. Broj slomljenih elemenata sidara je približno isti za oba presjeka tunala

Zaključak Kako bi se smanjili pomaci konture iskopa, treba ugraditi mlazni betona kao drugi element podgradnog sustava.

23

Podzemne građevine i tuneli

2.5.3.2 Podgrada se sastoji od stijenskih sidara i mlaznog betona Provedena je analiza za plastično ponašanje stijenske mase. Ugradit će se 15 cm mlaznog betona Elastični parametri mlaznog betona: • Izabrana je metoda po Bernoulli-u (alternativa: Timoshenko). • Modul elastičnosti: E = 3000 MPa • Poissonov koeficijent ν = 0,25 Parametri čvrstoće mlaznog betona: • Tip materijala: plastičan • Maksimalna tlačna čvrsoća: 35 MPa • Rezidualna tlačna čvrstoća: 5 MPa • Maksimalna vlačna čvrsoća: 5 MPa • Rezidualna vlačna čvrstoća: 0 MPa

24

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

592 Yielded finite elements 150 Yielded bolt elements 63 Yielded liner elements Slika 2.5.3.2.1 Izolinije faktora čvrstoće i slomljeni elementi za plastičnu analizu tunela podgrađenog sa sidrima i mlaznim betonom (poprečni presjek-1)

Maksimalni pomak: 0,0670 m Slika 2.5.3.2.2 Izolinije i vektori pomaka za plastičnu analizu tunela podgrađenog sa sidrima i mlaznim betonom(poprečni presjek-1)

25

Podzemne građevine i tuneli

475 Yielded finite elements 136 Yielded bolt elements 38 Yielded liner elements Slika 2.5.3.2.3 Izolinije faktora čvrstoće i slomljeni konačni elementi za plastičnu analizu tunela podgrađenog sa sidriam i mlaznim betonom (poprečni presjek-2)

Maksimalni pomak: 0,0576 m Slika 2.5.3.2.4 Izolinije i vektori pomaka za plastičnu analizu tunela podgrađenog sa sidrima i mlaznim betonom(poprečni presjek-2)

26

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

27

Analiza rezultata plastičnih analiza tunela podgrađenog sa sidrima i mlaznim betonom Usporedit ćemo svedo sada napravljene analize da bi vidjeli efekte pojedinih elemenata podgrade na razvoj olastificirane zone i maksimalne pomake konture iskopa.

Bez podgarde

Podgrada: sidra

Podgrada: sidra+mlazni beton

Slika 2.5.3.2.5 Izolinije faktora čvrstoće i slomljeni konačni elementi za tunel bez podgrade, tunel podgrađen samo sidrima i tunel podgrađen sidrima i mlaznim betonom (plastične analize). Poprečni presjek-1.

Bez podgarde

Podgrada: sidra

Podgrada: sidra+mlazni beton

Slika 2.5.3.2.6 Izolinije faktora čvrstoće i slomljeni konačni elementi za tunel bez podgrade, tunel podgrađen samo sidrima i tunel podgrađen sidrima i mlaznim betonom (plastične analize). Poprečni presjek-2. Smanjili smo broj yielded elemenata postavljanjem podgrade. Kao što vidimo najveći pomaci se dešavaju u podnožju tunela. To možemo smanjiti povećanjem debljine mlaznog betona u podnožju tunela.

28

Podzemne građevine i tuneli

Bez podgarde

Podgrada: sidra

Podgrada: sidra+mlazni beton

Slika 2.5.3.2.7 Izolinije i vektori pomaka za tunel bez podgrade, tunel podgrađen samo sidrima i tunel podgrađen sidrima i mlaznim betonom (plastične analize). Poprečni presjek-2.

Bez podgarde

Podgrada: sidra

Podgrada: sidra+mlazni beton

Slika 2.5.3.2.8 Izolinije i vektori pomaka za tunel bez podgrade, tunel podgrađen samo sidrima i tunel podgrađen sidrima i mlaznim betonom (plastične analize). Poprečni presjek-2.

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

29

Kao što je ranije naglašeno, samo sidrenje nije imalo veliki utjecaj na faktor čvrstoće i plastificiranu zonu. Međutim, sidrenje u kombinaciji s mlaznim betonom, značajno reducira broj slomljenih konačnih elemenata kako to pokazuje tablica 2.5.3.2.1. I broj slomljenih elemenata sidara se smanjio u prisutnosti podgrade od mlaznog betona. Program također daje i broj slomljenih elemenata podgrade od mlaznog betona. Tablica 2.5.3.2.1 Poređenje rezultata različitih analiza nepodgrađenog i podgrađenog tunela Poprečni presjek 1

Nepodgrađeni tunel Nepodgrađeni tunel Podgrađeni tunel Sidra Podgrađeni tunel Sidra+mlazni beton

0,048 0,0789

Broj slomljenih konačnih elemenata (Yielded finite elements) 699

Broj slomljenih elemenata sidara (Yielded bolt elements) -

Broj slomljenih elemenata mlaznog betona (Yielded liner elements) -

Plastično

0,0714

659

162

-

Plastično

0,0670

592

150

63

Broj slomljenih elemenata sidara (Yielded bolt elements) -

Broj slomljenih elemenata mlaznog betona (Yielded liner elements) -

Ponašanje stijenske mase

Maksimalni pomak (m)

Elastično Plastično

Poprečni presjek 2

Nepodgrađeni tunel Nepodgrađeni tunel Podgrađeni tunel Sidra Podgrađeni tunel Sidra+mlazni beton

Ponašanje stijenske mase

Maksimalni pomak (m)

Elastično Plastično

0,0457 0,0773

Broj slomljenih konačnih elemenata (Yielded finite elements) 619

Plastično

0,069

567

165

-

Plastično

0,0576

475

136

38

Plastificirana zona oko tunala podgrađenog sidrima i mlaznim betonom je puno manja u odnosu na nepodgrađeni i tunel podgrađen samo sidrima (vidi tablicu 2.5.3.2.1). Kombinacija mlaznog betona i sidara značajno je smanjila maksimalne pomake na konturi iskopa. Maksimalni pomak je još uvijek u podu tunela što može upućivati na potrebu ojačanja poda. To se može učiniti ili ugradnjom debljeg mlaznog betona ili produbljenjem podnožnog svoda. Vidljiva je efikasnost poprečnog presjeka-2 u odnosu na poprečni presjek-1. Naime, broj slomlejnih konačnih elemenata kao i broj slomljenih elemenata sidara i mlaznog betona značajno je manji kod poprečnog presjeka-2.

30

Podzemne građevine i tuneli

2.5.3.3 Analiza podjele opterećenja Prethodne analize podgrađenog tunela pretpostavljaju da se podgrada ugradi odmah nakon iskopa i da nema ni najmanjeg pomaka konture iskopa prije ugradnje podgrade. To naravno nije realno, jer pomaci se uvijek dese prije podgrađivanja.

Radijalni pomak dostiže konačnu vrijednost na oko 4,5 promjera tunela iza čela iskopa

Deformacija čela tunela

Pravac napredovanja tunela

Radijalni pomak dostiže oko trećine konačne vrijednosti na čelu tunela Radijalni pomak počinje na nekoj udaljenosti ispred čela iskopa (od pola do dva i pol promjera tunela

Slika 2.5.3.3.1

Radijalni pomak u okolini čela tunela (nije u mjerilu)

Napredovanje tunela Stabilan tunel 0,5 do 2,5 D

Podgrađeni tunel

D

Nestabilan tunel

u

Slika 2.5.3.3.2

Radijalni pomak desi se i u neiskopanom dijelu tunela (Hoek, Kaiser, Bawden, 1995 str.104)

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

Treba primjetiti da radijalni pomak konture iskopa: • • •

počinje na nekoj udaljenosti ispred čela tunela (oko 2,5 promjera tunela), dostiže oko trećine konačne vrijednosti na čelu tunela, dostiže maksimum na udaljenosti 4,5 promjera tunela iza čela iskopa.

Važno je primjetiti da i kod nepodgrađenog tunela, čelo tunela (tunnel face) predstavlja prividni tlak podgrade (apparent support pressure). Ovaj prividni tlak podgrade osigurava stabilnost u periodu od iskopa da ugradnje podgrade. Plastificiranje stijene u okolini iskopa ne znači da će doći do kolapsa tunela. Slomljeni materijal (failed material) još ima značajnu čvrstoću. Kada je debljina plastificirane zone mala u odnosu na promjer tunela, može se pojaviti manji broj prslina i manji opseg ljuštenja (raveling or spalling) Kada je plastificirana zona velika, doći će razrahljenja stijene što će za posljedicu imati pomake konture iskopa i eventualno do kolapsa tunela. Primarna funkcija podgrade je kontrola pomaka konture iskopa (inward displacement of the walls) radi sprečavanja razrahljenja koje može dovesti do kolapsa tunela. Ugradnjom podgrade (sidra mlazni beton, čelični lukovi) ne može se spriječiti slom (failure) stijene u okolini tunela koja je izložena značajnom preopterećenju, ali će ona imati značajnu ulogu u kontroli deformiranja tunela.

31

Podzemne građevine i tuneli

Opcija dijeljenja opterećenja dopušta korisniku da podjeli opterećenje na podgradu koje je posljedica primarnih naprezanja (field stress induced load) između pojedinih faza (stage) modeliranja i da ne primjeni cjelokupna primarna naprezanja u prvoj fazi analize. Na taj način se dijeljenje opterećenja može koristiti za simulaciju kasnije ugradnje podgrade (nakon što se već neki pomak desio, što ne možemo izbjeći). U prvoj fazi analizira se stabilnost nepodgrađenog a u drugoj fazi podgrađenog tunela. To se može napraviti na sljedeći način: • • •

Potrebno je odabrati opciju višefaznog modela te definirati model u dvije faze Koristeći opciju dijeljenja opterećenje, pretpostavimo da se u prvoj fazi realizira 30% a u drzgoj fazi 70% opterećenja. Podgrada (sidra i mlazni beton) ugrađuju se u fazi 2

Slika 2.5.3.3.3

Dialog box za definiranje višefaznog iskopa tunela

Na ovaj način se modelira radijalna deformacija konture iskopa prije ugradnje podgrade (faza 1). Podgrada ugrađena u drugoj fazi preuzima na sebe samo preostali dio opterećenja jer je u prvoj fazi već “potrošen” dio primarnih naprezanja.

32

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

33

pi=p0 Ukupno opterećenje (primarno naprezanje) Radijalni tlak podgrade pi

Dio ukupnog opterećenja koji je «potrošen» u prvoj fazi (prije ugradnje podgrade) U našem slučaju –30%

Ps Psm

u0 PRVA FAZA Nepodgrađen iskop u0-Pomak konture iskopa prije ugradnje podgrade

radijalni pomak u

usm

DRUGA FAZA Ova faza počinje s ugradnjom podgrade. Kao što se vidi podgrada će u trenutku ugradnje biti opterećena samo sa 70% ukupnog opterećenja. Deformabilna će podgrada potpuno stabilizirati tunel preuzimanjem opterećenja Ps. usm-Ukupan radijalni pomak podgrade Psm-Opterećenje koje deformabilna podgrada preuzima na sebe Ps-Ukupna nosivost podgrade (kapacitet podgrade) Ps - Psm= Neiskorišteni dio nosivosti podgrade

Slika 2.5.3.3.4

Karakteristična krivulja stijenske mase i karakteristična krivulja podgrade

U našem primjeru usvojit ćemo sljedeće faktore podjele opterećenja: Faktor podjele opterećenje (split factor) za FAZU 1: 0,3 Faktor podjele opterećenje (split factor) za FAZU 2: 0,7 Opcija 0,3/0,7 dijeljenja pretpostavlja da je 30% ukupnog opterećenja “potrošeno” tijekom deformiranja nepodgrađenog tunela. Faktor podjele opterećenja može se izračunati trodimenzionalnom naponsko-deformacijsakom analizom zone ispred i iza čela iskopa uzimajući u obzir udaljenost mjesta ugradnje podgrade od čela (vidi slike 2.5.3.3.1 i 2.5.3.3.2).

34

Podzemne građevine i tuneli

Faza 1 Prva faza iskopa podrazumjeva naponsko-deformacijsku analizu nepodgrađenog tunela. U ovoj fazi realizira se samo 30% ukupnih primarnih naprezanja (30% ukupnog opterećenja).

Faktor podjele opterećenja (split factor) za FAZU 1 F1= 0,3

479 Yielded finite elements Slika 2.5.3.3.5

Izolinije faktora čvrstoće i slomljeni konačni elementi u prvoj fazi iskopa (nepodgrađeni tunel). Plastična analiza, (poprečni presjek-1)

Faktor podjele opterećenja (split factor) za FAZU 1 F1= 0,3

406 Yielded finite elements Slika 2.5.3.3.6

Izolinije faktora čvrstoće i slomljeni elementi u prvoj fazi iskopa (nepodgrađeni tunel). Plastična analiza, (poprečni presjek-2)

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

35

Faktor podjele opterećenje (split factor) za FAZU 1 F1= 0,3

Maksimalni pomak: 0,0178 m Slika 2.5.3.3.7

Izolinije i vektori pomaka u prvoj fazi iskopa (nepodgrađeni tunel). Plastična analiza, (poprečni presjek-1).

Faktor podjele opterećenje (split factor) za FAZU 1 F1= 0,3

Maksimalni pomak: 0,0166 m Slika 2.5.3.3.8

Izolinije i vektori pomaka u prvoj fazi iskopa (nepodgrađeni tunel). Plastična analiza, (poprečni presjek-2).

36

Podzemne građevine i tuneli

Faza 2 U drugoj fazi se analizira naponsko-deformacijsko stanje podgrađenog tunela sidrima i mlaznim betonom. U ovoj fazi realizira se preostalih 70% ukupnih primarnih naprezanja (70% ukupnog opterećenja).

Faktor podjele opterećenje (split factor) za FAZU 2 F2= 0,7

639 Yielded finite elements 122 Yielded bolt elements 4 Yielded liner elements Slika 2.5.3.3.9

Izolinije faktora čvrstoće i slomljeni konačni elementi u drugoj fazi iskopa (podgrađeni tunel). Plastična analiza, (poprečni presjek-1)

Faktor podjele opterećenje (split factor) za FAZU 2 F2= 0,7

555 Yielded finite elements 109 Yielded bolt elements 0 Yielded liner elements Slika 2.5.3.3.10

Izolinije faktora čvrstoće i slomljeni elementi u drugoj fazi iskopa (podgrađeni tunel). Plastična analiza, (poprečni presjek-2)

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

37

Faktor podjele opterećenje (split factor) za FAZU 2 F2= 0,7

Maksimalni pomak: 0,0634 m Slika 2.5.3.3.11

Izolinije i vektori pomaka u prvoj fazi iskopa (nepodgrađeni tunel). Plastična analiza, (poprečni presjek-1).

Faktor podjele opterećenje (split factor) za FAZU 2 F2= 0,7

Maksimalni pomak: 0,058 m Slika 2.5.3.3.12

Izolinije i vektori pomaka u prvoj fazi iskopa (nepodgrađeni tunel). Plastična analiza, (poprečni presjek-2).

38

Podzemne građevine i tuneli

Analiza rezultata proračuna sa djeljenjem opterećenja Za poprečni presjek-1, maksimalni pomak u Fazi 1 iznosi 0,0178 m, a u Fazi 2-0,0634 m. Omjer pomaka u prvoj i drugoj fazi je 0,0178/0,0634 = 0,27, što iznosi oko 30%. Ovo se grubo poklapa sa podjelom opterećenaj u odnosu 30/70%. Bolje slaganje ne treba ni očekivati kod ovakvih analiza. Slično je kod poprečnog presjeka-2. Maksimalni pomak u Fazi 1 iznosi 0,0166 m a u Fazi 20,058 m. Omjer pomaka u prvoj i drugoj fazi je 0,0166/0,058 = 0,286, što iznosi oko 30%. Tablica 2.5.3.3.1 Efekt dijeljenja opterećenja (simuliranje ugradnje podgrade nakon što se određeni pomak već desio) Faktori dijeljenja opterećenja 0,3/07 Ponašanje stijenske mase

Maksimalni pomak (m)

Broj slomljenih konačnih elemenata (Yielded finite elements) PP-1 PP-2 699 619

Broj slomljenih elemenata sidara (Yielded bolt elements)

Broj slomljenih elemenata mlaznog betona (Yielded liner elements) PP-1 PP-2 -

PP-1 PP-2 PP-1 PP-2 Nepodgrađeni tunel Elastično 0,048 0,0457 Nepodgrađeni tunel Plastično 0,0789 0,0773 Podgrađeni tunel Plastično 0,0714 0,069 659 567 162 165 0 0 Sidra Podgrađeni tunel Plastično 0,0670 0,056 592 475 150 132 63 38 Sidra+mlazni beton Efekt dijeljenja opterećenja (simuliranje ugradnje podgrade nakon što se određeni pomak već desio) Faktori dijeljenja opterećenja 0,3/07 Faza 1 Plastično 0,0178 0,0166 479 406 Faza 2 Plastično 0,0634 0,058 639 555 122 109 4 0 Kazalo: PP-1 Poprečni presjek-1 PP-2 Poprečni presjek-2

Treba istaknuti da je primarni efekt djeljenja opterećenja bio smanjenje broja slomljenjih elemenata sidara i podgrade od mlaznog betona čime se poboljšava modeliranje podgradnih elemenata. Dopuštajući da se desi pomak prije ugradnje podgrade u prvoj fazi, dopustili smo povećanje broja slomljenih konačnih elemenata stijenske mase kako bi postigli smanjenje broja slomljenih elemenata podgrade.

Primjer: Numeričko modeliranja tunela u slabim stijenama

39

Utjecaj deformabilnosti (krutosti) sidara na rezultate analize Sve do sada napravljene analize pretpostavljaju upotrebu krutih štapnih sidara sa modulom elastičnosti od 200 GPa. Pogledajmo što će se desiti ako upotrebimo deformabilnija sidra sa modulom elastičnosti od 75 GPa (ovaj modul ima čelični kabl sa sedam užadi). Ako ponovimo plastičnu analizu za tunel podgrađen sidrima i mlaznim betonom za drugu fazu podjele opterećenja uvođenjem modula deformabilnosti sidara u iznosu od 75 GPa, dobit ćemovrijednosti prikazane u tablici 2.5.3.3.2 Tablica 2.5.3.3.2 Utjecaj modula elastičnosti sidara na rezultate analize (proračun za drugu fazu podjele opterćenja) Modul elastičnosti sidara (MPa)

Ponašanje stijenske mase

200,000 MPa Plastično 75,000 MPa Plastično Kazalo: PP-1 Poprečni presjek-1 PP-2 Poprečni presjek-2

Maksimalni pomak (m) PP-1 0,0714 0,0721

PP-2 0,069 0,070

Broj slomljenih konačnih elemenata (Yielded finite elements) PP-1 PP-2 592 475 602 454

Broj slomljenih elemenata sidara (Yielded bolt elements) PP-1 150 36

PP-2 132 19

Broj slomljenih elemenata mlaznog betona (Yielded liner elements) PP-1 PP-2 63 38 64 25

Može se primjetiti da faktor čvrstoće (broj slomljenih konačnih elemanata) i maksimalni pomaci ne ovise o krutosti sidara. Povećanjem deformabilnosti (smanjenjem krutosti) sidara značajno se reducira broj slomljenih elemenata sidara.

Podzemne građevine i tuneli

2.6 Zaključci 1. Plastificiranje stijenske mase u okolini tunela ne znači da će doći do urušavanja tunela. Slomljeni materijal može još uvijek imati značajnu čvrstoću što će ograničiti debljinu plastificirane zone u odnosu na polumjer tunela. Plastifikacija se nakada može manifestirati samo kao nekoliko prslina ili kao ljuštenja konture tunela manjeg opsega. 2. Kada se u okolini tunela formira velika plastificirana zona i kada pomaci na konturi iskopa tunela poprimaju značajne vrijednosti, može doći do urušavanja nepodgrađenog tunela. 3. Primarna funkcija podgrade je kontrola pomaka na konturi iskopa te spriječavanje razrahljenja stijenske mase. U protivnom može doći do urušavanja tunala. Ugradnja podgrade (sidra, mlazni beton, čelični lukovi) ne može spriječiti slom značajno prenapregnute stijene u okolini tunela. Međutim, podgrada ima glavnu ulogu u kontroli deformiranja tunela. 1. Samo sidrenje nema značajan utjecaj na smanjenje plastificirane zone u okolini tunela niti na reduciranje pomaka konture iskopa u odnosu na nepodgrađeni tunel. 2. Sidrenje u kombinaciji s mlaznim betonom, značajno reducira broj slomljenih konačnih elemenata kao i pomake konture iskopa. Mlazni beton također smanjuje broj slomljenih elemenata sidara. 3. Sve analize, i elastična i plastične, pokazuju da je poprečni presjek-2 (podnožni svod) povoljniji sa aspekta stabilnosti iskopa u odnosu na poprečni presjek-1 (ravni pod tunela). 4. Tablica 2.5.3.3.1 prikazuje utjecaj deformabilnosti sidara na broj slomljenih elemenata sidra i maksimalni pomak. Može se primjetiti da faktor čvrstoće (broj slomljenih konačnih elemanata) i maksimalni pomaci ne ovise o krutosti sidara. Povećanjem deformabilnosti (smanjenjem krutosti) sidara značajno se reducira broj slomljenih elemenata sidara. Iz ovoga se može izvući zaključak da su kruta štapna sidra previše kruta za slabu i značajno napregnutu stijensku masu. Visoka krutost armiranja nije kompatibilna sa velikim plastičnim deformacijama koje se dešavaju u okolini iskopa što rezultira preopterećenjem (slomom) veze čelične šipke i injekcijske smjese. Manje kruta sidra (više deformabilna) imaju identičnu nosivost (u smislu ograničenje razvoja plastične zone i ograničenjea deformacija) kao i kruta štapna sidra. Međutim, kod deformabilnijih sidara (kablovi) veza sidra i injekcijske smjese bit će značajno manje preopterećena. 5. Primarni efekt djeljenja opterećenja (load spliting) je smanjenje broja slomljenjih elemenata sidara i podgrade od mlaznog betona čime se poboljšava modeliranje podgradnih elemenata. Dopuštajući da se desi pomak prije ugradnje podgrade u prvoj fazi, dopustili smo povećanje broja slomljenih konačnih elemenata stijenske mase kako bi postigli smanjenje broja slomljenih elemenata podgrade.

40