Περίληψη
Η διδακτορική διατριβή συνίσταται στην αριθμητική διερεύνηση της ευστάθειας και της παραμορφωσιακής συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής, με έμφαση στις αβαθείς σήραγγες, καθώς και της επίδρασης και της αποτελεσματικότητας συγκεκριμένων μεθόδων βελτίωσης της ευστάθειάς του και ελέγχου των παραμορφώσεων στην περιοχή μπροστά και πάνω από αυτό, μέσω τριδιάστατων αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων. Εντός των αστικών περιοχών οι απαιτήσεις και οι περιορισμοί κατά τη διάνοιξη σηράγγων πολλαπλασιάζονται. Αυξημένος βαθμός δυσκολίας προκύπτει κατ’ αρχήν λόγω του γεγονότος ότι η διάνοιξη γίνεται εντός συνήθως χαλαρών εδαφών (λόγω μικρού βάθους), αλλά και λόγω της περιορισμένης δυνατότητας ανακατανομής των τάσεων πάνω από τη σήραγγα, που έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία αστάθειας και σημαντικών παραμορφώσεων σε μέγεθος και εύρος, ακόμα και όταν η αντοχή του εδάφους δεν είναι πολύ χαμηλότερη από την επιτόπου τάση. Επιπλέον, μια ενδεχόμενη αστάθεια και κατάρρευση έχει σημαντικά δυσμενέστερες συνέπειες ...
Η διδακτορική διατριβή συνίσταται στην αριθμητική διερεύνηση της ευστάθειας και της παραμορφωσιακής συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής, με έμφαση στις αβαθείς σήραγγες, καθώς και της επίδρασης και της αποτελεσματικότητας συγκεκριμένων μεθόδων βελτίωσης της ευστάθειάς του και ελέγχου των παραμορφώσεων στην περιοχή μπροστά και πάνω από αυτό, μέσω τριδιάστατων αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων. Εντός των αστικών περιοχών οι απαιτήσεις και οι περιορισμοί κατά τη διάνοιξη σηράγγων πολλαπλασιάζονται. Αυξημένος βαθμός δυσκολίας προκύπτει κατ’ αρχήν λόγω του γεγονότος ότι η διάνοιξη γίνεται εντός συνήθως χαλαρών εδαφών (λόγω μικρού βάθους), αλλά και λόγω της περιορισμένης δυνατότητας ανακατανομής των τάσεων πάνω από τη σήραγγα, που έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία αστάθειας και σημαντικών παραμορφώσεων σε μέγεθος και εύρος, ακόμα και όταν η αντοχή του εδάφους δεν είναι πολύ χαμηλότερη από την επιτόπου τάση. Επιπλέον, μια ενδεχόμενη αστάθεια και κατάρρευση έχει σημαντικά δυσμενέστερες συνέπειες στην κοινωνία, ενώ ουσιαστικά αλλάζει και η σημασία της έννοιας «αστοχία», καθώς πλέον σχετίζεται όχι μόνο με κατάρρευση της σήραγγας, αλλά και με οποιοδήποτε αποτέλεσμα το οποίο θα έχει συνέπειες μη ανεκτές από το αστικό περιβάλλον (βλάβες σε κτίρια, κάποια από τα οποία έχουν μηδαμινή ανοχή σε μετακινήσεις, σε δίκτυα κοινής ωφέλειας, σε μνημεία σημαντικής πολιτιστικής αξίας, σε δρόμους σημαντικής κυκλοφορίας κ.λπ.). Υπό το πρίσμα αυτό, καθίσταται εξαιρετικά σημαντικός ο περιορισμός σε πολύ χαμηλά επίπεδα των προκαλούμενων παραμορφώσεων και ειδικά αυτών που λαμβάνουν χώρα μπροστά από την εκσκαφή και μέχρι την εγκατάσταση της υποστήριξης της σήραγγας, καθώς εάν η τελευταία έχει μεγάλη δυσκαμψία, μπορεί να παραλάβει τα (σχετικά περιορισμένα λόγω μικρού βάθους) φορτία του εδάφους με αμελητέες πρόσθετες παραμορφώσεις. Το στοίχημα επομένως επικεντρώνεται στην ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής και τον έλεγχο της παραμορφωσιακής συμπεριφοράς του πυρήνα προώθησης (του προς εκσκαφή δηλαδή γεωυλικού μπροστά από τη σήραγγα). Εξάλλου, η εμπειρία έχει δείξει ότι το μεγαλύτερο ποσοστό αστοχιών σε σήραγγες, και ειδικά σε αβαθείς - αστικές, προκύπτει στο μέτωπο εκσκαφής ή πλησίον αυτού, ενώ ακόμα και σήμερα η κατάρρευση του μετώπου αβαθών σηράγγων αποτελεί πρόβλημα που προκαλεί σοβαρές κατασκευαστικές καθυστερήσεις και οικονομικές επιβαρύνσεις. Η ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής σηράγγων, ιδιαίτερα των αβαθών, είναι ένα θέμα που έχει απασχολήσει πολλούς ερευνητές κατά το παρελθόν, οι οποίοι κατέδειξαν τη σημαντικότητά του για την ασφαλή κατασκευή σηράγγων. Οι σημαντικότερες ερευνητικές προσπάθειες έχουν επικεντρωθεί στην εκτίμηση της απαιτούμενης πίεσης αντιστήριξης του μετώπου ώστε αυτό να είναι οριακά ευσταθές. Οι προτάσεις που έχουν δημοσιευθεί βασίζονται σε πειραματικά δεδομένα (δοκιμές σε φυγοκεντριστή, σε προσομοιώματα σηράγγων μικρής κλίμακας κλπ.), σε αναλυτικές μεθοδολογίες (επιλύσεις κάτω ορίου με αποδεκτό πεδίο τάσεων ή άνω ορίου με θεώρηση συγκεκριμένου μηχανισμού αστοχίας) αλλά και, προσφάτως, σε αριθμητικές αναλύσεις συνεχούς ή ασυνεχούς μέσου. Το πλήθος των διαθέσιμων μεθοδολογιών και εργασιών βασίστηκε σε διαφορετικές παραδοχές, με αποτέλεσμα το εύρος τιμών που προκύπτει από αυτές για δεδομένες γεωτεχνικές συνθήκες να είναι συχνά πολύ σημαντικό. Επιπλέον, μικρή μόνο σύνδεση έχει έως τώρα πραγματοποιηθεί μεταξύ της ευστάθειας και της παραμορφωσιμότητας του μετώπου εκσκαφής, παρόλο που το αυστηρότερο κριτήριο σχεδιασμού σε σήραγγες μικρού βάθους σε αστικό περιβάλλον αφορά σε παραμορφώσεις (οριακή κατάσταση λειτουργικότητας). Τέλος, η πλειονότητα των μεθοδολογιών σχεδιασμού αφορά κυρίως σε σήραγγες που διανοίγονται με μηχανήματα ολομέτωπης κοπής (TBM) και επιβολή πίεσης αντιστήριξης στο μέτωπο, ενώ ο σχεδιασμός των μέτρων βελτίωσης της ευστάθειας του μετώπου κατά τη συμβατική διάνοιξη σηράγγων γίνεται ακόμα κυρίως με βάση τη διαθέσιμη εμπειρία. Στο πλαίσιο αυτό επιχειρείται αρχικά (Κεφάλαιο 5), μέσω αποτελεσμάτων τριδιάστατων αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων, να συνδεθεί ο βαθμός ευστάθειας του μετώπου εκσκαφής σήραγγας, χωρίς την εφαρμογή μέτρων αντιστήριξης, ενίσχυσης ή προστασίας του, με την έκθλιψη του μετώπου εκσκαφής, ένα παραμορφωσιακό δηλαδή μέγεθος και να γεφυρωθεί η διαφορά μεταξύ του τρόπου εκδήλωσης της αστάθειας του μετώπου σε αβαθείς και βαθιές σήραγγες, κατανοώντας τι σημαίνει αστάθεια σε μικρό και μεγάλο βάθος διάνοιξης. Θεωρώντας ότι, καθώς η αντοχή του εδάφους μειώνεται, η αστοχία του μετώπου επέρχεται όταν παρατηρηθεί σημαντική αύξηση της εξώθησής του για μικρή μείωση της αντοχής, προτείνεται ένας νέος συντελεστής ευστάθειας ανυποστήρικτου μετώπου ΛF (για βάθη σήραγγας H≤5D), που εξαρτάται από τις γεωτεχνικές (συνοχή c, γωνία τριβής φ και ειδικό βάρος γ του γεωυλικού) και τις γεωμετρικές (βάθος H και διάμετρος D της σήραγγας) παραμέτρους του προβλήματος, τέτοιος ώστε τιμές ΛF<1 να αντιστοιχούν σε ασταθές μέτωπο και τιμές ΛF≥1 να αντιστοιχούν σε ευσταθές μέτωπο. Ο συντελεστής ΛF συνδέεται στη συνέχεια μέσω απλών σχέσεων, τόσο με την έκθλιψη του μετώπου, όσο και με τον συντελεστή ασφαλείας FS, ενώ συγκρίνεται και με διαθέσιμες αναλυτικές μεθοδολογίες εκτίμησης της ευστάθειας του μετώπου και τα αποτελέσματα της σύγκρισης σχολιάζονται και αιτιολογούνται. Τέλος προτείνεται μία απλή μεθοδολογία πρόβλεψης της απομείωσης της εξώθησης μπροστά από το μέτωπο, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με μετρήσεις εξώθησης κατά την κατασκευή για την πρόβλεψη των επιτόπου συνθηκών μπροστά από τη σήραγγα. Στη συνέχεια (Κεφάλαιο 6), επιχειρείται αρχικά η προσέγγιση του μηχανισμού αστοχίας του μετώπου εκσκαφής, με σκοπό (α) την παρατήρηση της εξέλιξης και διαφοροποίησης του μηχανισμού αστοχίας για διαφορετικές γεωτεχνικές (αργιλικά – αμμώδη υλικά) και γεωμετρικές (βάθος διάνοιξης) συνθήκες και (β) τη σύγκριση του παρατηρούμενου μηχανισμού αστοχίας με τις μορφές που παρατηρούνται σε αντίστοιχες εργασίες (πειραματικές, αναλυτικές και αριθμητικές). Επιπλέον, γίνεται σύγκριση της εκτιμώμενης οριακής πίεσης αντιστήριξης στο μέτωπο εκσκαφής από τις αριθμητικές αναλύσεις, με τις αντίστοιχες τιμές που προκύπτουν από τη διεθνή βιβλιογραφία (πειραματικές προσεγγίσεις σε προσομοιώματα σήραγγας υπό κλίμακα ή σε φυγοκεντριστή), ώστε να αξιολογηθεί η καταλληλότητα και η ορθότητα της χρησιμοποιούμενης μεθόδου (πεπερασμένα στοιχεία) για το συγκεκριμένο πρόβλημα οριακής ισορροπίας σε αβαθείς σήραγγες. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων της διατριβής με τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα κρίνεται σαφώς ικανοποιητική. Στο Κεφάλαιο 7 της διατριβής, διερευνάται εκτενώς μέσω παραμετρικών αριθμητικών αναλύσεων η επίδραση της ενίσχυσης μετώπου με οριζόντια αγκύρια από υαλονήματα (fibreglass) στην ευστάθειά του, αλλά και στην παραμορφωσιακή του συμπεριφορά. Με βάση τα αποτελέσματα των αναλύσεων προτείνεται τροποποίηση - επέκταση του συντελεστή ευστάθειας μετώπου, με την ονομασία ΛF,R, για σήραγγες βάθους H≤3D, ώστε αυτός να περιλαμβάνει και την επίδραση των αγκυρίων μέσω της πυκνότητας τους d (αγκύρια/m2). Η έκφραση του συντελεστή είναι τέτοια, ώστε η οριακή τιμή ΛF,R=1 να αντιστοιχεί σε μία «οριακή κατάσταση λειτουργικότητας», κάτω από την οποία υπάρχει αύξηση των παραμορφώσεων, κάτι που κρίνεται μη επιθυμητό σε αβαθείς σήραγγες. Με βάση τον συντελεστή ΛF,R προτείνεται μεθοδολογία ορθολογικού σχεδιασμού του καννάβου των αγκυρίων μετώπου και δίνονται διαγράμματα για την πρακτική εφαρμογή της. Επιπλέον, δίνονται προτάσεις για την εκτίμηση του βέλτιστου μήκους των αγκυρίων Lopt, το οποίο ουσιαστικά καθορίζει την επικάλυψη των διαδοχικών διατάξεων αγκυρίων στο μέτωπο και εξαρτάται κυρίως από τη γωνία τριβής του εδαφικού υλικού και λιγότερο από τον συντελεστή οριζοντίων τάσεων Κ. Η γνώση του μήκους αυτού συμβάλλει σημαντικά τόσο στην εξασφάλιση των κριτηρίων σχεδιασμού της μελέτης αναφορικά με την ευστάθεια του μετώπου και τις παραμορφώσεις, όσο και στην οικονομία της κατασκευής. Τέλος, προτείνεται 2 μεθοδολογίες (απλοποιημένη και πλήρης) για την εκτίμηση της πίεσης αντιστήριξης του μετώπου εκσκαφής που έχει την ίδια επίδραση στο μέτωπο με μία συγκεκριμένη διάταξη αγκυρίων ενίσχυσης. Η τιμή της ισοδύναμης αυτής πίεσης επηρεάζεται κυρίως από το βάθος διάνοιξης και τη γωνία τριβής, αλλά και από την παραμορφωσιμότητα του εδάφους και τη δυστένεια των αγκυρίων. Με βάση τις μεθοδολογίες αυτές, προτάθηκε μία μέθοδος έμμεσου σχεδιασμού της πυκνότητας του καννάβου αγκυρίων ενίσχυσης του πυρήνα προώθησης, μέσω των διαθέσιμων αναλυτικών μεθοδολογιών εκτίμησης της απαιτούμενης πίεσης αντιστήριξης μετώπου για την επίτευξη του επιθυμητού συντελεστή ασφαλείας. Στο Κεφάλαιο 8 της διατριβής, διερευνάται η επίδραση της προστασίας του μετώπου εκσκαφής και του ανυποστήρικτου τμήματος της σήραγγας με τη χρήση ομπρέλας μεταλλικών δοκών προπορείας (forepole umbrella, steel tube umbrella), τόσο στην ευστάθειά του μετώπου εκσκαφής, όσο και γενικότερα στην παραμορφωσιακή συμπεριφορά της σήραγγας μπροστά και πάνω από το μέτωπο εκσκαφής. Πιο συγκεκριμένα, αφού περιγράφεται η μεταβολή του τασικού και παραμορφωσιακού πεδίου μπροστά και πάνω από τη σήραγγα λόγω της προστασίας του μετώπου εκσκαφής, σε σχέση με την περίπτωση ενός ανυποστήρικτου μετώπου με προβλήματα ευστάθειας, γίνονται σχόλια και εξάγονται συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση της μεθόδου στη βελτίωση της ευστάθειας του μετώπου. Με βάση τα αποτελέσματα των αναλύσεων δίνονται σαφείς προτάσεις για τον ορθολογικό σχεδιασμό των δοκών προπορείας, ώστε η εφαρμογή της μεθόδου να στοχεύει στις πραγματικές δυνατότητες που αυτή έχει όταν χρησιμοποιείται μεμονωμένα και όχι σε συνδυασμό με άλλα μέτρα ενίσχυσης της ευστάθειας του μετώπου. Οι δυνατότητες της μεθόδου δεν αφορούν στην αποτροπή μιας εκτεταμένης τασικής αστοχίας στην περιοχή του μετώπου αλλά στη συγκράτηση κυρίως βαρυτικών μορφών αστοχίας και στη μείωση των καθιζήσεων σε σήραγγες πολύ μικρού βάθους χωρίς σοβαρά προβλήματα ευστάθειας. Τέλος (Κεφάλαιο 9) προσομοιώνεται η συνδυασμένη εφαρμογή δοκών προπορείας και αγκυρίων μετώπου, πρακτική που είναι πολύ συνηθισμένη τόσο στην Ελλάδα όσο και σε άλλες χώρες κατά τη διάνοιξη κάτω από δύσκολες γεωτεχνικές συνθήκες. Η προσομοίωση δείχνει τόσο τη συγκριτική επίδραση της κάθε μεθόδου, όσο και τον τρόπο που η συνδυασμένη εφαρμογή τους μπορεί να επηρεάσει τον σχεδιασμό της κάθε μεθόδου ξεχωριστά, οδηγώντας σε πιο οικονομική κατασκευή χωρίς «εκπτώσεις» στην ασφάλεια. Με βάση τα αποτελέσματα των αναλύσεων διατυπώνονται απόψεις για την αποφυγή της υπερδιαστασιολόγησης των δοκών προπορείας, που αποτελεί συχνό φαινόμενο όταν αυτές τοποθετούνται σε συνδυασμό με μεθόδους αντιστήριξης ή ενίσχυσης του μετώπου εκσκαφής, οι οποίες εξασφαλίζουν την ευστάθειά του. Συνολικά, σκοπό της παρούσας διατριβής αποτελεί η διαμόρφωση κατά το δυνατόν απλών, και οπωσδήποτε προσιτών στους μηχανικούς σηράγγων, μεθοδολογιών και προτάσεων για ασφαλή, ορθολογικό και οικονομικό σχεδιασμό της εκσκαφής και της αντιστήριξης της περιοχής του μετώπου εκσκαφής σηράγγων, με έμφαση σε περιπτώσεις διάνοιξης με συμβατική μέθοδο σε μικρό βάθος από την επιφάνεια του εδάφους. Οι μέθοδοι αυτές, με παραδοχές που δεν επηρεάζουν σημαντικά την ακρίβεια και έχουν επιλεγεί προσεκτικά ώστε τα όρια εφαρμογής τους να είναι σαφή, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αρχικά στάδια μελετών και κατά περίπτωση σε τελικά στάδια μελετών σηράγγων, ανεξάρτητα ή σε συνδυασμό με πιο πολύπλοκες αριθμητικές ή αναλυτικές μεθόδους. Λόγω του εφαρμοσμένου χαρακτήρα της έρευνας δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στην αξιολόγηση δεδομένων από τη μελέτη και κατασκευή σηράγγων, έτσι ώστε το αποτέλεσμα να είναι αφενός επιστημονικά επαρκές και πρωτότυπο, αλλά συγχρόνως εφαρμόσιμο και χρήσιμο στην πρακτική της μελέτης και κατασκευής.
περισσότερα
Περίληψη σε άλλη γλώσσα
Η διδακτορική διατριβή συνίσταται στην αριθμητική διερεύνηση της ευστάθειας και της παραμορφωσιακής συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής, με έμφαση στις αβαθείς σήραγγες, καθώς και της επίδρασης και της αποτελεσματικότητας συγκεκριμένων μεθόδων βελτίωσης της ευστάθειάς του και ελέγχου των παραμορφώσεων στην περιοχή μπροστά και πάνω από αυτό, μέσω τριδιάστατων αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων. Εντός των αστικών περιοχών οι απαιτήσεις και οι περιορισμοί κατά τη διάνοιξη σηράγγων πολλαπλασιάζονται. Αυξημένος βαθμός δυσκολίας προκύπτει κατ’ αρχήν λόγω του γεγονότος ότι η διάνοιξη γίνεται εντός συνήθως χαλαρών εδαφών (λόγω μικρού βάθους), αλλά και λόγω της περιορισμένης δυνατότητας ανακατανομής των τάσεων πάνω από τη σήραγγα, που έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία αστάθειας και σημαντικών παραμορφώσεων σε μέγεθος και εύρος, ακόμα και όταν η αντοχή του εδάφους δεν είναι πολύ χαμηλότερη από την επιτόπου τάση. Επιπλέον, μια ενδεχόμενη αστάθεια και κατάρρευση έχει σημαντικά δυσμενέστερες συνέπειες ...
Η διδακτορική διατριβή συνίσταται στην αριθμητική διερεύνηση της ευστάθειας και της παραμορφωσιακής συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής, με έμφαση στις αβαθείς σήραγγες, καθώς και της επίδρασης και της αποτελεσματικότητας συγκεκριμένων μεθόδων βελτίωσης της ευστάθειάς του και ελέγχου των παραμορφώσεων στην περιοχή μπροστά και πάνω από αυτό, μέσω τριδιάστατων αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων. Εντός των αστικών περιοχών οι απαιτήσεις και οι περιορισμοί κατά τη διάνοιξη σηράγγων πολλαπλασιάζονται. Αυξημένος βαθμός δυσκολίας προκύπτει κατ’ αρχήν λόγω του γεγονότος ότι η διάνοιξη γίνεται εντός συνήθως χαλαρών εδαφών (λόγω μικρού βάθους), αλλά και λόγω της περιορισμένης δυνατότητας ανακατανομής των τάσεων πάνω από τη σήραγγα, που έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία αστάθειας και σημαντικών παραμορφώσεων σε μέγεθος και εύρος, ακόμα και όταν η αντοχή του εδάφους δεν είναι πολύ χαμηλότερη από την επιτόπου τάση. Επιπλέον, μια ενδεχόμενη αστάθεια και κατάρρευση έχει σημαντικά δυσμενέστερες συνέπειες στην κοινωνία, ενώ ουσιαστικά αλλάζει και η σημασία της έννοιας «αστοχία», καθώς πλέον σχετίζεται όχι μόνο με κατάρρευση της σήραγγας, αλλά και με οποιοδήποτε αποτέλεσμα το οποίο θα έχει συνέπειες μη ανεκτές από το αστικό περιβάλλον (βλάβες σε κτίρια, κάποια από τα οποία έχουν μηδαμινή ανοχή σε μετακινήσεις, σε δίκτυα κοινής ωφέλειας, σε μνημεία σημαντικής πολιτιστικής αξίας, σε δρόμους σημαντικής κυκλοφορίας κ.λπ.). Υπό το πρίσμα αυτό, καθίσταται εξαιρετικά σημαντικός ο περιορισμός σε πολύ χαμηλά επίπεδα των προκαλούμενων παραμορφώσεων και ειδικά αυτών που λαμβάνουν χώρα μπροστά από την εκσκαφή και μέχρι την εγκατάσταση της υποστήριξης της σήραγγας, καθώς εάν η τελευταία έχει μεγάλη δυσκαμψία, μπορεί να παραλάβει τα (σχετικά περιορισμένα λόγω μικρού βάθους) φορτία του εδάφους με αμελητέες πρόσθετες παραμορφώσεις. Το στοίχημα επομένως επικεντρώνεται στην ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής και τον έλεγχο της παραμορφωσιακής συμπεριφοράς του πυρήνα προώθησης (του προς εκσκαφή δηλαδή γεωυλικού μπροστά από τη σήραγγα). Εξάλλου, η εμπειρία έχει δείξει ότι το μεγαλύτερο ποσοστό αστοχιών σε σήραγγες, και ειδικά σε αβαθείς - αστικές, προκύπτει στο μέτωπο εκσκαφής ή πλησίον αυτού, ενώ ακόμα και σήμερα η κατάρρευση του μετώπου αβαθών σηράγγων αποτελεί πρόβλημα που προκαλεί σοβαρές κατασκευαστικές καθυστερήσεις και οικονομικές επιβαρύνσεις. Η ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής σηράγγων, ιδιαίτερα των αβαθών, είναι ένα θέμα που έχει απασχολήσει πολλούς ερευνητές κατά το παρελθόν, οι οποίοι κατέδειξαν τη σημαντικότητά του για την ασφαλή κατασκευή σηράγγων. Οι σημαντικότερες ερευνητικές προσπάθειες έχουν επικεντρωθεί στην εκτίμηση της απαιτούμενης πίεσης αντιστήριξης του μετώπου ώστε αυτό να είναι οριακά ευσταθές. Οι προτάσεις που έχουν δημοσιευθεί βασίζονται σε πειραματικά δεδομένα (δοκιμές σε φυγοκεντριστή, σε προσομοιώματα σηράγγων μικρής κλίμακας κλπ.), σε αναλυτικές μεθοδολογίες (επιλύσεις κάτω ορίου με αποδεκτό πεδίο τάσεων ή άνω ορίου με θεώρηση συγκεκριμένου μηχανισμού αστοχίας) αλλά και, προσφάτως, σε αριθμητικές αναλύσεις συνεχούς ή ασυνεχούς μέσου. Το πλήθος των διαθέσιμων μεθοδολογιών και εργασιών βασίστηκε σε διαφορετικές παραδοχές, με αποτέλεσμα το εύρος τιμών που προκύπτει από αυτές για δεδομένες γεωτεχνικές συνθήκες να είναι συχνά πολύ σημαντικό. Επιπλέον, μικρή μόνο σύνδεση έχει έως τώρα πραγματοποιηθεί μεταξύ της ευστάθειας και της παραμορφωσιμότητας του μετώπου εκσκαφής, παρόλο που το αυστηρότερο κριτήριο σχεδιασμού σε σήραγγες μικρού βάθους σε αστικό περιβάλλον αφορά σε παραμορφώσεις (οριακή κατάσταση λειτουργικότητας). Τέλος, η πλειονότητα των μεθοδολογιών σχεδιασμού αφορά κυρίως σε σήραγγες που διανοίγονται με μηχανήματα ολομέτωπης κοπής (TBM) και επιβολή πίεσης αντιστήριξης στο μέτωπο, ενώ ο σχεδιασμός των μέτρων βελτίωσης της ευστάθειας του μετώπου κατά τη συμβατική διάνοιξη σηράγγων γίνεται ακόμα κυρίως με βάση τη διαθέσιμη εμπειρία. Στο πλαίσιο αυτό επιχειρείται αρχικά (Κεφάλαιο 5), μέσω αποτελεσμάτων τριδιάστατων αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων, να συνδεθεί ο βαθμός ευστάθειας του μετώπου εκσκαφής σήραγγας, χωρίς την εφαρμογή μέτρων αντιστήριξης, ενίσχυσης ή προστασίας του, με την έκθλιψη του μετώπου εκσκαφής, ένα παραμορφωσιακό δηλαδή μέγεθος και να γεφυρωθεί η διαφορά μεταξύ του τρόπου εκδήλωσης της αστάθειας του μετώπου σε αβαθείς και βαθιές σήραγγες, κατανοώντας τι σημαίνει αστάθεια σε μικρό και μεγάλο βάθος διάνοιξης. Θεωρώντας ότι, καθώς η αντοχή του εδάφους μειώνεται, η αστοχία του μετώπου επέρχεται όταν παρατηρηθεί σημαντική αύξηση της εξώθησής του για μικρή μείωση της αντοχής, προτείνεται ένας νέος συντελεστής ευστάθειας ανυποστήρικτου μετώπου ΛF (για βάθη σήραγγας H≤5D), που εξαρτάται από τις γεωτεχνικές (συνοχή c, γωνία τριβής φ και ειδικό βάρος γ του γεωυλικού) και τις γεωμετρικές (βάθος H και διάμετρος D της σήραγγας) παραμέτρους του προβλήματος, τέτοιος ώστε τιμές ΛF<1 να αντιστοιχούν σε ασταθές μέτωπο και τιμές ΛF≥1 να αντιστοιχούν σε ευσταθές μέτωπο. Ο συντελεστής ΛF συνδέεται στη συνέχεια μέσω απλών σχέσεων, τόσο με την έκθλιψη του μετώπου, όσο και με τον συντελεστή ασφαλείας FS, ενώ συγκρίνεται και με διαθέσιμες αναλυτικές μεθοδολογίες εκτίμησης της ευστάθειας του μετώπου και τα αποτελέσματα της σύγκρισης σχολιάζονται και αιτιολογούνται. Τέλος προτείνεται μία απλή μεθοδολογία πρόβλεψης της απομείωσης της εξώθησης μπροστά από το μέτωπο, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με μετρήσεις εξώθησης κατά την κατασκευή για την πρόβλεψη των επιτόπου συνθηκών μπροστά από τη σήραγγα. Στη συνέχεια (Κεφάλαιο 6), επιχειρείται αρχικά η προσέγγιση του μηχανισμού αστοχίας του μετώπου εκσκαφής, με σκοπό (α) την παρατήρηση της εξέλιξης και διαφοροποίησης του μηχανισμού αστοχίας για διαφορετικές γεωτεχνικές (αργιλικά – αμμώδη υλικά) και γεωμετρικές (βάθος διάνοιξης) συνθήκες και (β) τη σύγκριση του παρατηρούμενου μηχανισμού αστοχίας με τις μορφές που παρατηρούνται σε αντίστοιχες εργασίες (πειραματικές, αναλυτικές και αριθμητικές). Επιπλέον, γίνεται σύγκριση της εκτιμώμενης οριακής πίεσης αντιστήριξης στο μέτωπο εκσκαφής από τις αριθμητικές αναλύσεις, με τις αντίστοιχες τιμές που προκύπτουν από τη διεθνή βιβλιογραφία (πειραματικές προσεγγίσεις σε προσομοιώματα σήραγγας υπό κλίμακα ή σε φυγοκεντριστή), ώστε να αξιολογηθεί η καταλληλότητα και η ορθότητα της χρησιμοποιούμενης μεθόδου (πεπερασμένα στοιχεία) για το συγκεκριμένο πρόβλημα οριακής ισορροπίας σε αβαθείς σήραγγες. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων της διατριβής με τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα κρίνεται σαφώς ικανοποιητική. Στο Κεφάλαιο 7 της διατριβής, διερευνάται εκτενώς μέσω παραμετρικών αριθμητικών αναλύσεων η επίδραση της ενίσχυσης μετώπου με οριζόντια αγκύρια από υαλονήματα (fibreglass) στην ευστάθειά του, αλλά και στην παραμορφωσιακή του συμπεριφορά. Με βάση τα αποτελέσματα των αναλύσεων προτείνεται τροποποίηση - επέκταση του συντελεστή ευστάθειας μετώπου, με την ονομασία ΛF,R, για σήραγγες βάθους H≤3D, ώστε αυτός να περιλαμβάνει και την επίδραση των αγκυρίων μέσω της πυκνότητας τους d (αγκύρια/m2). Η έκφραση του συντελεστή είναι τέτοια, ώστε η οριακή τιμή ΛF,R=1 να αντιστοιχεί σε μία «οριακή κατάσταση λειτουργικότητας», κάτω από την οποία υπάρχει αύξηση των παραμορφώσεων, κάτι που κρίνεται μη επιθυμητό σε αβαθείς σήραγγες. Με βάση τον συντελεστή ΛF,R προτείνεται μεθοδολογία ορθολογικού σχεδιασμού του καννάβου των αγκυρίων μετώπου και δίνονται διαγράμματα για την πρακτική εφαρμογή της. Επιπλέον, δίνονται προτάσεις για την εκτίμηση του βέλτιστου μήκους των αγκυρίων Lopt, το οποίο ουσιαστικά καθορίζει την επικάλυψη των διαδοχικών διατάξεων αγκυρίων στο μέτωπο και εξαρτάται κυρίως από τη γωνία τριβής του εδαφικού υλικού και λιγότερο από τον συντελεστή οριζοντίων τάσεων Κ. Η γνώση του μήκους αυτού συμβάλλει σημαντικά τόσο στην εξασφάλιση των κριτηρίων σχεδιασμού της μελέτης αναφορικά με την ευστάθεια του μετώπου και τις παραμορφώσεις, όσο και στην οικονομία της κατασκευής. Τέλος, προτείνεται 2 μεθοδολογίες (απλοποιημένη και πλήρης) για την εκτίμηση της πίεσης αντιστήριξης του μετώπου εκσκαφής που έχει την ίδια επίδραση στο μέτωπο με μία συγκεκριμένη διάταξη αγκυρίων ενίσχυσης. Η τιμή της ισοδύναμης αυτής πίεσης επηρεάζεται κυρίως από το βάθος διάνοιξης και τη γωνία τριβής, αλλά και από την παραμορφωσιμότητα του εδάφους και τη δυστένεια των αγκυρίων. Με βάση τις μεθοδολογίες αυτές, προτάθηκε μία μέθοδος έμμεσου σχεδιασμού της πυκνότητας του καννάβου αγκυρίων ενίσχυσης του πυρήνα προώθησης, μέσω των διαθέσιμων αναλυτικών μεθοδολογιών εκτίμησης της απαιτούμενης πίεσης αντιστήριξης μετώπου για την επίτευξη του επιθυμητού συντελεστή ασφαλείας. Στο Κεφάλαιο 8 της διατριβής, διερευνάται η επίδραση της προστασίας του μετώπου εκσκαφής και του ανυποστήρικτου τμήματος της σήραγγας με τη χρήση ομπρέλας μεταλλικών δοκών προπορείας (forepole umbrella, steel tube umbrella), τόσο στην ευστάθειά του μετώπου εκσκαφής, όσο και γενικότερα στην παραμορφωσιακή συμπεριφορά της σήραγγας μπροστά και πάνω από το μέτωπο εκσκαφής. Πιο συγκεκριμένα, αφού περιγράφεται η μεταβολή του τασικού και παραμορφωσιακού πεδίου μπροστά και πάνω από τη σήραγγα λόγω της προστασίας του μετώπου εκσκαφής, σε σχέση με την περίπτωση ενός ανυποστήρικτου μετώπου με προβλήματα ευστάθειας, γίνονται σχόλια και εξάγονται συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση της μεθόδου στη βελτίωση της ευστάθειας του μετώπου. Με βάση τα αποτελέσματα των αναλύσεων δίνονται σαφείς προτάσεις για τον ορθολογικό σχεδιασμό των δοκών προπορείας, ώστε η εφαρμογή της μεθόδου να στοχεύει στις πραγματικές δυνατότητες που αυτή έχει όταν χρησιμοποιείται μεμονωμένα και όχι σε συνδυασμό με άλλα μέτρα ενίσχυσης της ευστάθειας του μετώπου. Οι δυνατότητες της μεθόδου δεν αφορούν στην αποτροπή μιας εκτεταμένης τασικής αστοχίας στην περιοχή του μετώπου αλλά στη συγκράτηση κυρίως βαρυτικών μορφών αστοχίας και στη μείωση των καθιζήσεων σε σήραγγες πολύ μικρού βάθους χωρίς σοβαρά προβλήματα ευστάθειας. Τέλος (Κεφάλαιο 9) προσομοιώνεται η συνδυασμένη εφαρμογή δοκών προπορείας και αγκυρίων μετώπου, πρακτική που είναι πολύ συνηθισμένη τόσο στην Ελλάδα όσο και σε άλλες χώρες κατά τη διάνοιξη κάτω από δύσκολες γεωτεχνικές συνθήκες. Η προσομοίωση δείχνει τόσο τη συγκριτική επίδραση της κάθε μεθόδου, όσο και τον τρόπο που η συνδυασμένη εφαρμογή τους μπορεί να επηρεάσει τον σχεδιασμό της κάθε μεθόδου ξεχωριστά, οδηγώντας σε πιο οικονομική κατασκευή χωρίς «εκπτώσεις» στην ασφάλεια. Με βάση τα αποτελέσματα των αναλύσεων διατυπώνονται απόψεις για την αποφυγή της υπερδιαστασιολόγησης των δοκών προπορείας, που αποτελεί συχνό φαινόμενο όταν αυτές τοποθετούνται σε συνδυασμό με μεθόδους αντιστήριξης ή ενίσχυσης του μετώπου εκσκαφής, οι οποίες εξασφαλίζουν την ευστάθειά του. Συνολικά, σκοπό της παρούσας διατριβής αποτελεί η διαμόρφωση κατά το δυνατόν απλών, και οπωσδήποτε προσιτών στους μηχανικούς σηράγγων, μεθοδολογιών και προτάσεων για ασφαλή, ορθολογικό και οικονομικό σχεδιασμό της εκσκαφής και της αντιστήριξης της περιοχής του μετώπου εκσκαφής σηράγγων, με έμφαση σε περιπτώσεις διάνοιξης με συμβατική μέθοδο σε μικρό βάθος από την επιφάνεια του εδάφους. Οι μέθοδοι αυτές, με παραδοχές που δεν επηρεάζουν σημαντικά την ακρίβεια και έχουν επιλεγεί προσεκτικά ώστε τα όρια εφαρμογής τους να είναι σαφή, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αρχικά στάδια μελετών και κατά περίπτωση σε τελικά στάδια μελετών σηράγγων, ανεξάρτητα ή σε συνδυασμό με πιο πολύπλοκες αριθμητικές ή αναλυτικές μεθόδους. Λόγω του εφαρμοσμένου χαρακτήρα της έρευνας δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στην αξιολόγηση δεδομένων από τη μελέτη και κατασκευή σηράγγων, έτσι ώστε το αποτέλεσμα να είναι αφενός επιστημονικά επαρκές και πρωτότυπο, αλλά συγχρόνως εφαρμόσιμο και χρήσιμο στην πρακτική της μελέτης και κατασκευής.
περισσότερα
