Διερεύνηση της στατικής αλληλεπίδρασης του περιβάλλοντος εδάφους - βράχου και της τελικής επένδυσης σηράγγων

Abstract

The present doctoral thesis investigates the static interaction between the tunnel final lining and the surrounding geomaterial and more specifically the loads that the geomaterial imposes on the final lining. Most of the methods that are mentioned in the literature, due to the simplifications they are based on, do not describe satisfactorily the mechanism of the studied phenomenon and consequently lead to a large scatter of the proposed load values. As well as, only few approaches are available for the long term behaviour of the temporary support, the distribution of tunnel loads and the evaluation of the time dependent behaviour of the surrounding geomaterial. The scope of the doctoral thesis is the investigation of the tunnel final lining loads induced by the surrounding geomaterial, following the whole evolution of the loads from the excavation and temporary support phase to the end of the project service life. The loads imposed on the temporary support shell of a circular tunnel are studied through three-dimensional numerical analyses and via statistical analysis of the results, equations and diagrams are proposed for the estimation of the mean pressure, the pressure on the roof and the side of the tunnel section and the complete pressure distribution around the tunnel section as a function of the Tunnel Load Factor (TLF). In order to investigate the transfer of the temporary support loads to the final lining, data from the literature concerning the long term behaviour of the temporary support measures are evaluated. Moreover, two-dimensional numerical analyses are carried out to study the role of the different temporary support measures and the mechanism of the load transfer from the temporary support to the final lining. Regarding the loads due to the creep behaviour of the surrounding geomaterial, a new set of parameters is proposed. These parameters provide the engineer with important information in a direct and friendly way regarding the magnitude and the variation rate of the creep deformation and they can be easily correlated with most of the widely used creep models. The breadth of the creep parameter values assumed in the numerical analyses is chosen according to the results of creep experiments from the literature. Hence, the additional creep loads are calculated via two-dimensional numerical viscoplastic analyses and they are correlated with the loads before creep development, the geometrical and the geotechnical parameters through the Creep Load Factor (CLF). Additionally, a simplified approach is proposed for the equivalent simulation of the creep phenomenon via the decrease of the geomaterial deformation modulus in a specific zone around the tunnel section using the Simplified Load Factor (SLF). The probabilistic characteristics of the final lining loads are determined through parametric probabilistic analyses using empirical, analytical and numerical methods. Based on these results, the reliability level of reinforced concrete sections, which are designed according to the current codes, is determined and new partial factors are proposed as a function of the design reliability level.

Η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη μελέτη της στατικής αλληλεπίδρασης της τελικής επένδυσης σηράγγων με το περιβάλλον γεωυλικό και πιο συγκεκριμένα τη φόρτιση που επιβάλλει το περιβάλλον γεωυλικό στην τελική επένδυση. Οι μέθοδοι που διατίθενται στη βιβλιογραφία υιοθετούν, συνήθως, απλοποιητικές παραδοχές για την εκτίμηση των φορτίων, δίχως να λαμβάνουν επαρκώς υπόψη το μηχανισμό του φαινομένου και συνεπώς να οδηγούν σε μεγάλη διασπορά προτεινόμενων τιμών. Επιπροσθέτως, ελάχιστες προτάσεις υπάρχουν στη βιβλιογραφία, όσον αφορά στο ρόλο της άμεσης υποστήριξης κατά την τεχνική διάρκεια ζωής του έργου, στη μορφή της κατανομής των φορτίων, αλλά και στο συνυπολογισμό της χρονικά εξαρτημένης συμπεριφοράς του περιβάλλοντος γεωυλικού. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της φόρτισης της τελικής επένδυσης ακολουθώντας τη διαδρομή των φορτίων, από τη διαδικασία της εκσκαφής και άμεσης υποστήριξης μέχρι το πέρας της τεχνικής διάρκειας ζωής του έργου. Αρχικά, διερευνάται η φόρτιση του κελύφους της άμεσης υποστήριξης κυκλικής σήραγγας μέσω αριθμητικών αναλύσεων με τριδιάστατα προσομοιώματα πεπερασμένων στοιχείων και μέσω στατιστικής επεξεργασίας των αποτελεσμάτων προτείνονται εξισώσεις και διαγράμματα για την εκτίμηση της τιμής του μέσου φορτίου, του φορτίου στην οροφή και την παρειά της διατομής καθώς και για την πλήρη κατανομή των φορτίων περί τη διατομή της σήραγγας, συναρτήσει του συντελεστή TLF (Tunnel Load Factor). Για την αξιολόγηση της μεταφοράς των φορτίων της άμεσης υποστήριξης στην τελική επένδυση, αρχικά συγκεντρώθηκαν στοιχεία από τη βιβλιογραφία που αφορούν στη μακροχρόνια συμπεριφορά και στην ανθεκτικότητα των μέτρων άμεσης υποστήριξης. Κατόπιν, μέσω αριθμητικών αναλύσεων με διδιάστατα προσομοιώματα μελετήθηκε ο ρόλος των διαφορετικών μέτρων της άμεσης υποστήριξης στην ανάληψη της φόρτισης και ο μηχανισμός μεταφοράς των φορτίων από την άμεση υποστήριξη στην τελική επένδυση, εφόσον θεωρηθεί απαξίωση της πρώτης. Όσον αφορά στα φορτία λόγω ερπυσμού του περιβάλλοντος γεωυλικού αρχικά προτείνονται παράμετροι για την περιγραφή της ερπυστικής συμπεριφοράς του γεωυλικού, οι οποίες παρέχουν άμεσα και με «φιλικό» ως προς το χρήστη τρόπο πληροφορίες, για το μέτρο και τον τρόπο μεταβολής των ερπυστικών παραμορφώσεων και μπορούν να συσχετιστούν εύκολα με οποιοδήποτε ερπυστικό προσομοίωμα. Κατόπιν, μέσω αριθμητικών ιξωδοπλαστικών αναλύσεων υπολογίστηκαν τα φορτία της τελικής επένδυσης λόγω ερπυσμού, τα οποία συσχετίζονται με τα φορτία πριν την επιβολή του ερπυσμού, τις γεωμετρικές και γεωτεχνικές παραμέτρους του προβλήματος μέσω του συντελεστή CLF (Creep Load Factor). Τέλος, προτείνεται απλοποιημένη μεθοδολογία για την ισοδύναμη προσομοίωση του ερπυσμού μέσω απομείωσης του μέτρου ελαστικότητας του περιβάλλοντος γεωυλικού σε συγκεκριμένη περιοχή γύρω από τη διατομή της σήραγγας με βάση το συντελεστή SLF (Simplified Load Factor). Για τη μελέτη των στοχαστικών χαρακτηριστικών των φορτίων της τελικής επένδυσης από το περιβάλλον γεωυλικό πραγματοποιήθηκαν πιθανοτικές αναλύσεις χρησιμοποιώντας εμπειρικές, αναλυτικές και αριθμητικές μεθόδους, από τις οποίες προέκυψαν εύρη για το συντελεστή μεταβλητότητας και τη μορφή της κατανομής των φορτίων. Στη συνέχεια, μελετήθηκε το επίπεδο αξιοπιστίας που εξασφαλίζεται σε διατομές ωπλισμένου σκυροδέματος με χρήση των επιμέρους συντελεστών μόνιμων φορτίων που υιοθετούνται από τους ισχύοντες κανονισμούς και τέλος προτείνονται επιμέρους συντελεστές για τα φορτία από το περιβάλλον γεωυλικό ανάλογα με το απαιτούμενο επίπεδο αξιοπιστίας του σχεδιασμού.