Zorica Karadži ć1, Milutin Draškovi ć2, Vukašin Radojičić3, Ivan Živković4 NOVA AUSTRIJSKA TUNELSKA METODA (NATM) – OSNOVNI PRINCIPI REZIME
U radu su izloženi osnovni principi NATM metode izgradnje tunela. Opisan je postupak dimenzionisanja NATM podgrade koju sačinjavaju prskani beton, sidra i armaturne mreže. Istaknut je značaj sistematskog mjerenja pomjeranja u svim fazama iskopa I podgradjivanja.
Zorica Karadži ć1, Milutin Draškovi ć2, Vukašin Radojičić3, Ivan Živković4 NEW AUSTRIAN TUNNELLING METHOD (NATM) – BASIC PRINCIPLES SUMMARY
This paper considers basic principles of the New Austrian tunneling method (NATM). Design of NATM support comprises shotcrete, anchors and steel meshes is described. Importance of convergence measurement in all phases of excavation and support is emphasized.
1
student, Univerzitet Crne Gore, Gradjevinski fakultet, Podgorica student, Univerzitet Crne Gore, Gradjevinski fakultet, Podgorica 3 student, Univerzitet Crne Gore, Gradjevinski fakultet, Podgorica 4 student, Univerzitet Crne Gore, Gradjevinski fakultet, Podgorica 2
II Регионален Конгрес ГЕОРЕКС 2008
1. UVOD Tradicionalna tunelogradnja do polovine prošlog vijeka koristila je u pocetku drvenu (rudarsku) podgradu od oblica, gredica i dasaka sa metalnim spojnim elementima koja se sastoji od poprečnih ramova medjusobno ukrućenih podužnim razuporama, a kasnije i čeličnu podgradu koja se takodje sastoji od popre čnih ramova sa ukrućenjima od metalnih profila i sa profilisanim limovima kao podužnom oplatom za privremeno stabiliziranje tunela do ugradnje finalne podgrade. Konačna podgrada bila je zidana ili od betona. S obzirom na mnogo različitih faza iskopa, od iskopa do kompletiranja podgrade prolazilo je puno vremena sto je dovodilo do slabljenja stijenske mase. Rezultat ovog na čina gradnje bila su vrlo velika nepravilna opterećenja što je rezultiralo debelom podgradom. Još tada su inžinjeri uo čili neracionalnost takve podgrade i mogućnost da se iskoristi nosivost same stijenske mase. 1963 godine, na Geomehaničkom kolokvijumu održanom u Salcburgu, profesor Rabcewiz predstavlja Novu Austrijsku Tunelsku metodu čiji su klju čni elementi mobilisanje čvrstoće stijenske mase u nose ćem prstenu oko tunelskog otvora, fleksibilna podgrada od prskanog betona i sistematsko praćenje deformacija. NATM nije metoda ako pod metodom podrazumijevamo tehnologiju gradjenja koja se može prikazati šemom iskopa i nacrtom podgrade. NATM nije vezana za bilo koju proceduru iskopa i podgradjivanja ali je vezana za principe opažanja. 2. OSNOVNI PRINCIPI NATM
Suština NATM metode je u tome da se u najve ćoj mogućoj mjeri iskoristi nosivost same stijenske mase. Dozvoljavaju se odre đene, kontrolisane deformacije stijenske mase dovoljne da aktiviraju nosivi prsten oko tunelskog iskopa. Golsert je 1996 dao definiciju nosivog prstena: nosivi prsten je zona u okolini tunela u kojoj se desila zna čajna preraspodjela naprezanja. Zona nosivog prstena širi se od periferije iskopa i uklju čuje zone elastičnog i zone plastičnog ponašanja i armirane (sidrene) zone (slika 1).
Sl. 1 Definicija
nosivog prstena prema Golseru (1996)
NATM je bazirana na poluempirijskom projektovanju i mjerenjima tokom gradjenja tunela. Slijedeći principe Terzaghija i Pecka „Observational Design Meethods“ (ODM), odgovarajuća istraživanja i stalna opsežna mjerenja u tlu osiguravaju da adekvatna privremena (“immediate”) i stalna (“permanent”) podgrada bude primijenjena na optimalan način prije ugradnje kona čne betonske podgrade (“final concrete lining”). Kona čna betonska podgrada se obično naziva sekundarnom dok se trenutna i stalna nazivaju primarnom. Bitan je vremenski faktor – podgradu ne treba ugraditi ni previše rano ni previše kasno. Kruta i rano ugrađena podgrada “navlači” na sebe veliko opterećenje. S druge strane kasno ugrađena ili previše fleksibilna podgrada izaziva slabljenje stijenske mase što opet dovodi do pojave velikih pritisaka. Ako je stijenska masa kvalitetna onda tunel može dugo ostati nepodgrađen. U slaboj stijeni otvor treba što ranije podgraditi. 2
II Regional Congress GEOREKS 2008
Primarna podgrada treba da stabilizuje masiv, dok sekundarna podgrada treba samo da poveća sigurnost. Primarnu podgradu čine sidra, mlazni beton, čelični lukovi i sl. Sekundarnu podgradu čini betonska obloga armirana ili nearmirana. Izme đu primarne i sekundarne podgrade postavlja se hidroizolacija. Na slici 2 gdje je prikazan tipi čan poprečni presjek NATM tunela mogu se uočiti elementi fleksibilne podgrade ( torkret, sidra), glatka kontura iskopa kao i razrada profila u šest faza. Prskani beton (torkret) uveden je u praksu 1910 god. Koristi se kao zaštita od erozije i degradacije i kao konstrukcioni element (sa sidrima). Tehnološki postupak je takav da se u struji vazduha, cementa, pijeska i vode stvara brzina na izlaznoj mlaznici od 90-150 m/s. Kod “suvog” postupka ugradnje smješa pijeska i cementa se iz posebne komore potiskuje u mlaznicu gdje se objedinjuje sa vodom dok se kod “vlažnog postupka” pijesak, cement i voda miješaju u istoj mješalici. Ako se torkretu dodaju kratke žice (0.4mm pre čmika 25mm duge) dobija se tzv. fibro-beton. Bitno je da prskani beton ( torkret) što prije postigne maksimalnu čvrstoću (slika 3). Sidrenje je mjera za stabilizaciju iskopa, za poboljšanje naponskog stanja u terenu. Sidra za povezivanje (pasivna) se aktiviraju pri tendenciji deformacije u terenu (privremena sidra) dok sidra za prednaprezanje (aktivna) formiraju novo naponsko stanje u terenu (slika 4).
Sl. 2
Tipični poprečni presjek NATM tunela
Osnovnih principi NATM su:
•
Osnovna nosiva komponenta tunela je stijenska masa. Primarna i
sekundarna podgrada imaju samo tzv. ''confining efect''. One samo služe za uspostavljanje nosivog prstena ili trodimenzionalne sferi čne nosive ljuske u stijenskoj masi. • Održavanje čvrstoće stijenske mase. Treba izbjegavati slabljenje stijene pažljivim iskopom i trenutno ugradnjom podgrade. • Poprečni profil treba da bude zaobljen.Treba izbjegavati koncentraciju naprezanja u uglovima gdje može zapo četi progesivni slom. • Podgrada treba da bude tanka i fleksibilna.Primarna podgrada treba da bude fleksibilna kako bi se momenti savijanja sveli na minimum i olakšala preraspodjela naprezanja bez izlaganja podgrade nepovoljnim silama. Podgradu ne treba pojačavati povećanjem njene debljine vec sidrenjem stijenske mase. • Opažanja tokom gradjenja (monitoring). Monitoring tunela tokom gradjenja integralni je dio NATM.Opažanjem i interpretacijom pomaka,deformacija,i naprezanja 3
II Регионален Конгрес ГЕОРЕКС 2008
moguće je optimizirati radne procese i zahtjeve na podgradu. Prate se: konvergencija, deformacije u stijenskoj masi oko tunela, naponi u betonu i na kontaktu betona i stijene kao i sile u sidrima ( slika 5). Kod tunela u urbanim uslovima praćenje deformacija površine terena je esencijalno. • Statički se tunel razmatra kao cijev koja se sastoji od nose ćeg prstena u stijenskoj masi i podgrade. Zbog toga je bitno zatvoriti prsten –na kompletnu konturu iskopa uključujući i invert mora biti nanijet torkret.
Sl.3
Nanošenje torkreta preko armaturne mreže pričvršćene na zid tunela
Sl.4
Injektirano sidro
Sl.5
Oprema za monitoring NATM tunela: 1) reper za mjerenje konvergencije, 2) ekstenzometar za mjerenje deformacija okolne stijene, 3) mjerenje sile u sidru, 4) mjerna ćelija za mjerenje naprezanja u betonu
4
II Regional Congress GEOREKS 2008
3. DIMENZIONISANJE NATM PODGRADE
Dimenzionisanje NATM podgradne konstrukcije se zasniva na polu empirijskom postupku u kome se postavlja uslov ravnoteža izmedju reaktivnih komponentalnih sila koje pružaju prskani beton, armatura i sidra, i sile pritiska na podgradu koja se ostvaruje u „nosivom prstenu“ koji se formira u stijenskoj masi oko podgradne konstrukcije. Prof. Rabcewicz i ing. Sattler su kao model ponašanja za grani čno stanje sloma podgrade usvojili formiranje horizontalne površine smicanja koja se kroz podgradu nastavlja kao zakrivljena površina u zoni „nosivog prstena“ tako što zaklapa ugao α sa tangentom na spoljnoj granici istog ( slika 6). Izvan nosivog prstena stijenska masa se ponaša kvazi-elasti čno.
Sl. 6 Šema
za računanje nosivosti NATM podgrade
Pri postavljanju ravnotežnog uslova polazi se od toga da su pritisci u radijalnom smjeru pe ravnomjerno rasporedjeni duž konture iskopa i da se njihova rezultanta u horizontalnom smjeru dobija njihovim integraljenjem. Na ovaj na čin se dobija zavisnost potrebnog reaktivnog pritiska od debljine zone nosivog prstena (w): ⎛ π φ ⎞ w 2 − sin φ pe (τ mob ) = c cos⎜⎜ + ⎟⎟ cosφ a 1 − sin φ ⎝ 8 4 ⎠ Debljina zone nosećeg prstena w se odre đuje iz rešenja Kastner-a ili na osnovu veličine dozvoljene konvergencije. Komponentalne sile koje pružaju elementi podgradne konstrukcije se izra čunavaju kroz “ekvivalentne reaktivne pritiske”: peb = 2τ b
d b
1
a cosφ
f aτ b
;
pea =
E a E b
a cos α sinα
, α = 45 − φ /2 ;
pes =
S el × er
pri čemu su: pea , peb , pes reaktivni ekvivalentni pritisci armature, betona i sidara, respektivno. f a- površina armature na 1m dužine tunela τa- čvrstoća armature na smicanje τb- čvrstoća betona na smicanje S- maksimalna dozvoljena sila u sidru er,el- radijalno i podužno rastojanje kojima se definiše površina djelovanja jednog sidra.
5
II Регионален Конгрес ГЕОРЕКС 2008
Konačna uslovna jednačina izgleda ovako: FS × pe (τmob)= peb+ pea+ pes gdje je Fs faktor sigurnosti(reda velicine 1,30) FS=(peb+pea+ pes)/pe(τmob) 4. ZAKLJUČAK
I pored određenih kritika koje prate NATM ova metoda je uspješna kao i bilo koja druga pri čemu su nesumljive sledeće prednosti: • Fleksibilnost u pogledu prilagođavanja različitim geometrijama i veli činama poprečnog presjeka • Relativno niski početni troškovi • Ako je potrebno podgrada se može dodatno ojačati ugradnjom ankera i remenata. • Lako je postaviti vodonepropusnu membranu. • Lako je instalirati primarnu podgradu • Korišćenjem torkreta ostvaruje se dobar kontakt izme đu podgrade I stijenske mase • Manji ukupni troškovi za podgradu Naravno, za uspješnu i bezbjednu primjenu metode potrebno je ispoštovati njene osnovne principe a naročito je bitno pravovremeno zatvaranje nosećeg prstena i sistematsko praćenje deformacija u svim fazama iskopa i podgradjivanja.
LITERATURA [1] Anagnosti P., “Podzemne konstrukcije – projektovanje i gradjenje. Deo I – opšte karakteristike “, Građevinski kalendar,Vol.36, 2004 . [2] Vrkljan I., “Podzemne gradjevine i tuneli“, http://www.gradri.hr/adminmax/files/class/PGiT_Knjiga.htm [3] Dimitrios Kolymbas. "Tunelling and tunnel mechanics,A rational approach to tunnelling", Springer, 2005. [4] M. Karakuş & R.J. Fowell., "An insight into the New Austrian Tunnelling Method (NATM)",
6
