PROGNOZOWANIE OSIADAŃ POWIERZCHNI TERENU SPOWODOWANYCH BUDOWĄ TUNELI

Transkrypt

1 Górnictwo i Geoinżynieria Rok 31 Zeszyt Maciej Kęracki* PROGNOZOWANIE OSIADAŃ POWIERZCHNI TERENU SPOWODOWANYCH BUDOWĄ TUNELI 1. Wstęp Tunelowanie, zwłaszcza na niewielkich głębokościach oraz wykonywane metoą przeciskową, powouje egraację powierzchni terenu [7]. Przejawia się to głównie jako osiaania powierzchni, które są szkoliwe la buowli naziemnych, a także uzbrojenia poziemnego. Zmiany w śroowisku otaczającym tunel powstają głównie na skutek namiernego wybierania skał czy gruntu, niewłaściwego wypełniania pustki mięzy obuową a wyłomem (pustki po przesuwie tarczy o tunelowania, a także przesuwie obuowy tunelu w tunelowaniu przeciskowym, oraz owonienia rejonu robót). Poczas projektowania tunelowania zwłaszcza w rejonie zurbanizowanym, powinno się przeprowazić prognozowanie osiaań powierzchni terenu wywołanych tymi robotami. 2. Osiaania powierzchni terenu Rysunek 1 pokazuje osiaania powierzchni terenu, jakie powstały przy rążeniu tuneli w gruntach piaszczystych [10]. Tunele te o przekroju kołowym i śrenicy w wyłomie 6,04 m były prowazone metoą tarczową na głębokości 9 m. Oległość mięzy tunelami w osiach wynosiła ok. 15 m. Przoek jenego z tuneli wyprzezał rugi. Na rysunku pokazano różne wielkości osiaań powierzchni terenu w przekroju poprzecznym i połużnym tuneli. W tabeli 1 przestawiono przykłay wielkości osiaań powierzchni terenu przy tunelowaniu metoą tarczową. * Wyział Buownictwa, Politechnika Łózka, Łóź 225

2 Rys. 1. Przykła osiaań powierzchni terenu w przekroju poprzecznym i połużnym przy tunelowaniu metoą tarczową TABELA 1 Przykłay wielkości osiaań powierzchni terenu przy tunelowaniu metoą tarczową Miejsce tunelowania Rozaj gruntu Ciśnienie woy gruntowej Śrenica tarczy, m Maksymalne osiaania, mm Moskwa piasek bez woy 5,9 290 Moskwa (beton prasowany) piasek bez woy 5,9 Buapeszt München Hamburg piasek, margiel, glina pylasta, glina kras, margiel, piasek robny piasek, margiel, piasek, otoczaki zwierciało swobone zwierciało swobone 5,7 50 7,62 38 zwierciało napięte 5,5 20 Frankfurt na Menem żwir, piasek, glina zwierciało napięte 6,7 30 Berlin piasek zwierciało napięte 6, Oziaływanie tunelowania metoą przeciskową na powierzchnię terenu Tunelowanie przeciskowe (rys. 2) jest specyficzną technologią i wymaga oatkowego omówienia. Stosowane bywa prawie wyłącznie w gruntach. Wraz z postępem urabiania, w grunt wciskana jest tarcza wraz z obuową ostateczną tunelu [5]. W trakcie tunelowania prze tarczą przeciskową następuje zagęszczanie gruntu oraz wypiętrzanie powierzchni terenu. Natomiast za tarczą mamy o czynienia z rozluźnianiem gruntu oraz osiaaniem powierzchni terenu. Procesy te oraz miejsce ich występowania obrazuje rysunek 3 [10]. 226

3 Rys. 2. Schemat tunelowania przeciskowego z obuową o przekroju prostokątnym Rys. 3. Schematyczne przestawienie oziaływania tunelowania przeciskowego na otaczające śroowisko Objaśnienia w tekście 227

4 Na rysunku 3 literą D oznaczono wysokość (lub śrenicę) tunelu w wyłomie, literą h miąższość nakłau na obuową tunelu, kąt α tworzy powierzchnia terenu i krawęź strefy poślizgu, a kąt φ jest kątem tarcia wewnętrznego. Gy h D, to znaczy tunelowanie przebiega na głębokości mniejszej lub równej wysokości obuowy, rozluźnienie gruntu sięga powierzchni terenu i wystąpienie osiaań jest pewne i niezwłoczne. W przypaku h > D tunelowanie przebiega na głębokości większej niż wysokość obuowy, na tunelem wystąpi przesklepienie utrzymujące się przez pewien czas, przeważnie o raykalnej zmiany wilgotności gruntu. Wtey to rozluźnienie gruntu może osięgnąć powierzchni terenu i wywołać osiaanie jego powierzchni. 3. Teorie i metoy otyczące szacowania osiaań powierzchni terenu na skutek buowy tuneli Znane są sposoby określania osiaań powierzchni terenu na skutek robót górniczych. Można tu wymienić na przykła teorie polskich uczonych [4]: Buryka Knothego metoa geometryczna, krzywej wpływów opowiaa krzywa Gaussa, Litwiniszyna równanie różniczkowe przemieszczeń górotworu z zastosowaniem mechaniki ośroków ciągłych, Sałustowicza oparta na teorii sprężystości, profil niecki osiaania opowiaa kształtem ugięciu warstwy na położu sprężystym. Teorie te otyczą przee wszystkim wybierania kopalin i związanych z tym osiaań na wielkich obszarach. Niektóre z tych teorii oraz inne niżej przytoczone sposoby mogą posłużyć o wstępnego określenia zakresu osiaań występujących poczas tunelowania Teoria Buryka Knothego Teoria otyczy osiaań powierzchni terenu na wyrobiskiem korytarzowym (rys. 4), np. tunelem [8]. Oparto ją na założeniu, że niecka osiaań ma kształt krzywej Gaussa. Wielkość osiaania owolnego punktu na powierzchni o ociętej x można obliczyć z równania o 2 2 x w= w e α (1) gzie: w wielkość osiaania w punkcie o ociętej x, w o wielkość osiaania w osi pionowej tunelu, α szerokość tunelu, x pozioma oległość rozpatrywanego punktu o osi pionowej tunelu. 228

5 Rys. 4. Profil niecki osiaań na wyrobiskiem korytarzowym Szerokość tunelu można ustalić ze wzoru π α= (2) r gzie: r zasięg wpływów zależny o głębokości i własności skał h r = tgβ (3) h głębokość stropu tunelu o powierzchni terenu, β kąt wpływów wyznaczony na postawie własności skał: tg β = 1,0 1,5 la Dolnego Śląska, tg β = 2,0 3,0 la Górnego Śląska. Znając wartość β oraz w o, można obliczyć zasięg niecki osiaania oraz ustalić relacje pomięzy szerokością tunelu a zasięgiem niecki osiaania Teoria Briggsa Briggs zaleca obliczanie osiaania powierzchni terenu spowoowanego tunelowaniem z następującego wzoru [6] s = m 2, 2 + 2, 2 H 100 (4) gzie: s wielkość osiaania, m wysokość wyrobiska, H głębokość wyrobiska. 229

6 3.3. Metoa Golreicha Golreich [9] poaje wzór s = m κ H (5) gzie: s wielkość osiaania, m wysokość wyrobiska, κ współczynnik uwzglęniający ciężar właściwy gruntu, osiaania powierzchni terenu, H głębokość wyrobiska Metoa Awierszyna Awierszyn proponuje, by osiaanie powierzchni terenu spowoowane buową tunelu wyznaczyć z równania [9] (rys. 5) 2 L 2 l L 2 x l x η ( ) = η0 1 e x L (6) gzie: η ( x) osiaanie powierzchni terenu w oległości x o osi pionowej tunelu; η 0 maksymalne osiaanie powierzchni terenu w osi pionowej tunelu; L szerokość niecki osiaania o osi pionowej tunelu (połowa szerokości); l szerokość niecki osiaania o osi pionowej tunelu (połowa szerokości), η gzie wystąpi połowa głębokości osiaania 0 ; 2 x oległość o osi pionowej tunelu o miejsca, la którego szacowane jest osiaanie. Gy L = 2,1 l, osiaanie powierzchni terenu w oległości x o osi pionowej tunelu należy oszacować weług wzoru 4,53 x x 2,13 l 0 1 e 2,13 η ( x) = η l (7) przy czym największe osiaanie w osi pionowej tunelu można ustalić z zależności: m η 0 κ= (8) H 230

7 lub η 0 = m κ H (9) gzie: m wysokość tunelu, H głębokość stropu tunelu, κ współczynnik uwzglęniający ciężar właściwy gruntu i osiaania powierzchni terenu (jak we wzorze (5)). Rys. 5. Krzywa osiaań powierzchni terenu na skutek robót tunelowych weług Awierszyna 3.5. Sposób szacowania osiaań powierzchni terenu weług Limanowa Limanow w przekroju poprzecznym tunelu wyróżnia w gruncie wie strefy [9]: 1) pierwszą o powierzchni terenu w głąb, gzie występuje ściskanie gruntu, co wyrażone φ jest kątem (zaznaczonym na rys. 6) 45 weług Rankine a jest to stan czynny; 2 2) rugą sięgającą tunelu, gzie występuje rozciąganie gruntu, co wyraża się kątem φ 45 + weług Rankine a jest to stan bierny; 2 φ jest kątem tarcia wewnętrznego gruntu. Rys. 6. Rozkła naprężeń w przekroju tunelu [1]: naprężenia ściskające, + naprężenia rozciągające 231

8 Rys. 7. Sposób szacowania osiaań weług Limanowa Zależności wynikające z rysunku 7 są następujące: F wielkość osiaania η o = (10) L F = U π (11) max a φ L = 2a+ h tg (12) max = µ 2 2 E h1 r U ( 1 ) p 4r h (13) gzie: η o wielkość osiaania powierzchni terenu, φ kąt tarcia wewnętrznego gruntu, µ współczynnik tarcia wewnętrznego gruntu, p ciśnienie pionowe ziałające na obuowę tunelu, E mouł sprężystości gruntu pozostałe elementy wzorów weług rysunku Geometryczny sposób szacowania osiaań powierzchni terenu weług Steinfela Sposób szacowania osiaań proponowany przez Steinfela [9] przestawiono na rysunkach 8 i

9 Rys. 8. Geometryczne związki pozwalające oszacować osiaania stropu tunelu Rys. 9. Geometryczne związki na postawie których można oszacować osiaania powierzchni terenu 3.7. Stochastyczny moel osiaań Schmita W 1969 roku Schmit opisał moel stochastyczny osiaań powierzchni terenu przy robotach tunelowych, gzie rozkła osiaań opisuje krzywa Gaussa, przy założeniu równej objętości straconego gruntu z objętością niecki osiaania [3] (rys. 10). 233

10 Zależność tę opisuje wzór S max = V s 2πi (14) gzie: S max osiaanie maksymalne, m, V s objętość utraconego gruntu, m 3, i oległość osi tunelu o punktu przegięcia krzywej osiaania, m, i H = k r 2r n (15) H głębokość o osi poziomej tunelu, m, r promień tunelu, m, k współczynnik o wartości bliskiej 1, n = 0,8. Rys. 10. Niecka osiaań Maksymalne osiaanie można też ustalić z zależności V I = 2,5 i S max (16) gzie V I oznacza oczekiwaną stratę objętości gruntu, m

11 3.8. Kształt niecki osiaania weług Müllera Müller, poobnie jak Széchy, ustalił zasięg niecki osiaania na postawie obserwacji na tunelem kolei poziemnej U-Bahn-Baues w Hamburgu [10]. Stosując obliczenia statystyczne o opracowania otrzymanych wyników, wyznaczył kąty graniczne γ określające zasięg niecki osiaań w przekroju poprzecznym tunelu [2] (rys. 11). Rys. 11. Wyznaczanie zasięgu niecki osiaania powierzchni terenu na tunelem za pomocą kąta granicznego 4. Prognozowanie maksymalnych osiaań powierzchni terenu na postawie wskaźnika zagęszczenia gruntu Autor niniejszego artykułu proponuje, by o prognozowania osiaań powierzchni terenu na skutek robót tunelowych prowazonych w gruntach zastosować zależności wynikające z wyznaczania wskaźnika zagęszczenia. Określone w niżej poany sposób osiaanie bęzie miało maksymalną wartość, jaka wystąpi w konkretnie rozpatrywanym przypaku Wskaźnik zagęszczenia [11] I S = max (17) gzie oznacza gęstość objętościową szkieletu gruntowego, m = (18) V 235

12 lub = 100 g/ cm 3 (19) w gzie: m masa szkieletu w próbce gruntu oznaczona przez wysuszenie o stałej masy w temperaturze 105 C, g, V objętość próbki prze wysuszeniem, cm 3, gęstość objętościowa gruntu m = g/cm 3 ; (20) V m masa próbki w stanie powietrznosuchym, g, w wilgotność gruntu, %, max maksymalna gęstość objętościowa szkieletu gruntowego oczytana z wykresu wynikającego z baania zależności mięzy wilgotnością a gęstością objętościową szkieletu gruntowego (rys. 12), g/cm 3 Rys. 12. Wykres zależności optymalnej wilgotności o gęstości objętościowej szkieletu gruntowego 4.2. Wyznaczanie maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu gruntowego Maksymalną wartość gęstości objętościowej szkieletu gruntowego uzyskuje się przy optymalnej wilgotności baanego gruntu. Obie te wartości oczytuje się z wykresu, który określa omawiane relacje. 236

13 Wykres buowany jest na postawie tzw. baania Proctora, tj. ubijania gruntu o określonej wilgotności w cylinrze [11]. Objętość cylinra wynosi 1000 cm 3 (awniej weług Proctora objętość cylinra wynosiła 944 cm 3 ). Liczba ubijanych warstw gruntu, liczba i wysokość uerzeń, masa ubijaka jest inna la każej z czterech meto przeprowazania baania. Baania przeprowaza się, zwiększając wilgotność gruntu aż o wyraźnego spaku masy próby Wyliczenie osiaań w osi połużnej tunelu Zakłaa się, że osiaania terenu bęą porównywalne o ubytku wysokości próbki uzyskanej w trakcie baania maksymalnej wartości gęstości objętościowej szkieletu gruntowego i optymalnej wilgotności baanego gruntu. Stą m = V V (21) gzie V Osiaanie oznacza ubytek objętości próbki na skutek baania V = A h[cm 3 ] (22) A powierzchnia przekroju poprzecznego próbki, cm 2, h ubytek wysokości próbki na skutek baania osiaanie, cm, V objętość próbki prze wysuszeniem; wynosi m V = V cm 3 (23) p S V p wewnętrzna objętość cylinra stosowanego o baań wymienionych w części 4.2 artykułu, gęstość właściwa gruntu S m S = g/cm 3 (24) V V objętość szkieletu gruntowego w próbce gruntu oznaczona przez wysuszenie o stałej masy w temperaturze 105 C, cm 3 m = m Vp A h S (25) 237

14 Stą, przy założeniu = max (z baania Proctora) m m h = 1 Vp A max S cm (26) Powyższe rozważania potwierzają częściowo obserwacje terenowe i wykonane obliczenia. Oto niektóre zbaane przypaki (tab. 2). TABELA 2 Pomierzone w terenie i wyliczone wielkości osiaań powierzchni terenu przy tunelowaniu metoą bezwykopową (przewiertu) Metoa tunelowania bezwykopowa przewiert Śrenica tunelowania, mm Grunt Ciśnienie Osiaania, mm woy gruntowej pomierzone wyliczone 800 P Pg//P bez woy 600 Gp//P Pg P piasek robny, Pg//P piasek gliniasty przewarstwiony piaskiem robnym, Gp//P glina piaszczysta przewarstwiona piaskiem robnym, Pg piasek gliniasty. 5. Wnioski Płytkie tunelowanie prowazone w gruntach, bez wzglęu na stosowaną metoę, wykonywane bez zabezpieczania naległych warstw gruntu wpływa estrukcyjnie na powierzchnię terenu. Wielkość i zasięg estrukcji uzależniona jest głównie o przekroju poprzecznego tunelu w wyłomie, zastosowanej metoy i głębokości tunelowania, warunków wonogruntowych, jakości przeprowazonych robót, a przee wszystkim o tego, czy nie miało miejsca namierne wybieranie gruntu. To estrukcyjne ziałanie objawia się głównie w postaci osiaań powierzchni terenu, których zasięg i wielkość można wstępnie prognozować mając rozeznanie warunków wono-gruntowych na postawie baań geotechnicznych. Proponowana w niniejszym artykule technika prognozowania osiaań oparta na wskaźniku zagęszczenia gruntu otyczy określenia maksymalnej wielkości i zasięgu osiaań powierzchni terenu. Na postawie takich prognoz można ustalić wpływ tunelowania na okoliczne obiekty buowlane, zaprojektować zabezpieczenia tych obiektów, zmienić technologię tunelowania, przebieg trasy, bąź wycofać się z projektu. 238

15 LITERATURA [1] Apel F.: Tunnel mit Schilvortrieb. Düsselorf, Werner Verlag 1968 [2] Berger W.: Der Moerne tunnel un Stollenvortieb. Berlin München Düsselorf, Verlag von Wilhelm Ernst & Sohn 1970 [3] Boone S., Stypułkowski J.: Metoy szacowania zachowania się gruntów w pobliżu tuneli, Nowoczesne Techniki i Technologie Bezwykopowe, 1, 2001 [4] Borecki M., Chuek M.: Mechanika górotworu. Katowice, Wyawnictwo Śląsk 1972 [5] Furtak K., Kęracki M.: Postawy buowy tuneli. Kraków, Wyawnictwo Politechniki Krakowskiej 2005 [6] Kastner H.: Statik es Tunel un Stollenbaues auf er Grunlege geomechanischer Erkenntnisse. Berlin Heielberg New York, Springer Verlag 1971 [7] Kiybiński A.: Postawy geotechniki kopalnianej, Wyawnictwo Śląsk 1987 [8] Knothe S.: Równanie profilu ostatecznie wykształconej niecki osiaania, Archiwum Górnictwa i Hutnictwa, I, 1, 1953 [9] Manel G., Wagner H.: Verkehrs Tunnelbau, Ban I, Planung, Entwurf un Bauausführung. Berlin München, Verlag von Wilhelm Ernst & Sohn 1968 [10] Striegler W.: Tunnelbau. Berlin München, Verlag für Bauwesen 1993 [11] Wiłun Z.: Zarys geotechniki. Warszawa, Wyawnictwa Komunikacji i Łączności