Kamila Miłoch

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

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

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.

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.

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.

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;

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].

7



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.

8

Rys. 6. Siły osiowe w elementach obudowy powłokowej (faza 3).



9

Rys. 9. Momenty zginające w elementach obudowy powłokowej (faza 3).



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).

11



12

Rys. 15. Siły osiowe w kotwiach (faza 3).


13


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.

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.

Documents

Kamila Miłoch