Page 1
Akademia Górniczo - Hutnicza im. Stanisława Staszica
w Krakowie
PROJEKT NR 2
ZAAWANSOWANE PROBLEMY GEOTECHNICZNE Wstępna propozycja obudowy tunelu komunikacyjnego
zlokalizowanego na niewielkiej głębokości
Projekt sprawdzała: Projekt wykonała: mgr inż. Agnieszka Stopkowicz Kamila Miłoch
Page 2
1
Spis treści
1. CEL PROJEKTU...................................................................................................................................... 2
2. DANE DO PROJEKTU (zestaw nr 1) ...................................................................................................... 2
3. ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE.................................................................................................................... 3
3.1. ETAPY DRĄŻENIA TUNELU ............................................................................................................ 3
3.2. OBUDOWA WSTĘPNA I OSTATECZNA .......................................................................................... 5
4. ANALIZA SYMULACJI NUMERYCZNEJ ................................................................................................... 6
5. PROCES MODELOWANIA NUMERYCZNEGO DLA ODWZOROWANIA PRZEBIEGU DRĄŻENIA TUNELU
............................................................................................................................................................... 13
6. WPŁYW WYKONANIA TUNELU NA POWIERZCHNIE TERENU ............................................................ 14
Page 3
2
1. CEL PROJEKTU
Celem projektu jest przeprowadzenie symulacji numerycznej dla oceny stateczności
projektowanego tunelu, dostarczenie informacji dla projektanta o siłach wewnętrznych i
deformacjach obudowy. Do przeprowadzenia obliczeń wykorzystano program Phase2 8.0.
2. DANE DO PROJEKTU (zestaw nr 1)
o wymiary tunelu:
szerokość: s = 6,1 [m],
wysokość: h = 5,6 [m],
o głębokość stropu tunelu: H = 15,5 [m],
o nachylenie spękań uwarstwienia: α = 19 [°],
o założenia:
nachylenie spękań uwarstwienia liczone zgodnie z ruchem wskazówek zegara,
spękania są otwarte na kontakcie z wyrobiskiem oraz powierzchnią terenu,
kontakt masywu skalnego z obudową: 2/3 kąta tarcia masywu,
o rozstaw spękań uwarstwienia: r1 = 2,03 [m],
o rozstaw spękań ciosowych: r2 = 1,87 [m].
Rys. 1. Geometria.
Page 4
3
o właściwości ośrodka:
Tab. 1. Parametry mechaniczne skały i spękań.
PARAMETR JEDNOSTKA SPĘKANIA SKAŁA UWARSTWIENIA CIOSOWE
Moduł sprężystości E
MPa - - 215
Współczynnik Poissona ν
- - - 0,33
Ciężar objętościowy γ
kN/m3 - - 22
Spójność c kPa 10,25 0,25 40,2
Kąt tarcia φ stopień 9,1 20,25 20,1
kn=ks MPa/m 110 210 -
Wytrzymałość na jednoosiowe rozciąganie Rr
kPa - - 20,1
3. ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE
3.1. ETAPY DRĄŻENIA TUNELU
Koncepcja budowy tunelu według NATM (Nowa Austriacka Metoda Budowy Tuneli)
wymaga dążenia do wykorzystania możliwie w jak największym stopniu efektu samonośności
górotworu w którym prowadzone jest wyrobisko. Zasadniczym elementem tunelu jest
otaczający górotwór i dlatego należy w taki sposób wykonywać wyłom, aby w miarę
możliwości utrzymać pierwotną wytrzymałość skał otaczających tunel, a po wykonaniu
wyłomu nie dopuścić do rozluźnienia skał, powstania szczelin, spękań. Aby ograniczyć do
minimum strefę zniszczenia zaleca się drążyć tunel za pomocą kombajnu lub tarczy
wiertniczej. Podczas drążenia tunelu w przodku wykonywane są następujące prace:
urabianie czoła przodka tunelu, zakładanie obudowy wstępnej, usuwanie urobionej skały.
Drążenie tunelu wykonuje się etapami, dzieląc go na części. Przodek tunelu może być
urabiany w sposób konwencjonalny przodkiem ustępliwym lub z wykorzystaniem sztolni
pilotowej. W projekcie natomiast zastosowano stosunkowo nową metodę wyprzedzającego
drążenia wyrobisk ociosowych. W metodzie tej na początku drążone są i obudowywane
wyrobiska ociosowe. Obudowa tych wyrobisk stanowi podporę dla obudowy kaloty, która
jest następnie wykonywana. Na końcu należy zrealizować ostatnią część spągową. Ten
sposób urabiania jest znacznie droższy i wolniejszy niż metoda drążenia przodkiem
ustępliwym i stosuje się go w przypadku występowania skał o niskich parametrach
wytrzymałościowych.
Page 5
4
Kolejne etapy drążenia tunelu:
Rys. 2. Etapy drążenia tunelu: a) faza I, b) faza II, c) faza III, d) faza IV, e) faza V, f) faza VI.
Page 6
5
3.2. OBUDOWA WSTĘPNA I OSTATECZNA
Projektując obudowę dla tunelu spośród wielu czynników należy wziąć pod uwagę
przede wszystkim dwa: bezpieczeństwo i ekonomię. Obudowa powinna spełniać warunki
bezpieczeństwa zarówno podczas jej wykonywania, jaki i później w czasie eksploatacji oraz
powinna być w miarę tania (dotyczy to kosztu zakupu, wykonania i eksploatacji).
Obudowę tymczasową stosuję się, aby zabezpieczyć stateczność w rejonie przodka
tunelu podczas jego wykonywania. W niedużej odległości od czoła przodka zakłada się
obudowę ostateczną. W trakcie zabudowywania obudowy ostatecznej obudowa tymczasowa
jest rozbierana.
Obudowa wstępna jest zakładana dla zapewnienia stateczności tunelu podczas jego
wykonywania na odcinku od czoła przodka aż do miejsca założenia obudowy ostatecznej. Nie
jest ona rozbierana przed założeniem obudowy ostatecznej, lecz stanowi jej istotną część. Na
tę obudowę działają obciążenia i deformacje pochodzące od masywu skalnego. Obciążenia te
zmieniają się wraz z postępem przodka tunelu (podczas każdego kroku postępu przodka do
momentu założenia następnego odcinka obudowy wstępnej wzrastają obciążenia na
istniejącą już obudowę wstępną). Z tego względu w optymalnej odległości od czoła przodka
powinna być założona obudowa ostateczna.
Obudowa ostateczna ma zapewnić stateczność tunelu przez cały przewidziany czas
jego istnienia i pozwolić na pełnienie zasadniczych funkcji, dla których wykonano ten tunel.
Obudowa wstępna i tymczasowa składa się z kotew linowych i powłoki ze zbrojonego
betonu natryskowego.
Właściwości kotew linowych:
• długość kotwy Lk = 6 m na obwodzie;
• wytrzymałość na rozciąganie (odpowiada sile), Rrk = 100 kN;
• średnica otworu do = 30 mm, średnica kotwy dk = 22 mm;
Dla powłoki betonu natryskowego przyjęto następujące parametry:
• grubość dw1 = 0,3m dla powłoki na obwodzie tunelu;
• grubość dw2 = 0,2m w powłokach tymczasowych wewnątrz wyrobiska, oddzielających
fazy drążenia;
• moduł sprężystości Eow =5000 MPa dla powłoki świeżo zainstalowanej w analizowanej
fazie drążenia;
• Eow = 10000 MPa dla części powłok wykonanych w poprzednich fazach drążenia;
Właściwości dla obudowy ostatecznej :
• grubość doo = 0,5m;
• moduł sprężystości Eoo = 30 000 MPa;
• ciężar objętościowy oo = 26 kN/m3;
Page 7
6
4. ANALIZA SYMULACJI NUMERYCZNEJ
Dla analizy mechanizmów współpracy obudowy z masywem skalnym rozpatrzono
problem obudowy tunelu o wysokości 5,6 m i szerokości 6,1 m, którego strop zlokalizowany
jest na głębokości 15,5 m. Problem rozpatrzono w płaskim stanie odkształcenia. Po
wykonaniu kilkunastu symulacji numerycznych z zastosowaniem programu Phase 2
określono ostateczne parametry obudowy zapewniające stateczność wyrobiska.
Czynniki wpływające na warunki utrzymania stateczności projektowanego tunelu
można podzielić na naturalne (rodzaj skał, własności skał, tektonika masywu, zagrożenia
naturalne, warunki hydrogeologiczne) oraz górnicze (głębokość, gabaryty wyrobiska, kształt
wyrobiska, rodzaj obudowy, technologia drążenia, okres istnienia, koncentracja naprężeń,
odprężenia, zmiany własności skał). Wymienione czynniki wskazują na możliwość ich
występowania w różnych układach i kombinacjach.
Podstawowymi danymi przyjmowanymi w procesie doboru obudowy są informacje o
budowie geologicznej górotworu. Własności skał mogą ulegać zmianie w ujęciu czasowym.
Prowadzenie w rejonie tunelu robót powoduje tworzenie się pól naprężeń i przemieszczeń,
które wywoływać mogą przekroczenie w skałach stanu granicznego i w efekcie trwałe zmiany
własności skał. Analizując budowę geologiczną górotworu jako czynnika wpływającego na
złożoność warunków utrzymania stateczności wyrobisk korytarzowych, należy uwzględnić
również tektonikę masywu.
Na warunki utrzymania stateczności wyrobisk, obok warunków naturalnych, znaczący
wpływ mają warunki górnicze. Wyrobiska korytarzowe zlokalizowane w polach
eksploatacyjnych narażone są na wpływy krawędzi eksploatacyjnych, czynnego frontu
eksploatacyjnego czy wstrząsów górotworu. Wymienione czynniki powodują występowanie
stref koncentracji naprężeń i pól zwiększonych przemieszczeń tworzących lokalnie zmienne
warunki utrzymania stateczności wyrobisk.
Poniżej przedstawiono rysunki przemieszczeń całkowitych dla III, VI i VII etapu
wykonywania tunelu.
Rys. 3. Przemieszczenia całkowite (faza 3). Max=12 [cm].
Page 8
7
Rys. 4. Przemieszczenia całkowite (faza 6). Max=27 [cm].
Rys. 5. Przemieszczenia całkowite (faza 7). Max=29 [cm].
Dla prawidłowego projektowania parametrów torkretu (betonu natryskowego)
istotna jest wiedza o możliwych mechanizmach jego zniszczenia. Mechanizmy te mogą
zachodzić przy założeniu, że torkret jest zastosowany razem z kotwiami. W przypadku utraty
kontaktu pomiędzy warstwą torkretu i konturem wyrobiska może występować zniszczenie
warstwy torkretu na skutek występowania naprężeń normalnych (ściskających i
rozciągających) pochodzących od zginania. Zniszczenie torkretu w przypadku odspojenia
może także wynikać z oddziaływania naprężeń ścinających. Zniszczenie warstwy betonu
natryskowego jest także możliwe w razie zachowania dobrego przylegania(braku odspojenia)
do konturu wyrobiska. Tutaj mogą wystąpić trzy mechanizmy zniszczenia. W pierwszym z
nich zniszczenie może następować na skutek czystego ścinania, a w drugim na skutek
rozciągania i wreszcie w trzecim na skutek ściskania.
Poniżej dla porównania przedstawiono rysunki sił osiowych oraz momentów
zginających w elementach obudowy powłokowej w fazach drążenia: III, V i VII.
Page 9
8
Rys. 6. Siły osiowe w elementach obudowy powłokowej (faza 3).
Rys. 7. Siły osiowe w elementach obudowy powłokowej (faza 5).
Rys. 8. Siły osiowe w elementach obudowy powłokowej (faza 7).
Page 10
9
Rys. 9. Momenty zginające w elementach obudowy powłokowej (faza 3).
Rys. 10. Momenty zginające w elementach obudowy powłokowej (faza 5).
Rys. 11. Momenty zginające w elementach obudowy powłokowej (faza 7).
Page 11
10
Na podstawie przeprowadzonych obliczeń można stwierdzić, że w miarę wzrostu
modułu Younga betonu natryskowego rosną wartości normalnych naprężeń ściskających w
elementach belkowych. Ponad to w miarę wzrostu grubości betonu natryskowego maleją
wartości naprężeń ściskających w elementach belkowych.
Dla analizowanego przypadku istnieje pewna optymalna grubość warstwy betonu
natryskowego zapewniająca stateczność wyrobiska.
Elementy belkowe dość dobrze mogą symulować współpracę torkretu z masywem
skalnym otaczającym tunel. Analiza naprężeń normalnych występujących w elementach
belkowych symulujących beton natryskowy pozwala na dobranie jego parametrów
wytrzymałościowych i odkształceniowych.
Z przeprowadzonych obliczeń wynika, że obudowa ostateczna tunelu powinna
składać sie z warstwy 0,5 m betonu natryskowego oraz kotwi linowych o długości 6 m
mocowanych na całej długości. Na poniższych rysunkach przedstawiono wektory
przemieszczeń całkowitych, zasięg stref uplastycznienia w otoczeniu tunelu oraz siły osiowe
w kotwiach linowych w poszczególnych fazach drążenia.
Rys. 12. Wektory przemieszczeń całkowitych oraz zasięg stref uplastycznienia (faza 3).
Page 12
11
Rys. 13. Wektory przemieszczeń całkowitych oraz zasięg stref uplastycznienia (faza 5).
Rys. 14. Wektory przemieszczeń całkowitych oraz zasięg stref uplastycznienia (faza 7).
Page 13
12
Rys. 15. Siły osiowe w kotwiach (faza 3).
Rys. 16. Siły osiowe w kotwiach (faza 5).
Page 14
13
Rys. 17. Siły osiowe w kotwiach (faza 7).
Maksymalne przemieszczenia pionowe stropu tunelu są równe około 16 cm, zaś
przemieszczenia pionowe w spągu około 6 cm. Przemieszczenia poziome ociosów są
znacznie większe i osiągają maksymalne wartości równe 29 cm. Strefy uplastycznienia mają
stosunkowo najmniejszy zasięg w stropie wyrobiska (co jest zasługa przyjętych warunków
brzegowych). Maksymalne siły osiowe występują w kotwiach zlokalizowanych w ociosie
tunelu i osiągają one około 95% nośności kotwi. Siły osiowe w kotwiach stropowych są
mniejsze i wynoszą około 54% nośności kotwi.
5. PROCES MODELOWANIA NUMERYCZNEGO DLA ODWZOROWANIA
PRZEBIEGU DRĄŻENIA TUNELU
Zastosowanie metod numerycznych pozwala na uwzględnienie znacznie większej
liczby czynników decydujących o przemieszczeniach masywu skalnego w otoczeniu
drążonego tunelu zarówno czynników fizyko-mechanicznych, jak i związanych z samym
procesem i technologią drążenia. Jednakże pojawiają się liczne problemy tzn. dobór
właściwego modelu geomechanicznego, przyjęcie poprawnych wartości masywu skalnego,
założenie odpowiednich warunków brzegowych. Te czynniki mają znaczący wpływ na
jakościowe, a zwłaszcza ilościowe wyniki obliczeń stanu przemieszczenia, naprężenia,
wytęzenia (co pozwala określić wielkość i zasięg stref spękań).
W skałach i gruntach plastycznych o niskich parametrach wytrzymałościowych zwykle
korzysta się z modelu sprężysto plastycznego. Ponad to w przypadku wykonywania tunelu
etapami dla uzyskania prawidłowych wyników w obliczeniach należy je uwzględnić, a nie
modelować tunel jakby wykonywany był jednoetapowo, bowiem prowadzi to do błędnych
wyników.
Page 15
14
W sprężysto-plastycznym modelu masywu skalnego możliwe jest prześledzenie
rozwoju stref plastycznych i związanych z tym przemieszczeń masywu skalnego. Wielkość
oraz zasięg stref plastycznych zależy w dużej mierze od przyjętych wartości parametrów
masywu skalnego oraz głębokości zalegania tunelu. Wraz ze wzrostem głębokości wykonania
tunelu rośnie zasięg stref plastycznych w jego otoczeniu. Zwiększanie średnicy wyrobiska
również powoduje wzrost ekstremalnych wartości poszczególnych składowych odkształceń
plastycznych oraz ich zasięgu, co przy małej głębokości może prowadzić do utraty
stateczności tunelu.
6. WPŁYW WYKONANIA TUNELU NA POWIERZCHNIE TERENU
Podczas drążenia tunelu następuje naruszenie pierwotnej struktury masywu
skalnego, co powoduje zmiany zachodzące w warstwach gruntowych, skalnych oraz w
wodach gruntowych. Te zmiany przejawiają się w postaci osiadania powierzchni terenu i
przemieszczeń warstw nadkładowych tunelu. W wyniku drążenia tunelu następuje: spadek
poziomu wód gruntowych oraz osiadanie spowodowane wybraniem gruntu lub skały
podczas drążenia tunelu.
Zasadniczy wpływ na charakter i wielkość deformacji powierzchni terenu mają:
- własności masywu skalnego występujące w rejonie drążonego tunelu,
- kształt, wymiary tunelu i głębokość posadowienia tunelu,
- dłuższe nieplanowane postoje podczas drążenia,
-zmiany prędkości drążenia tunelu spowodowane napotkaniem niespodziewanych
przeszkód,
- wpływ obiektów znajdujących się na powierzchni na przemieszczenia tunelu,
- czas drążenia tunelu.
W przypadku drążenia tunelu poprzez dzielenie przekroju tunelu na części w pobliżu
przodka zakłada się obudowę wstępną, a następnie w pewnej odległości od czoła przodka
drążonego tunelu wykonuje się ostateczną obudowę tunelu. Głównym zadaniem obudowy
wstępnej jest działanie aktywne na otaczający masyw skalny. Wywołuje ona ciśnienie (od
obudowy), które zapobiega rozwarstwieniom, spękaniom i rozluźnieniom masywu skalnego
oraz zabezpiecza przed opadem skał do tunelu. Jednakże obudowa ta w niewielkim stopniu
przeciwdziała przemieszczeniom masywu skalnego i powierzchni terenu. Dopiero po
założeniu obudowy ostatecznej przemieszczenia konturu wyrobiska i masywu skalnego
praktycznie ustają. Z tego powodu zasadnicza część przemieszczeń konturu wyrobiska i
masywu skalnego zachodzi w rejonie czoła przodka i obudowie wstępnej.