X. Budownictwo podziemne
8. Projektowanie i współpraca obudowy tunelu z masywem skalnym i gruntowym.
/Geomechanika w budownictwie podziemnym- Tajduś, Tajduś, Cała, str.529-534/
Obudowę budowli podziemnych można podzielić na:
· obudowę wzmacniającą skałę lub grunt w otoczeniu tunelu- stosuje się ją na lub przed czołem drążonego tunelu w celu umożliwienia założenia obudowy wstępnej;
· obudowę tymczasową- stosuje się w celu zabezpieczenia stateczności w rejonie przodka tunelu podczas jego wykonywania;
· obudowę wstępną- zakładaną 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;
· obudowę ostateczną- ma zapewnić stateczność tunelu przez cały przewidziany czas jego istnienia.
Dla zapewnienia stateczności długotrwałej budowli podziemnej konieczne jest zaprojektowanie i założenie obudowy ostatecznej o prawidłowo dobranych parametrach we właściwym czasie. W tym celu niezbędne jest dobre rozpoznanie budowy geologicznej masywu, jego własności wytrzymałościowych i odkształceniowych. W obliczeniach należy uwzględnić szereg czynników, tj. ciężar skał spękanych, ciśnienie wody, rodzaj i kształt obudowy, jej sposób połączenia z masywem skalnym, itp. Ponadto, obudowa tuneli może być poddana działaniu:
· obciążenia statycznego pochodzącego od ciężaru skał zniszczonych,
· obciążenia deformacyjnego zachodzącego w czasie pochodzącego od przemieszczeń reologicznych,
· obciążenia dynamicznego (np. drgania od przejeżdżających pojazdów nad tunelem, wstrząsy górnicze, itp.).
Obecnie, do celów projektowych stosuje się zwykle metody numeryczne, jednak do prawidłowego stworzenia modelu numerycznego (Rys. 1) płaskiego lub przestrzennego konieczne są wiarygodne dane pochodzące z badan polowych i laboratoryjnych. W przypadku braku ich wystarczającej ilości, wykorzystuje się prostsze modele, w których istotne jest określenie statycznych obciążeń zewnętrznych i wewnętrznych działających na obudowę (Rys. 2). Istnieje wiele teorii opisujących określenie obciążeń zewnętrznych, np. Cymbariewicza, Terzaghiego, Protodiakonowa, Bierbaumera. W przypadku tuneli posadowionych na małej głębokości do obciążenia zewnętrznego dodaje się ciężar budowli, konstrukcji, urządzeń i maszyn znajdujących się na powierzchni terenu. Obciążenia wewnętrzne stanowią: ciężar własny obudowy wstępnej i ostatecznej, ciężar konstrukcji, urządzeń i maszyn znajdujących się wewnątrz tunelu lub w przypadku tuneli hydrotechnicznych, ciężar wody.
Rys.1. Płaski model numeryczny uwzględniający obudowę Rys.2. Obciążenia zewnętrzne działające na obudowę
Rys. 3 przedstawia jeden z prostszych modeli, w którym obudowa znajduje się w masywie skalnym i obciążona jest statycznie siłami pochodzącymi od ciężaru skał zniszczonych. Sama obudowa, w zależności od rodzaju, może być symulowana za pomocą elementów belkowych, powłokowych lub typowych elementów skończonych. W obliczeniach numerycznych przyjmuje się warunek, że pomiędzy masywem skalnym a obudową nie są przekazywane naprężenia rozciągające, a w przypadku ich wystąpienia należy wykonać szereg iteracji w celu ich eliminacji.
Rys.3. Model numeryczny współdziałania obudowy z masywem skalnym
Rys.4. Współpraca obudowy z masywem skalnym w metodzie elementów belkowych ze sprężystym podparciem
Kolejną metodą obliczania obudowy jest metoda elementów belkowych ze sprężystym podparciem (Rys. 4), w której oddziaływanie masywu skalnego na obudowę jest zastąpione przez szereg elementów sprężystych normalnych i stycznych do obudowy lub ich różne kombinacje, natomiast obudowa jest zastąpiona elementami belkowymi. Elementy sprężyste prostopadłe do obudowy przenoszą naprężenia normalne pochodzące od masywu skalnego, a elementy sprężyste styczne do obudowy przenoszą naprężenia styczne, jakie występują pomiędzy masywem skalnym a obudową. Sztywność elementów sprężystych określa się ze sztywności masywu skalnego . Obliczenia prowadzone są iteracyjnie. Elementy sprężyste, poddane rozciąganiu są eliminowane z obliczeń.
Najprostszą, ale mało dokładną metodę, nieuwzględniającą współpracy masywu skalnego z obudową, przedstawiono na Rys. 5.
Rys. 5. Model obciążenia budowy tunelu w postaci ramy
Najintensywniej rozwijającą się metodą projektowania tuneli i ich obudowy w ostatnich latach jest metoda sterowania konwergencją w tunelach, której zasadniczymi elementami są: krzywa reakcji masywu skalnego, krzywa charakteryzująca obudowę oraz przemieszczenia konturu tuneli wzdłuż przekroju przechodzącego przez oś główną tunelu. Do obliczeń tą metodą zwykle wykorzystuje się metody numeryczne, gdyż umożliwiają one modelowanie tuneli o innych przekrojach niż tylko kołowe, dla których metoda ta została stworzona.
Przy projektowaniu obudowy tunelu powinno się pamiętać o zasadach ogólnych:
· najważniejszą częścią obudowy tunelu jest sam masyw skalny, w którym tunel jest wykonywany. Masyw skalny i obudowa łącznie decydują o zapewnieniu stateczności,
· ogromny wpływ na zachowanie się masywu skalnego ma znajdująca się w nim woda,
· ważnym elementem wpływającym na zachowanie się obudowy jest dobry i ciągły kontakt pomiędzy obudową a masywem skalnym,
· poprzez odpowiednie sterowanie przemieszczeniami masywu skalnego można wpływać na jego wytrzymałość oraz stateczność,
· osiowa sztywność obudowy ma istotny wpływ na przemieszczenia masywu skalnego, w przeciwieństwie do sztywności zginania obudowy,
· w przypadku wykorzystywania obudowy wielowarstwowej, pierwsza warstwa obudowy powinna być podatna w stosunku do masywu i pozwalać na duże odkształcenia zginające, kolejna warstwa, sztywniejsza i wytrzymalsza, będzie poddana mniejszym odkształceniom zginającym,
· w przypadku stosowania jednowarstwowej obudowy powinna ona być podatna w stosunku do masywu skalnego oraz możliwie cienka,
· wybór typu obudowy zależy od: przewidywanych wielkości przemieszczeń masywu skalnego i obciążenia budowy oraz metody urabiania dostosowanej do charakterystyki masywu skalnego,
· na grubość obudowy może mieć wpływ konieczność uszczelniania wody,
· prawidłowo wykonana wykładka obudowy ściśle wypełniająca przestrzeń pomiędzy obudową a masywem skalnym ogranicza naprężenia zginające w obudowie,
· przy wykonywaniu obliczeń związanych z projektowaniem tuneli należy wziąć pod uwagę dużą zmienność i losowość warunków górniczo-geologicznych oraz przewidywane zachowanie się masywu skalnego podczas budowy.