1 OBLOGA TUNELA 1.1 Uvod Obloga tunela je konstruktivni sistem koji se izvodi nakon iskopa da bi se obezbedilo nošenje stene ili zemlje, očuvanje konture iskopa, nošenje dodatne opreme i obezbeđenje podloge za izvođenje finalne površine tunela. Pored nosivosti, na izbor vrste obloge utiču i kontrola vode, funkcionalnost, dugotrajnost (izdržljivost na koroziju, štetna hemijska delovanja, vatru), tehnologija izvođenja, električne i mehaničke operacije i održavanje, bezbednosni aspekti poput otpornosti u slučaju požara i dr. U skladu sa napred navedenim može se izvoditi: betonska obloga livena na licu mesta (sl 1), prefabrikovana betonska obloga (sl. 2), montažna čelična obloga (sl 3) i obloga od prskanog betona (sl 4). Obloga livena na licu mesta se generalno instalira nakon inicijalne obloge (sekundarna). Koristi se u mekim i čvrstim stenskim masama i može biti armirana i nearmirana. Oblik obloge može biti proizvoljan i zavisi od eksploatacije, vrste iskopa i geoloških uslova.
Slika 1- Betonska obloga livena na licu mesta Prefabrikovana obloga koristi se i kao primarna i kao sekundarna obloga tunela (sl 2). Segmenti imaju oblik kružnih lukova i prefabrikovani se dopremaju i instaliraju unutar tunelske mašine tako da formiraju prsten. Prefabrikovani elementi se koriste kod obloge koja se izvodi u jednom prolazu gde segmenti obezbeđuju i primarnu (inicijalnu) i sekundarnu (stalnu) oblogu. Ovakva obloga se izvodi u striktno definisanim tolerancijama sa zaptivačima i zavrtnjima koji će zajedno redukovati doticaj vode u tunel.
1
Slika 2- Betonska prefabrikovana obloga Čelična segmentna obloga je tip segmentne konstrukcije kod koga zakrivljene čelične ploče spajanjem unutar tunelske mašine formiraju prsten. Čelične ploče takođe mogu imati funkciju privremene i stalne obloge. Kao i betonske imaju zaptivke na spojevima i pričvršćuju se zavrtnjima. Čelične ploče se mogu koristiti na mestima gde se čelični nosači koriste kao primarna obloga. Unapređenjem izrade betonskih segmenata čelične ploče se sve manje koriste.
Slika 3- Čelična segmentna obloga Prskani beton je pneumatski ugrađen beton koji se vrlo često koristi za primarne obloge, ali sa razvojem tehnologije prskanog betona, sve češće se kod NATM tehnologije izvodi stalna obloga od prskanog betona. On se može izvoditi na različite načine: preko stenskog materijala, ojačan armaturom, rešetkastim nosačima ili mikroarmiranjem (čelična, sintetička vlakna). Može se koristiti u kombinaciji sa ankerima i moždanicima. Izvodi se u slojevima do postizanja potrebne debljine. 2
Obloga tunela u pogledu nosivosti može imati funkciju inicijalne stabilizacije konture iskopa, stalne stabilizacije ili da ima obe uloge. Inicijalna stabilizacija ima privremeni karakter, i zadatak da obezbedi stabilnost konture iskopa do formiranja noseće konstrukcije. Ranije se za podgrađivanje uglavnom koristilo drvo ili drugi materijali koji nisu imali potrebnu trajnost. Savremene konstrukcije se izvode od mnogo kvalitetnijih materijala koji mogu trajno da prihvate opterećenje brdskih pritisaka (celokupno ili delimično). Otuda se danas za spoljnu konstrukciju češće koristi izraz primarna konstrukcija. Primarna konstrukcija ima statičku (noseću) funkciju, ograničava deformacije na dozvoljenu meru i zadatak da osigura pouzdano i bezbedno korišćenje objekta. U slučaju jednoslojne obloge (prefabrikovane ili izvedene na licu mesta) primarna konstrukcija će se koristiti i za izvođenje finalne površine tunela. Treba napomenuti da se pod jednoslojnom oblogom smatraju i obloge od prskanog i livenog betona koje deluju integralno (složena jednoslojna obloga). U savremenoj tunelogradnji se najčešće izvodi obloga iz dva dela. Dvoslojna obloga se sastoji od spoljneprimarne, unutrašnje-sekundarne konstrukcije i hidroizolacije između njih. Tokom vremena menjali su se i odnosi nosivosti obloga. Tradicionalnim pristupom nosivost primarne konstrukcije je zanemarivana, tj nije uključena u prihvatanje opterećenja u toku eksploatacije. Alternativa ovakvom pristupu je posmatranje primarne i sekundarne obloge kao integralnog sistema koji zajedno učestvuju u prihvatanju i prenosu opterećenja shodno svojim geometrijskim i mehaničkim karakteristikama. Primenjuje se i raspodela nosivosti kod koje primarna konstrukcija prihvata opterećenje od brdske mase a sekundarna konstrukcija opterećenje opreme.
1.2 Projektovanje Svaki tunel je unikatan. Geološki uslovi, značaj tunela, namena tunela, metode izgradnje, opterećenja, dimenzije tunela i materijali koji se koriste, menjaju se od tunela do tunela. Svi napred navedeni elementi utiču na izbor tehničkog rešenja a samim tim i na vrstu obloge koja će se primeniti. U nastavku poglavlja su ukratko pomenute stvari koje je važno uzeti u obzir pri izboru obloge tunela.
1.2.1 Krutost obloge i deformacije Obloga tunela je konstruktivni sistem, ali različit od drugih konstrukcija zbog interakcije sa okolnim tlom i njihovim zajedničkim ponašanjem i obezbeđenjem stabilnosti i ukupne nosivosti za opterećenja koja deluju. Gubitak ili nedostatak nosivosti okolnog tla može prouzrokovati lom tunelske obloge. Mogućnost obloge da se deformiše pod opterećenjem je u funkciji relativnog odnosa krutosti stene i tunelske obloge konstrukcije. Uobičajeno, tunelska konstrukcija je fleksibilnija od stenske mase. Veća fleksibilnost omogućava oblozi da prati deformaciju okolnog tla tokom i nakon završetka iskopa. Deformacijom okolno tlo mobilizuje čvrstoću i stabilizuje se. Deformacija tunelske obloge dovodi do redistribucije momenata u aksijalne sile i sile potiska. Najefikasniji su visoko fleksibilne i duktilne konstrukcije. Tunelska obloga održava stabilnost i kapacitet nosivosti kontaktom sa okolnim tlom. Kako se konstrukcija opterećuje razvijaju se deformacije u jednom delu obloge usled čega se razvija pritisak na sledeći deo obloge. Pasivan pritisak koji se razvija sprečava izvijanje ili kolaps. Duktilnost omogućava stvaranje zglobova u tačkama sa velikim momentima čime se momenti pretvaraju u aksijalno opterećenje. Duktilnost u betonu se obezbeđuje pojavom pukotina. Armiranjem odnosno nearmiranjem mogu se planirati mesta u kojima će doći do pojave prslina odnosno stvaranja zglobova. U pefabrikovanoj oblozi spojevi obezbeđuju duktilnost. Kod obloge od čeličnih ploča, zanemarljiva krutost na savijanje čeličnih ploča i duktilna svojstva čelika omogućavaju formiranje sličnih zglobova.
1.2.2 Zahtevi konstrukcije Materijali: Izbor materijala tunelske obloge treba uraditi u skladu mogućnostima transporta i rukovanja materijalom u ograničenom prostoru unutar tunela. Elementi moraju biti mali i laki za rukovanje. Dužine elemenata treba proveriti da bi bio siguran da su u skladu sa horizontalnom i vertikalnom geometrijom tunela. Materijali trebaju da budu dugotrajni, netoksični i negorivi. Detalji: Trebaju da obezbede lako izvođenje konstrukcije. Na primer zakošenjem spojeva u oblozi livenoj na licu mesta mogu se eliminisati teškoće koje se javljaju pri izvođenju pregrada na nepravilno iskopanim površinama. 3
Procedure: Procedure za izvođenje trebaju da uslovima konkretnog tunela, često se radovi izvode u vlažnim i mokrim uslovima, ponekad sa tečenjem vode. Sredstva i metode treba da budu takve da ne blokiraju deo tunela duži period. Čitava dužina tunela treba da bude slobodna (pristupačna) što je duže moguće.
1.2.3 Trajnost Tunel je skup objekat i projektovan da se koristi duži niz godina. Mnogi postojeći tuneli su u upotrebi više od 100 godina bez naznaka o eventualnom prekidu korišćenja. Imati tunel koji se ne koristi na duži period je veliki gubitak u eknomskom smislu. Zbog toga se detalji i materijali moraju birati tako da mogu da izdrže uslove koji vladaju u podzemlju. Sve konstrukcije uključujući i tunele zahtevaju inspekciju, održavanje i rahabilitaciju. Ipak rešenja bi trebalo da budu takva da je održavanje jednostavno i trajnost maksimalna. Tuneli na autoputevima mogu biti izloženi ekstremnim uslovima kao što su požar usled incidenata u tunelu. Pri rojektovanju obloge moraju se u obzir uzeti i efekti koji se dešavaju u takvim slučajevima. Obloga treba da bude sposobna da izdrži vrelinu vatre određeni period bez gubitka konstruktivnog integriteta. Vremenski period će biti u funkciji intenziteta požara koji se može pojaviti i vremena potrebnog da protivpožarne jedinice ugase vatru. Obloga treba da bude sa minimalnim oštećenjima kako bi se tunel pripremio za ponovno korišćenje u što kraćem roku. Postoje dve osnovne načina zaštite obloge od vatre: spoljna ili unutrašnja zaštita. Spoljna zaštita se može obezbediti za požare relativno niske temperature primenom obloga ili zaštitnim slojevima nanesenim prskanjem. Unutrašnja zaštita se može obezbediti dodavanjem polipropilenskih vlakana u mešavinu betona. U ovom slučaju, polipropilenska vlakna se tope, a kapilari koji su rezultat toga, obezbeđuju izlaz za vlagu iz betona, što može pomoći da se smanji raspadanje materijala/ljuštenje pod spoljašnjim uticajima (Tomas 2009a). Na trajnost obloge utiče debljina obloge, oblik elementa, veličina zaštitnog sloja armature, vrsta betona i agregata koji se koriste i dr..
1.2.4 Anti koroziona zaštita Korozija je povezana sa čeličnim elementima od kojih je formirana obloga ili koji ugrađeni u beton. Podzemna voda, hemikalije, prsline, izduvni gasovi, raznorodni metali, voda za pranje, deterdženti, bakterije čelika, lutajuća struja su izvori koriozije metala. Svaka od ovih pojava kao i neke druge se pojavljuju u jedinstvenom obliku i koje treba analizirati u toku proktovanja. Metod zaštite i način uništavanja izvora korozije treba da bude definisan u projektu. Zaštita od korozije može se predvideti u obliku obloga i premaza kao što su epoksidi, praškasti premazi, zaštitne boje, ili cinkovanje. Izolaciju treba predvideti između raznorodnih metala i u obliku prepreka za prolaz lutajućih struja. Beton velike gustine može zaštiti armaturne čelike. Premazima se može smanjiti prodiranje vode koja je izvor gotovo svih korozivnih procesa. Završnomn obradom mogu se zaštititi elementi konstrukcije od korozije. Katodne zaštite rade na principu žrtvovanja materijala koji čuva osnovni matreijal od korozije. U visoko korozivnim sredinam pušta se struja koja će izazvati korodirajući sloj koji će obavljati zaštitnu funkciju. Ovakav sistem je vrlo efikasan ako je pravilno projektovan, izveden i redovno održavan. Žrtvovani deo preseka se posle određenog vremena mora zameniti a električno napajanje treba redovno servisirati. Troškove ovakvog načina antikorozivne zaštite treba uključiti u operativne troškove tunela zbog konstantne upotrebe struje i održavanja. Povećanjem zaštitnog sloja betona ostvaruje se bolja zaštita armaturnog čelika od korozije. Povećanjem zaštitnog sloja povećava se i debljina tunelske konstrukcije. Povećana debljina prouzrokuje i veći iskop a samim tim i cenu izvođenja.
1.2.5 Spojevi Spojevi na konstrukciji se izvode da bi olakšali izgradnju. Beton liven na licu mesta ima prekide betoniranja i dilatacione spojeve. Spojevi mogu biti zakošeni ili stepenasti. Prefabrikovani betonski elementi mogu imati vezu na šraf ili na pritisak (bez zavrtnja). Veza na pritisak može biti sa dihtungom ili
4
bez. Čelične prefabrikovane obloge su najčešće spojene zavrtnjima. Detaljnije informacije o prednostima i manama spojeva date su u nastavku. Spojevi omogućavaju relaksacije napona koji se javljaju usled pomeranja i temperaturnih promena. Beton liven na licu mesta treba da ima konstruktivni spoj na svakih ~10 m i dilatacioni spoj na ~40 m. Dilatacioni spoj treba obavezno staviti i na kontaktu deonica koje se izvode u otvorenom iskopu i tunelski. Segmentna tunelska obloga ne mora da ima konstruktivne spojeve, a dilatacioni se stavljaju samo na spoju tunelske deonice sa otvorenom deonicom.
1.2.6 Izbor tipa obloge Svaki tunel je jedinstven posmatrajući geološke karakteristika, oblik poprečnog preseka, stanje podzemnih voda, trase i primenljivih tehnologija izgradnje. Imajući u vidu širok spektar kombinacija, preporuke za izbor obloge mogu se dati uz pomoć generalizacija. Vrsta obloge će se birati na osnovu mišljenja i iskustva projektanta. Nije redak slučaj da izvođač radova traži promenu vrte obloge načina iskopa ili oboje. U nastavku teksta definisani su uslovi u kojima se mogu primenjivati određene obloge i ograničenja za njihovu primenu na projektima. Obloga livena na licu mesta može se koristititi u svim tipovima tunela i metodima izvođenja. Oblik obloge od livenog betona može se izvesti u bilo kom obliku i mogu se optimizovati prema različitim zahtevima. Ona zahteva primarnu konstrukciju u nekom obliku da bi se osigurala kontura iskopa u toku izvođenja betonske obloge (postavljanje oplate, betoniranje negovanje). Najčešće se koristi u čvrstim stenama koje iskopavaju miniranjem, mekim materijalima koje se izvode po NATM metodi i kod tunela koji se izvode u otvorenom iskopu. Livena obloga se izvodi i u čvrstim i mekim stenama koje se iskopavaju iskopnim mašinama. Kod ovakvih tunela obloga od livenog betrona je finalna obloga koja se izvodi nako primarne konstrukcije. Ipak primena dvoslojne obloge (liveni beton-finalni) u tunelima koji se mašinski iskopavaju zahteva veće iskope u odnosu na jednoslojnu oblogu što može proizvesti veće troškove. Livena obloga se izvodi između spoljne-primarne obloge koja je obložena vodonepropusnom membranom i oplate sa suprotne strane. Oplata se ne sme skidati dok beton ne postigne potrebnu nosivost. Nakon skidanja oplate mora se raditi nega betona. Prilikom postavljanja armature, betonskog čelika i oplate mora se voditi računa da ne dođe do oštećenja vodonepropusne membrane. Prefabrikovana obloga se koristi u čvrstim i mekim materijalima kada se iskop izvodi tunelskim mašinama. Ovakva jednoslojna obloga obezbeđuje i prihvatanje opterećenja u toku izvođenbja radova i finalnu oblogu tunela. Ovaj sistem zahteva postavljanje zaptivki na spojevima betonskih elemenata kako bi se obezbedila vodonepropusnost obloge. Elementi obloge se moraju proizvoditi vrlo precizno, sa malim tolerancijama. Potrebna je i specijalna oprema za transport i montažu elemenata. Kada se element montira obloga je gotova. Čelična montažna obloga se može koristiti u svim materijalima i tehnologijama izvođenja. Čelični elementi formiraju oblogu koja obavlja funkciju podgrade iskopne konture i finalne obloge tunela. Takođe zahteva zaptivne trake na spojevima elemenata. Elementi obloge se moraju proizvoditi vrlo precizno, sa malim tolerancijama. Potrebna je i specijalna oprema za transport i montažu elemenata. Čelični elementi (ploče) su obično tanki i nemaju veliku krutost u podužnom pravcu. Nedostatak krutosti ograničava veličinu potisne sile koja je potrebna tunelskoj mašini prilikom iskopa. U čvrstim stenama koje zahtevaju veliki sile potiska za napredovanje tunelske mašine ne može se primeniti ova obloga. Nedostatak ove obloge je i korozija koja može značajno smanjiti trajnost obloge. Obloga od prskanog betona Može se koristititi u svim tipovima tunela i metodama izvođenja. Ona predstavlja alternativu primeni obloge od livenog betona. Izvodi se u slučajevim kada se želi postići ušteda u novcu i vremenu u odnosu na izvođenje klasične livene obloge Prskani beton se široko primenjuje za izvođenje primarne konstrukcije, ali još uvek ne tako često i za sekundarnu konstrukciju. Prskani beton ima veću poroznost a samim tim i veću vodopropusnost od livenog betona. Ova pojava može da dovede do korozije armature kojom je obloga od prskanog betona ojačana, čime se smanjuje vek trajanja. Razvojem tehnologije izvođenja, postiže se zadovoljavajuća trajnost i izgled obloge od prskanog betona i omogućava njegova primena u trajnim konstrukcijama.
5
1.3 Livena Betonska obloga 1.3.1 Opšte Obloga od livenog betona koristi se kao finalna obloga kod dvoslojnih obloga. Primarna konstrukcija instalira se u tunelu nakon iskopa i može se izvesti od prskanog betona, remenata ankera, prefabrikovanih elemenata ili sl. Vodonepropusni i/ili drenažni sistem se najčešće postavljaju između primarne konstrukcije i obloge od betona livenog na licu mesta. Prednosti obloge od livenog betona su: mogućnost primene sa svakom metodom iskopa i nečina podgrađivanja lako ispravljanje grešaka pri iskopu, može biti proizvoljnog oblika dobra podloga za izvođenje bilo koje završne obloge ima veliku trajnost i niske troškove održavanja Nedostatci su :
Ugradnja betona naročito u armiranim zonama. Priroda i oblik konstrukcije onemogućavaju dobro vibriranje betona što može dovesti do loše ugradnje i nedovoljne konsolidacije betona, naročito oko armature. Kod armirano betonskih konstrukcija armatura može biti predmet korozije što može izazvati i propadanje betona. Ovaj problem koji je karakterističan za sve betonske konstrukcije, kod tunela može biti i izraženiji zbog prisustva podzemnih voda ili hemijski agresivnih supstanci. Pukotine smanjuju vek trajanja konstrukcije Izvođenje dvoslojne obloge produžava vreme izvođenja radova (drugi prolaz nakon završetka iskopa i primarne konstrukcije). Na slici 4 je prikazan karakterističan drumski tunel izveden u steni miniranjem. Inicijalna podgrada formirana je prskanim betonom i ankerima, i u zavisnosti od geoloških uslova je promenljiva duž trase tunela.
Slika 4- Tipičan poprečni presek tunela sa oblogom od livenog betona (Cumberland Gap Tunnel). 6
Kada se kombinuje livena obloge i prefabrikovana obloga, prefabrikovani elementi se grubo obrađuju i finalne obloge se lije nakon postavljanja vodonepropusne polietilenska folija velike gustine.
1.3.2 Projektovanje Sa ciljem da se poveća fleksibilnost i duktilnost, livena betonska obloga treba da bude što tanja. Tu postoji i uslov minimalne debljine konstrukcije kako bi se konstrukcija kvalitetno izvela (ugradnja, zaštitni slojevi, konsolidacija). Debljina konstrukcije od 25 cm prihvaćena kao minimalna za tunelske obloge od livenog betona, kako bi se obezbedilo dovoljno mesta za postavljanje armature (dva reda armature, preklopi armature, smaknuto postavljanje), zaštitni sloj i ugrađivanje betona.
Slika 5- Opterećenja u tunelskoj konstrukciji Liveni beton se koristi kao finalna obloga. Najčešće se hidroizolacija postavlja između slojeva primarne i sekundarne konstrukcije. Postojanje hidroizolacije između dve obloge onemogućava integralno delovanje obloge, odnosno zajedničko prihvatanje opterećenja. Problem statičkog proračuna dvoslojne obloge rešava se uvođenjem pretpostavki i pojednostavljenja. Najčešće se primenjuju dve teorije: 1. finalna-sekundarna konstrukcija prihvata čitavo opterećenje, čime se nosivost primarne obloge zanemaruje. 2. primarna konstrukcija prihvata čitavo spoljno opterećenje, a sekundarna konstrukcija prima unutrašnja opterećenja (sopstevna težina, oprema, skupljanje, temperatura, aerodinamički pritisak - kretanja saobraćaja) U drugoj teoriji se praktično uvodi pretpostavka da je primarna konstrukcija dovoljno kvalitetna i dugotrajna da će u toku čitavog radnog veka tunela biti sposobna da prihvati opterećenje. Postoje i neke druge teorije proračuna koje će detaljnije biti prikazane u poglavlju 6 Proračuni. Ukoliko se proračunom dobije vrlo tanka obloge tunela od livenog betona usvaja se minimalna debljina prema sledećim preporukamna: 20 cm za obloge bez armature 25 cm za obloge sa armaturom 30 cm za vodonepropusne obloge Minimalni zaštitni sloj armature: 3 cm za spoljnju površinu koja nije zaštićena membranom 5-6 cm na spoljašnjoj površini ako je pored podzemnih voda 4-5 cm na unutrašnjoj površini. U praksi se retko sreće zaštitni sloj armature manji od 5 cm. U zavisnosti od hidrogeoloških uslova i eksploatacionih zahteva projektuju se drenažni sistem i hidroizolacija tunela. Osim hidroizolacije koja se postavlja u vidu folije ili premaza po celoj dužini tunela, na mestima prekida betoniranja, koji predstavljaju slaba mesta, projektuju se dodatne mere za sprečavanja prodora vode. Sprečavanje prolaza vode kroz spoj radi se pvc zaptivnim trakama (fugebandima, waterbar), bubrećim trakama, zaptivnim masama ili njihovim kombinacijama u zavisnosti od očekivanog priliva vode (slika 6). Na mestima prekida betoniranja nekad se ostavljaju i dodatne instalacije-cevi za naknadno injektiranje spojnica. Spojevi mogu biti radni ili dilatacioni spojevi. Osnovna razlika je u tome da li spoj dozvoljava rad konstrukcije ili ne. Ako je spoj dilatacioni onda kroz njega ne 7
25-35
25-35
25-35
5-10
25-35
5-10
prolazi armatura i ostavlja se zazor od nekoliko centimetara (obično 2-3 cm) koji se ispunjavaju stišljivom ispunom (slika 6d)
Slika 6- Spojevi u livenoj oblozi Hemijsko delovanje podzemne vode na konstrukciju treba ispitati kao bi se predvidela zaštita i sprečilo oštećenje konstrukcije. Izborom odgovarajuće membrane može se problem rešiti. Aditivi, sulfatno otporan cement i beton velike zbijenosti mogu takođe biti potencijalna rešenja. Ovaj problem se rešava od slučaja do slučaja u zavisnosti od agresivnosti supstanci koje deluju i tehničkih rešenja koja su dostupna. Ponašanje betona pri požaru mora da se obzir pri projektovanju. Kada se beton zagreje do određene temperature on puca i otpada. Ovakve pojave predstavljaju opasnost za putnike koji pokušavaju da se evakuišu iz tunela i vatrogasce. Izbacivanje komada obloge se dešava usled isparavanja vode zarobljene u porama betona i koja ne može da slobodno izađe. Prskanje komada betona se takođe dešava usled pucanja agregata i pada čvrstoće betona na površini betona usled duže izloženosti visokoj temperaturi. Iarmaturni čelik izložen visokim temperaturama gubi nosivost. Usled prskanja i gubitka nosivosti armature može doći do popuštanja, promene geometrije obloge, preraspodele napona i evelntualno do pucanja. Obloga može biti zaštićena od vatre. Može se izvesti spoljna ili unutrašnja zaštita. Spoljna zaštita se izvodi premezima ili penetratima koji su dostupni na tržištu. Ovakvim proizvodima se uglavnom obloga štiti od relativno niskih temperatura. Treba biti obazriv sa njihovom primenom, u tom smislu da je potrebno tačno definisati nivo zaštite koji može obezbediti. Korišćenje polipropilenskih vlakana smanjuje ispravanje zarobljene vode, odnosno topljenjem plastičnih vlakana oslobađa se put za oslobađanje vode. Mešavina betona treba da bude projektavna tako da ima dovoljno sleganje, odnosno dobru ugradljivost. Preporučljivo je sleganje od 12-15 cm. Beton treba da ima više uvučenog vazduha u strukturu betona, kako bi se povećala trajnost i otpornost na mraz. Vlažna sredina i hladno vreme deluju razarajuće na oblogu, naročito u zoni portala. Preporučuje se procenat uvučenog vazduha od 3-5%. Treba težiti klasičnom betonu jer betoni visokih čvrstoća imaju kompleksne mešavine sa mnoštvom aditiva i specijalnim tehnikama ugradnje i negovanja. Obzirom da je u tunelskim konstrukcijama beton pretežno optrećen na pritisak (slika 5), čvrstoća betona u opsegu 24-31 MPa je prihvatljiva za izvođenje tunelske konstrukcije . Za ojačanje se koriste uobičajni armaturni čelik rebrasti (RA400/500) ili mreže (MA 500/560) U skladu sa napred navedenim u projektu treba jasno definisati marku betona, posebna svojstva betona (vodonepropusnost, otpornost na mraz ...) vrstu armature, dodatke (sintetička vlakana) i drugo prema potrebi.
8
1.3.3 Izvođenje Betonska obloga od livenog betona izvodi se u kampadama. Izvođenje jedne kampade sastoji se od montaže armature, postavljanja oplate, izlivanja obloge, negovanja. Dužinu kampade betoniranja i oplate bira se u zavisnosti od veličine tunela, tehničkih mogućnosti (mogućnost prilaza, cene i dostupnosti oplata itd) roka za izvođenje radova, očekivanih napona usled skupljanja i temperature i dr. Najčešće se usvajaju dužine kampada koje omogućavaju završetka ciklusa betoniranja u okviru jedne smene. Dužine kampada su uobičajeno od 6-20 m. Nakon završetka postavljanja i vezivanja armatutre postavlja se oplata. Najčešće se koriste klizne oplate koje se mogu prilagođavati različitim oblicima tunela. Oplata mora da prihvati sva opterećenja u toku izvođenja radova (do očvršćavanja betonske obloge). Treba da bude konstruisana tako da omogućava prolaz iskopne kompozicije, osim u smeni kada se betonira (uliva beton u oplatu kampade). Ipak organizacija radova će biti tako postavljena da betoniranje što manje remeti proces iskopa materijala. Oplate su klizne, tako da se prenos oplate, montaža i demontaža vrši hidrauličkim kolicima koja se kreću po šinama. Za šalovanje jedne kampade mogu se koristiti i dve ili više oplata kako bi se olakšala manipulacija. Postoje brojni svetski proizvođači tunelskih oplata, a kod nas su najpoznatiji CIFA, DOKA; PERI; NOE itd.
Slika 7- Klizne tunelske oplate U postavljenu i centriranu teleskopsku oplatu uliva se beton projektovanih karakteristika. Doprema betona sa ulazne strane tunela radi se šinskim ili drumskim mikserima, opremljenim motorima za rotaciju bubnja kako ne bi došlo do segregacije betonske smeše. Betoniranje se kao i kod drugih betonskih konstrukcija radi u slojevima. Debljina sloja za betoniranje orijentaciono iznosi 25-50cm, a u nekim slučajevima može biti i veća, ali izvođač radova mora usvojiti tehnologiju betoniranja kojom će se postići zadovoljavajući kvalitet obloge. Betoniranje se radi ravnomerno sa obe strane poprečnog preseka tunela (simetrično u odnosu na osu tunela) kako bi konstrukcija oplate bila simetrično opterećena. Betons ugrađuje kroz otvore na čelu (početku i kraju) kampade i kroz za to namenjene otvore na oplati. U toku betoniranja beton se mora vibrirati. Obzirom na nemogućnost pristupa unutrašnjosti elementa vibriranje se radi oplatnim vibratorima (vrlo retko vibro iglama). Naročito problematično je ugrađivanje betona u vrhu kalote (temenu tunela), gde vrlo često ostaje šupljina koja se naknadno injektira cementnim malterom. Injekcione cevi se instaliraju u elemente oplate pre nanošenja betona kako bi se olakšalo izvođenje te operacije. Razmak između injekcionih cevi duž nekog tunela bi trebalo da bude ograničen na 3 m i date cevi bi trebalo da budu udaljene od temena tunela po 15 stepeni sa svake strane. Oplata se skida i pomera dalje kada beton postigne potrebnu čvrstoću. Nakon toga se beton neguje, a za to vreme počinju radovi na sledećoj kampadi.
9
1.4 Prefabrikovana betonska obloga 1.4.1 Opšte Oplata od prefabrikovanih segmenata se koristi kod kružnih tunela koji se prokopavaju pomoću tunelskih mašina. One se mogu koristiti i u mekom i u čvrstom tlu. Nekoliko prefabrikovanih elemenata se montiraju unutar repa mašine da bi formirali kompletni krug. Broj segmenata koji se koristi za formiranje prstena zavisi od prečnika tunela i u određenoj meri, od želja i mogućnosti izvođača radova. Segmenti su relativno tanki, 20 do 30 cm i obično su široko 1 do 1,5 m, mereno duž ose tunela. Prefabrikovana segmentna oplata se može kao primarna konstrukcija kojom se stabilizuje iskop, kada za njom sledi betonska obloga livena na licu mesta (dvoslojna obloga), ili može služiti i kao primarna i kao sekundarna-finalna konstrukcija (jednoslojna obloga) koja je zvršena odmah iza repa tunelske mašine. Segmenti koji se koriste kao primarna konstrukcija su obično blago armirani,nisu povezani zavrtnjima i nisu vodootporni. Ovi segmenti se motiraju pod zaštitom obloge tunelske mašine. Nakon montaže svih elemenata prstena uključujući i završni element obloga je kompletirana. Tunelska mašina dalje nastavlja iskop uz pomoć hidrauličnih presa koje se oslanjaju na montirane elemente prstena. Pomeranjem mašine oslobađa se prostor između montažne obloge i stenske mase koji je mašina zauzimala. Slobodan prostor se ispunjava kontaktnim injektiranjem kako bi se obezbedio kontakt između segmenata i okolnog tla. Vodootporna membrana se instalira preko obloge a konačna betonska oplata se izliva na licu mesta preko vodonepropusne membrane. Horizontalne i vertikalne krivine koje se javljaju duž trase tunela se izvode segmentima konusnog oblika. Krivina se aproksimira pomoću tetiva odnosno više zarotiranih pravih delova. Prefabrikovani segmenti koji imaju funkciju primarne i sekundarne oblogeizvode se vrlo kvalitetno i smalim tolerancijama. Ovakve obloge su jače armirane, opremljene zaptivačima na svim svim spojevima zbog vodonepropusnosti i spojeni zavrtnjima kako bi se obezbedile potrebne sile pritiska u vezama nakon montaže segmenata, a pre nastavka napredovanja tunelske mašine. Kada kompletiran prsten napušta rep štita tunelske mašine vrši se kontaktno injektiranje da bi se ispunio prstenasti prostor koji je ranije zauzimao štit. Ovo obezbeđuje kontinualan kontakt između prstena i okolnog tla i pomeranje segmenata i poremećaje gometrije. Spajanje zavrtnjima se često izvodi samo u poprečnom pravcu. Potiskivanje tunelske mašine je obično dovoljno da zbije zaptivke na spojevimna u podužnom pravcu. Trenje između tla i segmenata drži segmente na za njih predviđenom mestu, održavajući pritisak na zaptivaču. Segmenti najčešće imaju ravnu unutrašnju površinu, Prednosti prefabrikovane segmentne oplate su sledeće:
Obezbeđuje kompletno i stabilno podupiranje tla koje je odmah spremno za buduće radove, Materijali se lako transportuju i njima se lako rukuje u tunelu, Dobija se kompletirana obloga odmah iza tunelske mašine (puna nosivost, vodonepropusnost i dr.) Skraćenje vremena izgradnje tunela, Obezbeđuje dobru i zdravu podlogu za završnu obradu u tunelu. Obezbeđuje trajnu konstrukciju koji zahteva minimum održavanja. Veća bezbednost i zaštita životne sredine pri izvođenju radova Nedostaci prefabrikovane segmentne oplate su sledeći:
Segmenti moraju biti proizvedeni vrlo kvalitetno i precizno (minimalne tolerancije). Armatura i betonski čelik takođe moraju biti proizvedeni vrlo precizno, Potreban veliki prostor za skladištenje segmenata na samoj lokaciji. Segmenti mogu pretrpeti oštećenja ukoliko se njima ne rukuje pravilno. Segmenti moraju biti instalirani sa minimalnom tolerancijom kako bi se obezbedila geometrija i funkcionisanje zaptivača u skladu sa projektom. Pukotine koje omogućava infiltraciju vode mogu skratiti trajnost obloge.
1.4.2 Geometrija segmentne obloge Prefabrikovana obloga koja se sklapa unutar tunelske mašine sa štitom je u stvari niz elemenata, koji se nazivaju segmentima, sa unapred propisanim dimenzijama i oblicima kako bi se obezbedilo sledeće: 10
1. Konstrukcija stabilne obloge, kako kratkoročno tako i dugoročni, uzimajući u obzir sva očekivana opterećenja. 2. Podužni kontinuitet u odnosu na pravac pružanja tunela. 3. Brzu i bezbednu montažu u zadnjem delu tunelske mašine pod zaštitom štita.
Slika 8- Elementi segmentne obloge
1.4.2.1 Vrste prstena Sa geometrijskog gledišta, prstenovi su delovi cilindra sa površinom koja može biti ili paralelna ili neparalelna, kao što je prikazano ispod i na slici 9:
paralelne površine ne-paralelne površine
→ →
prav prsten konusni trapezoidni prsten - jednostrano zakošen konusni univerzalni prsten - dvostrano zakošen
Slika 9- Geometrija različitih tipova prstenova Razlika između ova dva tipa prstena (pravi i konusni) se odnosi na njihovu različitost tokom faze montiranja, a nema nikakve razlike u funkciji određenog prstena. Pravi prsten se može koristiti samo na pravim delovima trase tunela: kao sekvenca, ovi elementi se mogu koristiti samo da se napravi „cev“ sa pravom osom. Konusni trapezoidni prstenovi, nasuprot tome, 11
omogućavaju da oplata prati unapred definisane krive u horizontalnom ili vertikalnom pravcu i nekih slučajnih devijacija prouzrokovanih radom tunelske mašine. Upotreba ova dva tipa prstenova na čelu iskopa ukazuje na to da se mora upotrebiti odgovarajući u zavisnosti na pravce pružanja tunela. Zbog toga je neophodno imati na raspolaganju odgovarajuće tipove prstenova na samom gradilištu. Sadašnja tendencija je da se univerzalni prsten sistematski upotrebljava i u pravim i u zakrivljenim delovima tunela. Ovaj pristup omogućava da se i horizontalne i vertikalne krivine prate bez upotrebe drugih specijalnih elemenata kao i da se koriguju bilo kakve devijacije koje su se desile tokom napredovanja mašine. Geometrijska karakteristika koja neki prsten čini univerzalnim je njegova koničnost, drugim rečima, razlika između njegove maksimalne i njegove minimalne dužine. Slika 10 pokazuje upotrebu univerzalnog prstena. Slika 11 demonstrira stvarnu mogućnost da se istovremeno izvede i horizontalna (Rplan)i vertikalna krivina (Ralt). Radijus zakrivljenosti vertikalne krive je obično za jedan red veličine veći nego radijus horizontalne krive. Iz tog razloga se reference mogu odnositi samo na horizontalni radijus. U slučaju u kome su pomenuta dva radijusa istog reda veličina onda se refernce moraju odnositi na onaj radijus koji proizilazi iz kompozicije obe krive u cilju definicije geometrije univerzalnog prstena.
Slika 10-
Slika 11-
Koncept obloge univerzalnim prstenom
Mogućnosti izvođenja zakrivljene obloge univerzalnim prstenom 12
Univerzalni prstenovi određene geometrije su poznati kao „levi-i-desni“ prstenovi. Ovo su istinski univerzalni prstenovi, posmatrani sa bilo kog gledišta, ali se proizvode u parovima. Geometrija ovih prstenova je jednaka za oba prstena, ali je raspored segmenata unutar „levog“ prstena dijametralno suprotan onome unutar „desnog“ prstena, tako da se naizmeničnim postavljanjem levih-i-desnih prstenova omogućava da izbvođenje pravog tunela, sa završnim segmentom koji je uvek na vrhu. Kako bi se dobila prava linija koristeći univerzalne prstenove, potrebno je svaki prsten okrenuti za 180⁰ u odnosu na onaj prethodni, uz alternativu da se ključni segment (k-segment, vidi Slik 5.36) locira i na vrhu i na dnu. Koristeći desni i levi prsten uvek je moguće upotrebiti i ključni segment ili k-segment na vrhu i zahvaljujući tome konstruisati određeni prsten sa dna naviše. Ovaj sistem zahteva postojanje dva tipa prstenova ali ima naročitih prednosti kada postoji mali broj krivih odn. krivina i pominjanja „univerzalnost“ je uglavnom posvećena korigovanju neizbežnih, iako malih, grešaka koje čini tunelska mašina tokom svog kretanja i rada. Jedan od načina da se izbegne upotreba dva prstena, a da se pri tome k-segment ne stavlja prvo na vrh a zatim na dno, je locirajući dati k-segment na jednu od strana datog prstena. Konačno je neophodno pomenuti da postoji posebna grupa prefabrikovanih vrsta oplate koja se naziva heksagonalnim elementima (saćasti elementi - Slika 12). Ova konfiguracija ne dozvoljava da se napravi pravi prsten već jednostavno stvara ponavljajuću sekvencu jednakih elementana koji direktno formiraju celokupnu oblogu. Ova vrsta se često koristi u specifičnim okruženjima, npr. u slučajevima dugih i dubokih tunela kao i u hidrauličkim tunelima, koji se grade pomoću MBT sa dvostrukim štitom, bez kontrole pritiska na čelu. Ona se retko koristi u gradskim uslovima jer ne nudi dovodljne garancije dobrog hidrauličkog zaptivanja; ona takođe ne dozvoljava da se prate krivine, osim onih sa veoma širokim radijusom, koje nisu veoma česte u ovakvim situacijama.
Slika 12-
Prsten sa heksagonalnim elementima
1.4.2.2 Tipovi segmenata Kako bi se razumelo kako se vrši odabir oblika određenog segmenta, neophodno je ispitatati proces montiranja prstena unutar repa štita. Svaki prsten se montira unutar repa date MBT pomoću erektora. Proces montaže generalno podrazumeva izgradnju prstena počevši od prvog segmenta i završavajući za završnim, k-segmentom, čije prisustvo uvek mora biti predviđeno i koji se, naravno, locira na suprotnoj strani prstena koji ima kontra k-segment. Pomenuti k-segment ima oblik trapezoida, sa najdužom stranicom koja gleda u čelo potkopa i on je obično manji od svih ostalih elemenata. Kako bi se instalirao k-segment neophodno je imati dva kontra ksegmenta sa stranama koje su tako zakošene da odgovaraju obliku datog k-elementa. Što se preostalog dela tiče ostali elementi mogu imati bilo koji od specifičnih geometrijskih oblika koji su prikazani na slici 13. Pored već pomenutog heksagonalnog oblika svi ostali su četvorostranični (pravougaonik, trapezoid ili romboid). Iz ovoga sledi da svi prethodno ilustrovani prstenovi mogu biti konstruisani pomoću oblika koji su na raspolaganju. Slike 14 i 15 prikazuje različite konfiguracije prstenova sa segmentima različitih oblika čiji 13
odabir zavisi od sistema konekcije segmenata unutar prstenova, kao i od niza prstenova, kao što je objašnjeno u nastavku.
Slika 13-
Slika 14-
Slika 15-
Oblici segmenata
Konfiguracija prstena sa pravougaonim segmentima (unutrašnji razvijeni izgled)
Konfiguracija prstena sa trapeznim segmentima (unutrašnji razvijeni izgled)
1.4.3 Pomoćni elementi Pojedinačni segment je izbliza mnogo složeniji nego što se to čini na prvi pogled; on se sastoji iz različitih elemenata koji se mogu označiti kao pomoćni elementi, i ima i specifičnu geometriju koja ga štiti od urušavanja i istovremeno olakšava njegovo sklapanje (slika 16).
14
Slika 16-
Izgled kompletnog segmenta
Veze između segmenata i prstenova Veze između segmenata i prstenova se, u sadašnjem trenutku, mogu podeliti na 2 kategorije: 1. Spojnice sa zavrtnjima: segment se prvo montira na odgovarajuću poziciju a onda se zavrtnji ubacuju i pritežu. 2. Spojnice sa moždanicama: konektori, koji se potpuno prekriveni i skriveni, se umeću u segment tokom sklapanja i onda se pričvršćuju klinom (ili pomoću tzv. „lastinog repa“) u segment poslednjeg sklopljenog prstena. Prva pomenuta kategorija, spojnice sa zavrtnjima, zahteva više napora tokom izgradnje kalupa jer je neophodno stvoriti „džepove“ i „žljebove“ u koje se umeću zavrtnji. Ova vrsta veze se tradicionalno povezuje sa pravougaonim segmentima i generalno se koristi i između prstenova i između segmenata unutar jednog prstena. Sami zavrtnji su metalni dok su navoji delovi (ženski deo), obično od plastike.
15
Slika 17-
Tipične veze segmenata na zavrtanj
Slika 17 pokazuje tipske veze elemenata zavrtnjimae pravog zavrtnja.
Sistem podizanja segmenata Metod podizanja segmenata pomoću sistemâ erektora se može podeliti na dve glavne kategorije: „vakuum“ tipovi koji podižu pomoću „usisavanja“, i mehanični tipovi. Vakumski sistem funkcioniše preko velike usisne posude koja je podeljena na dva ili tri dela iz bezbednosnih razloga, koja, oslanjajući se na intrados segmenta, „hvata“segment stvarajući vakum između njegove ploče i betonske površine. Dva konična uređaja za centriranje, na kojima je sisem postavljen koriste se radi veće bezbednosti Mehanički sistem uključuje i brzi navoj šrafa u centru segmenta u koji se umeće odn. ubacuje veliki šraf. Ovaj šraf ima sferičnu glavi koja je dovoljno velika da se može povezati nekim alatom. Erektor kompletiraju četiri elementa koja pritiskaju intradose datog segmenta kako bi ga sprečila da rotira oko polazne tačke.
16
Slika 18-
Slika 19-
Konusna udubljenja za vakum hvatače erektora
Mesto za mehaničko hvatanje erektora
Vodonepropusni sistem Generalno govoreći, vodonepropusnost prstena garantuju sledeći faktori od kojih su svi podjednake važnosti:
opšti optimalni kvalitet betona i segmenta koji proističe iz betona visoke čvrstoće i kvalitetnog izvođenja prefabrikacije; pažljivo pomeranje pojedinačnih segmenata kako bi se izbeglo stvaranje prslina, čak i latentnih; odabir i pozicioniranje zaptivača; precizno sklapanje prstena, izbegavajući bilo kakva oštećenja, Zapunjavanje šupljine između obloge i stenske mase odgovarajućim materijalom. Elementi za zaptivanje uvek rade u parovima i oni su pozicionirani u specijalnim žljebovima koji se nalaze sa svake pojedinačne strane segmenata bliže ekstradosu. Nakon formiranja prstena zaptivke dolaze u međusobni kontakt i tako zaptiju spojeve. U osnovi postoje dva tipa plombi:
Zaptivke na pritisak: one su pritisnute jedna o drugu, kratkoročno, pomoću konektora (u poprečnom i podužnom pravcu), a dugoročno preko napona koji deluju na oblogu Zaptivke na pritisak i bubrenje osnovni princip je isti kao onaj koji je opisan za zaptivke na pritisak uz dodatak da deo zaptivke u kontaktu sa vodom bubri i na taj način razvija dodatno zaptivanje visokog pritiska. Ova vrsta plombe je delikatnija i mora biti zaštićena od vode do trenutka postavljanja, kako bi se sprečilo neželjeno bubrenje koje bi je učinilo neuopotrebljivom. Sve zaptivke koje se mogu koristiti imaju sličnu geometriju i iz tog razoga su različite samo po pitanju svoje „širine“, „visine“, i čvrstoće upotrebljene „gume“. Zaptivke takođe mogu imati dodatni sloj materijala na svojoj površini koji redukuje trenje u slučaju da plomba sklizne tokom sklapanja odn. montiranja.
17
Elementi za raspodelu pritiska Na bočnim stranama elemenata izvode se oslonci za prese koji su sposobni da prime i raspodele na čitav segment uneto opterećenje. (vidi sliku 20). Oslonci se izvode od ojačanog bitumiziranog materijala debljine 1.0-1.5 mm čime se obezbeđuju dobar kontakt između pomenutih presa i segmenanta kao i između segmenata i susednog prstena u dobro definisanoj zoni iz koje sile raspodeljuju na čitavu oblogu.
Slika 20-
Oslonačke ploče na bočnim stranama segmenta
1.4.4 Sklapanje prstena U širem smislu, proces sklapanja započinje dopremanjem segmenata do portala i završava se pomeranjem tunelske mašine i aktiviranjem. Segmenti se u tunel donose u vagonima koji su ili na točkovima ili na šinama. Ovi vagoni transportuju segmente do zadnjeg dela tunelske mašine gde ih podiže tzv „snabdevač segmenata“, koji ih premešta do erektora smeštenog unutar samog štita. Redosled pristizanja segmenata do erektora mora biti programiran kako bi se ispoštovao redosled sklapanja; ovo znači da se segement koji prvi stiže, prvi i sklapa. Kako bi se olakšao ovaj proces segmenti su obeleženi slovima i/ili brojevima koji jasno označavaju redosled sklapanja. Kinematika segmenata tokom njihovog pomeranja u tunelu je ograničena zbog njihovih dimenzija i maksimalne slobodne širine u repnom delu tunelske mašine. Slika 21 jasno pokazuje ograničenje koje postoji između dimenzija segmenta i prostora koji je na raspolaganju za manevrisanje. Ovo prostorno ograničenja može izložiti riziku integritet samih elemenata tokom transporta, posebno u slučaju malih i/ili srednjih mašina (sa dijametrom iskopavanja ispod 7 m). Određeni segment takođe može biti „isporučen“ pomoću erektora sa unutrašnjom stranom okrenutom nadole (segment je iznad) ili nagore (segment je ispod).
18
Slika 21-
Ograničenja kretanja segmenat unutar repnog dela tunelske mašine
Slika 22 daje pojednostavljenu ilustraciju šeme sklapanja pojedinačnih segmenata kako bi se formirao prsten. Ukratko, sklapanje prvog segmenta prate ostali, jedan sa desne i jedan sa leve strane, sve dok se ne dođe do elementa kontra-krune, a onda se instalira završni element. Najmanji (potrebni) broj presa se uklanja tokom ovih operacija kako bi se omogućilo sklapanje segmenta. Stabilnost već pozicioniranih segmenata, pre završetka kompletnog prstena, se obezbeđuje pomoću presama i zavrtnjima. Ovo je potencijalno rizična faza u pogledu sigurnosti personala jer pre svega u ovoj fazi segmenti mogu slučajno upasti u MBT. Takođe treba primetiti da spojnice između dva susedna segmenta nekog prstena nikada nije na istoj poziciji kao spojnice između prethodnih ili sledećih prstenova. Obloga je kao zid od cigala čiji se svi elementi uzajamno smiču tako da ne postoji kontinualna linija koja bi predstavljala konstruktivno slabo mesto.
19
Slika 22-
Proces sklapanja (brojevi ukazuju na redosled sklapanja segmenata)
Detaljna analiza ove operacije pokazuje: 1) odnos koji postoji između oblika segmenata i njihovog sistema vezâ, i 2) neka geometrijska ograničenja koja postoje između distance pokrivene klipovima pod pritiskom date mašine i nagiba kosih stranâ krune koja se zahteva kako bi se garantovala korektna i bezbedna instalacija. Sklapanje „normalnog“ segmenta Spajanje sa moždanicima predviđa da bi segment već trebalo da ima ugrađene konektore koji služe za držanje pravca kada se pomera prema prstenu, tj. finalni pokret segmenta je prinuđen da prati pravac ose datog prstena, najmanje duž poslednje deonice od 15-20 cm, što odgovara dužini isturenog dela moždanika. U ovom slučaju, ukoliko bi se upotrebljavali pravougaoni segmenti zaptivka bi bila vučena duž završnog dela i pri tom bi bila uništena ili pokidana. Iz ovog razloga se upotrebljavaju trapezoidalni segmenti kao praktičnija alternativa.
Slika 23-
Potreba za trapezoidalnim segmentom u prisustvu konektorâ.
Ukoliko se zavrtnji upotrebljavaju za spajanje, kretanje odn. pomeranje segmenta tokom sklapanja uglavnom može biti bez kontakta osim u poslednjih nekoliko centimetara. U ovom slučaju su adekvatniji pravougaoni segmenti. Moždanici ne dozvoljavaju spajanje između segmenata. Sa druge strane, nije naročito efikasno upotrebljavati moždanike za veze između prstenova i zavrtnje za spojnice između segmenata. Kod prstenova koji su spojeni moždanicima je stoga potrebno da segmenti budu zbijeni, što se dobija upotrebom letvice-vođice, kao što je već ranije spomenuto kao i pomoću geometrijskog efekta koji nastaje zbog toga što su kose strane i dalje „blokirane“ zbog efekta zakrivljenosti samog prstena. Postavljanje završnog segmenta (k-segmenta) K-segment se mora ubacivati poslednji i zbog toga pomeranje prilikom njegovog postavljanja mora biti longitudinalno, tj. paralelno sa osom datog tunela, nakon što je k-segment prethodno postavljen na ispravnu odn. ogovarajuću radijalnu poziciju. Pošto je geometrija spojnica koje razdvajaju segmenta radijalno orijentisana neophodno je da prese imaju korak duži od maksimalne dužine segmenta određene veličine kako bi bilo ostavljeno mesta za sklapanje k-segmenta. Slika 24 prikazuje kretanje k-segmenta tokom ubacivanja. Ova slika takođe ilustruje mogućnost čela ksegmenata da dođu u koliziju sa stranama dva obrnuta k segmenta. Kako bi se zaobišao ovaj problem neophodno je proučiti kako nagib stranâ tako i vrednost dodatnog udara klipa: što je veći ugao nagiba kose spojnice to je niža vrednost dodatnog udara. Umetanje k-segmenta je očigledno veoma delikatna operacija i iz tog razloga su briga i sposobnost onoga ko upravlja erektorom od najvećeg značaja.
20
Slika 24-
Kretanje završnog k-segmenta pre ubacivanja.
1.4.5 Pre-dimenzionisanje prstena Geometrijsko pre-dimenzionisanje prstena je prva aktivnost koja dozvoljava veirfikaciju kompatibilnosti oplate sa odabranom MBT (nova ili postojeća mašina) i ovo omogućava utvrđivanje sledećih parametara: debljinu dužinu i broj segmenata po prstenu, i koničnost (ili zašiljenost) u slučaju univerzalnog prstena. Referentni kriterijumi mogu biti podeljeni u dve grupe: 1. na kriterijume koji se odnose na projekat i potrebni rad, kao što su prečnik tunela i definisanje njegovog pravca pružanja, i 2. na kriterijume koji se odnose na izvođenje radova, kao što su optimizacija ciklusa iskopavanja i postavljanje segmenata, opšte dimenzije, i težina prefabrikovanih segmenata. Svaki od operativnih izbora koji se izvrše tokom faze pre-dimenzionisanja bi trebalo da bude potvrđen u naknadnim, detaljnijim fazama analize. Debljina Debljina prstena može na početku biti određena na osnovu iskustva ili, korišćenjem bazâ podataka preuzetih iz literature. Debljina segmenta mora biti potvrđena i statičkim proračunima. Dužina i broj segmenata po prstenu Odabir dužine prstena i broja segmenata zavisi od nekoliko faktora:
duži prstenovi smanjuju broj sklapanjâ koja treba izvršiti ali su pojedinačni elementi glomazniji, teži i manje manje pogodni za tunelske pravce koji imaju mnogo krivina malog radijusa; zastupljenost pomoćnih elemenata po metru tunela je smanjena; veći broj segmenata po prstenu redukuje dimenzije i težinu ali se produžava vreme potrebno za njihovo sklapanje kao i troškovi vezani za pomoćne elemente po metru tunela, i veći segmenti uvećavaju rizik od oštećenja tokom manipulisanja u fazi montaže. Prosečna dužina prstenova je između 0.60 m i 2.00 m, iako su tipične vrednosti u gradskim uslovima za drumske tunele obično između 1.2 m i 1.7 m, ukoliko su prisutne krivine sa redukovanim radijusima. Broj segmenata takođe može biti direktno povezan sa sistemom presa izabrane MBT i, pre svega, sa brojem presa za potiskivanje. Bilo bi dobro izbeći oslanjanje presa na mestu spojeva segmenata kao i poželjno je da broj podužnih veza bude jednak broju oslonačkih papuča (kako bi se uspostavio odgovarajući odnos između rotacijâ prstena i broja oslonačkih mesta). Koničnost univerzalnog prstena i njegove rotacije
21
Univerzalni prsten je cilindar sa dva konvergentna kraja na razdaljini Ra od ose cilindra; Ra se naziva projektovani radijus univerzalnog prstena. Niz prstenova postavljenih bez bilo kakve relativne rotacija među sobom sačinjava oblogu koja prati krivu radijusa Ra. Vrednost Ra mora biti manja od minimalnog radijusa pravca tunela, Rc, jer kada se MBT kreće duž pravca ona može da odstupa makar minimalno; a prsten bi trebalo da podmogne MBT da se vrati na pravu putanju vršeći korekcije pomoću krivina koje trebaju da imaju vrednosti manje od minimalnog radijusa, Rc pravca, čak i za veoma kratke deonice. Treba dodati i da se prstenovi mogu rotirati samo za ugao koji je jednak proizvodu angularne distance između dve longitudinalne veze, kao i to da nisu dozvoljene sve fizički moguće rotacije zbog održavanja kontinuiteta spojnica.
Slika 25-
Slika 26-
Pozicija prstena u odnosu na lokaciju k-segmenta
Nedozvoljena raspored prstenova (razvijeni pogled)
22
Slika 27-
Dozvoljen raspored prstenova (razvijeni pogled)
Kako bi se uvek koristio ispravan raspored elemenata za vreme montaže radnik bi trebalo da ima dozvoljenu šemu postavljanja.
1.4.6 Procec prefabrikacije U ovom odeljku je pažnja usmerena samo na one aspekte procesa prefabrikacije koji bi mogli biti od intresa na temu prefabrikacije segmenata koji su sklapani kao deo oplate tunela. Materijali Glavni konstituenti tunelske segmentne oplate su: beton (koji sadrži vodu, cement, agregate i aditive), i čelik za armiranje. Dovoljno je slediti primenljive standarde za odabir oba tipa materijala , betona i čelika. Uz to, bi trebalo razmotriti sledeće specifične aspekte na temu sastojaka betona: Cement Trebalo bi dati prednost upotrebi cementa sa brzim prirastima čvrstoće, bez aditiva na čiju trajnost samo marginalno utiče kondenzacija, pod uslovom da se obazbeni otpornost na agresivne uslove tla. Agregati Veličina agregata bi trebalo da savršeno odgovara geomertijskoj preciznosti odn. tačnosti segmenata, ostacima prefabrikata, kombinacijama ojačanja i mogućim konektorskim umecima. Maksimalna dimenzija od 25-30 mm se generalno preporučuje. Aditivi U slučaju da agregatima nedostaje finoće preporučuje se upotreba dodatnih vrsta „letećeg pepela“ ili „filera“ (materijala baziranih na krečnjaku). Poreklo takvih proizvoda se, naravno, mora proveriti. Upotreba standarizovanih super-plastifikatora koji redukuju sadržaj vode se preporučuje kako bi se posigla povećana obradivost u cilju postizanja veće jačine i savršenog ispunjavanja svih slobodnih prostora između šipki ojačanja. Postrojenje Trajnost obloke se postize pre svega u postrojenju za prefabrikovanje koje bi trebalo da sadrži sledeće osnovne elemente: efikasno postrojenje, i procedure koje se tiču postizanja i održavanja kvaliteta tokom svih faza rada. Proces prefabrikacije segmenata koji se koriste u tunelu je deo proizvodnog ciklusa koji zahteva visok nivo industrijalizacije kao i kontrolu svake od pojedinačnih operacija. Cilj ovog procesa je proizvodnja segmenata visokog kvaliteta koji je neophodan kako bi se zadovoljile stope iskopavanja određenog tunela, a u skladu sa načinom montaže koja daje sklopljen prsten na kraju svakog ciklusa. Ovaj proces se pre svega sastoji od:
prostora za skladištenje za agregate koji bi trebalo, ukoliko je to moguće, da budu zaštićeni od atmosferskih dejstava; postrojenje za mešanje uključujući i sisteme za automatsto merenje i beleženje podataka o mešavinama; niza kalupa koji mogu biti: - pozicionirani tako da formiraju „ringišpil“ u liniji na kojoj je i peć; - fiksirani sa postrojenjem za distribuciju pare. prostor za sklapanje čeličnih kaveza; prostor za pred-skladištenje u kome su segmenti zaštićeni od atmosferskih dejstava; i prostor za finalno skladištenje segmenata izvan nadkrivenog dela postrojenja. 23
Tzv. „ringišpil“ postojenja (koja se u današnje vreme često koriste) su naročito efikasna jer se „oplata“ može pomerati sa jednog mesta na drugo upotrebom odgovarajućih hidrauličkih dizalica što omogućava izvođenje specifičnih operacija koje se ponavljaju na istom mestu. Na ovaj način je moguće optimizirati proces obezbeđivanja i dostavljanja materijalâ pomerajući potrebnu opremu i intervencijama neophodne radne snage. Kalupi Posebna pažnja se poklanja, u samom postrojenju, kalupima koji bi generalno trebalo da zadovolje tri osnovna zahteva:
poboljšanu obradivost i visok učinak kako bi se garantovala proizvodnja segmenata sa tolerancijom koja je manja od milimetarske; čvrste i tačnu veze između stranâ kako bi se izbeglo prolivanje tečnog cementa i betona i održala geometrija i posle višestruke upotrebe; lako otvaranje i zatvaranje stranâ i pokrivačâ kako bi se omogućilo skraćivanje vremena pripreme i rasklapanja korišćenjem za tu svrhu specifično proučenih mehaničkih uređaja uz pomoć hidrauličkih cilindara za veće elemente.
Radni ciklus Elementarne operacije koje se obavljaju kako bi se segment pripremio za transport u tunel se mogu sumirati na sledeći način: Priprema kalupa Pre nego što se izvede novo izlivanje odn. nova prefabrikacija nephodno je izvršiti sledeće osnovne operacije:
Slika 28-
Primer tipičnog kalupa
precizno čišćenje ostataka prethodnog izlivanja, ne samo iznutra već i u odnosu na mehaničke uređaje koji omogućavanju da se pomeraju strane i pokrivači. stavljanje lubrikanta na unutrašnje strane kalupa, i pozicioniranje odn. nameštanje svih. pomoćnih elemenata koji moraju biti prisutni u betonu (matrice za konektore ili zavrtnje za sistem očvršćavanja određene MBT) Konstrukcija oslonačkog prstena Armaturni koševi se sklapaju u isto vreme. Ova prsten bi jasno trebalo da ima zakrivljenu formu sa radijusom koji se izvodi iz radijusâ intradosa tunela, uz dodatak zaštitnog sloja. 24
Jedan od sistema koji se često koristi kako bi se izbeglo savijanje armaturnih šipki valjanjem je da se one povežu kao prave i nakon toga stave na konstrukciju za montažu armature. Zakrivljeni oblik se u stvari dobija guranjem šipki preko konstrukcije/kalupa a gde se one krive i odmah nakon toga zavaruju. Ozbiljan problem se može desiti kada se čelični kavez skloni sa kalupa. Zbog elastičnosti čelika zakrivljeni čelični kavez ima tendenciju da se ispravi i dobije oblik koji je manje zakrivljen od projektovanog. Umetanje armaturnog koša u kalupe Armaturni koš se spušta sa kranom u kalup i pozicionira se uz pomoć distancera kako bi se obezbedili potrebni zaštitni slojevi na svim ivicama segmenata.
Slika 29-
Različit zaštitni sloj betona usled greške u geometriji armaturnog koša
Zatvaranje vratâ Kada je armaura postavljena u kalup i i svi prateći delovi ugrađeni tako da nisu u kontaktu sa armaturom, strane se zatvaraju. Zatvoren kalup mora obezbediti projektovani oblik, da šupljine i dodatni elementi neće biti zapunjeni betonom i da s eneće poremetiti njihove pozicije. Izlivanje i početak očvršćavanja Izlivanje se vrši počevši od centralnog gornjeg prozora kalupa (na strani ektradosa datog segmenta). Proces vibriranja započinje u isto vreme kada i izlivanje kako bi se osiguralo da su svi delovi kalupa ispunjeni betonom. Uglačavanje Normalno je da se stvaraju mehurići vazduha, usled vibracijâ, i zbog geometrije gornjih vrata. Ovi mehurići daju ekstremno nepravilan oblik segmentima na ekstradosima. To je posebno problematična pojava koju je teško eliminisati: njeni negativni efekti nisu toliko estetski problem, što ne bi bilo naročito značajno jer uključuje samo ekstradose tunela, već je to pre problem koji se odnosi na dosledno i neizbežno gubljenje maziva iz četki sa repa date MBT što je veoma skupo i izuzetno štetno po životnu sredinu. Uz to bi se morala posvetiti i pažnja habanju četaka koje dovodi do anomalija. Kako bi se sprečili ovi problemi, osim izbora odgovarajuće mešavine i korišćenja odgovarajućih adiitiva, trebalo bi predvideti i da se otvore 25
gornja vrata kalupa čim je izlivena smesa počela da očvršnjava kao i da se izvrši kompletno glačanje površine svežim betonom. Zaparivanje Zaparivanje je proces negovanja i ubrzanog očvršćavanja parom. Ovi koraci su ovde samo pomenuti kako bi se kompletiralo objašnjenje ovog procesa; ubacivanje kalupa sa svežim betonom u peć; kontrolisano zagravanje (20-25ºC/h); tretman na konstantnoj temperaturi (55-60ºC); kontrolisano hlađenje (20ºC/h), i vađenje iz kalupa. Vađenje iz kalupa i moguće okretanje Vađenje iz kalupa se obično vrši upotrebom vakumskog podizača da bi se smanjio rizik od oštećenja segmenata. Ponekada se odmah nakon izvlačenja (i na osnovu usvojene logistike datog postrojenja) segment okreće pomoću specijalne mašine.
Slika 30-
Vađenje segmenata iz kalupa i premeštanje
Pozicioniranje ostalih „pomoćnih elemenata“ Jednom kada se segment prevrne, unutar postrojenja za prefabrikaciju što znači da je zaštićen od atmosferskih prilika, on se kompletira dodavanjem zaptivača, bitumeniziranih podloga, a moguće je i čepova za zatvaranje rupâ. Skladištenje Ova operacija bi trebalo da se sprovede u dva koraka:
prvo skladištene unutar postrojenja za prefabrikaciju, zaštićeno od atmosferskih prilika u trajanju od najmanje 24-48 sati, vodeći računa o tome da se ne stave više od dva segmenta jedan na drugi, i konačno skladištenje u krugu fabrike gde se segment donosi ostavlja da da u potpunosti očvrsne (tipično je 28 dana) i gde segmenti mogu da se slažu jedan na drugi u nizovima koje odgovaraju geometriji koja je predviđena u fazi projektovanja.
26
Primeri skladištenja u praksi
Slika 31-
1.5 Prefabrikovana čelična obloga Oplata od čeličnih ploča je takođe jedan od sistema segmentne oplate. Ona se ponekad koristi za kružne tunele u mekom tlu koji se prokopavaju pomoću MBT ili nekim drugim metodama. Nekoliko zakrivljenih čeličnih elemenata ili segmenata se montiraju unutur tunela ili unutar MBT kako bi formirali kompletan prsten. Ovi segmenti se izrađuju od čeličnih ploča koje se presuju u zahtevani oblik. Ploče imaju prirubnice duž sve četiri ivice. Prirubnice se koriste za spajanje segmenata (pomoću zavrtanja) u longitudinalnom odn. podužnom i poprečnom pravcu. Susedni prstenovi se rotiraju tako da spojevi budu smaknuti jedan u odnosu na drugii. Na segmente se montiraju zaptivači duž svih ivica, koje se sabijaju kada se pritegnu zavrtnji. Ovi zaptivači treba da obezbede vodootpornost tunela. Ploče čelične oplate se izrađuju u standardnim veličinama i mogu biti širine oko 25 cm ili 50 cm. Menja se samo radijus kako bi se zadovoljili zahtevi određenog projekta. Slika 49 prikazuje detalje tipične čelične segmentne obloge.
Slika 32-
Tipična čelična segmentna obloga
27
Prednosti čelične obloge su: Obezbeđuje stabilnu podgradnu konstrukciju koja je spremna za završne radove Materijal se lako transportuje i okreće unutar tunela Nema dodatnih radova poput skidanja oplate negovanja i sl. Mane čelične obloge su: Kapacitet presa za pomeranje mašine je limitiran nosivošću čelične obloge Čelik je podložan koroziji u vlažnim uslovima koji vladaju u tunelu Požar može oštetiti čeličnu konstrukciju (obično se koristi liveni beton za zaštitu od požara) Proizvođači čeličnih segmenata uglavnom imaju standardizovane elemente koji se primenjuju u tunelima. Oni se prilagođavaju potrebama projekta u smislu promene geometrije, zaptivki i sl. Čelični segmenti moraju biti isprojektovani tako da mogu da prihvate optrećenja od hidrauličkih presa koje pokreću mašinu. Vrlo često se koriste čelični prstenovi za ravnomerno prenošenje opterećenja na sklopljeni prsten. Ovo je korisno u slučajevima kada bi presa trebala da se osloni na srednji deo segmenta koji ima značajno manju krutost od ivičnog dela prirubnicama. Generalno se ukrućenja i prirubnice dimenzionišu kao stubovi, na pretpostavljeno opterećenje od presa. Dimenzionisanje čeličnih segmentnih elemenata treba uraditi i za ostala opterećenja koja se javljaju u toku izvođenja radova. Napone usled podizanja i ugradnje obično kontroliše izvođač radova. Geometrija i zakrivljenost elemenata treba da omogući izvođenje projektovanog tunela. Segmenti moraju biti zaštićeni od korozije. Spoljna strana se obično zaštićuje slojem epoksida dok se unutrašnja strana zaštićuje bojama ili cinkovanjem. Najbolja unutrašnja zaštita čelika je sloj nearmiranog betona, koji predstavlja dobru zaštitu od korozije i vatre. Betonska obloga se izvodi bo završetku kompletnog iskopa kako se ne bi oštetila obloga mašinama. Zaptivke su slične onim kod betonskih segmenata. Prostor za postavljanje zaptivki je kod čeličnih elemenata mnogo manji nego kod betonskih, zbog manje debljine samog elementa. Razvojem betonskih elemenata sve je ređa primena čelika, koji se sredinom prošlog veka često koristio u tunelogradnji, naročito u Americi.
1.6 Obloga od prskanog betona
28
