SVEUČILIŠTE U ZAGREBU RUDARSKO – GEOLOŠKO – NAFTNI FAKULTET Diplomski studij rudarstva
NOVA AUSTRIJSKA TUNELSKA METODA seminarski rad
Mihovil Franić R104
Zagreb, 2015.
1.
UVOD Primjena suvremenih metoda izgradnje tunela omogućila su stečena iskustva kod
klasičnih metoda izgradnje. Razvitak tuneliranja treba pripasti geološkim i geofizičkim istraživanjima i razvitku disciplina kao što su mehanika stijena i mehanika tla. Suvremene metode nisu najracionalnije za gradnju kratkih tunela i kod vrlo promjenjivih geoloških i hidrogeoloških uvjeta zbog velikih investicijskih ulaganja radi nabavke potrebne opreme koja se koristi kod primjene suvremenih metoda. Obzirom na geološke prilike površinu poprečnog presjeka i primjenu mehanizacije razvio se veći broj suvremenih metoda i izgradnje tunela kao što su:
Nova austrijska metoda
Iskop tunela miniranjem
Američka metoda
Kelnska metoda
Bernoldova metoda
Metoda čeličnog štita
Metoda izgradnje rotacijskim strojevima MeĎu najpopularnije metode izgradnje tunela spada Nova austrijska tunelska metoda
(NATM). NATM nije metoda ako pod metodom podrazumijevamo tehnologiju gradnje koja se može prikazati shemom iskopa i nacrtima podgrade. NATM nije vezana zabilo koju proceduru iskopa i podgraĎivanja ali je vezana na principe opažanja. NATM je generalni koncept (filozofija) tunelogradnje. Ona je postupak gradnje tunela temeljen je na ideji da se mobiliziranjem nosivog kapaciteta stijenske
mase, ostvari
optimalna sigurnost
i
ekonomičnost. Tradicionalna tunelogradnja do polovine prošlog stoljeća, koristila je u početku drvenu a kasnije i čeličnu podgradu za privremeno stabiliziranje tunela do ugradnje konačne podgrade. Konačna podgrada bila je zidana ili od betona. Kod ovog načina graĎenja, opterećenje podgrade bila je posljedica dezintegracije i razrahljenja okolne stijene. Teorije ovih opterećenja razvili su Komarell, Terzaghi i dr. S obzirom na raspoložive tehnike iskopa i mnogo različitih faza iskopa, od iskopa do završetka podgrade prolazilo je puno vremena što je pogodovalo razrahljenju stijenske mase. Rezultat ovakvog načina graĎenja bila su vrlo velika nepravilna opterećenja što je rezultiralo debelom podgradom. MeĎutim, još u to vrijeme znanstvenici su razumjeli potrebu reduciranja deformacija s ciljem korištenja nosivog kapaciteta stijenske mase i recipročnog odnosa izmeĎu otpornosti podgrade i deformacija.
NATM je često vezana za patent prof. Ladislausa Rabcewicza, koji je izmislio dvostruku tunelsku podgradu (početnu i konačnu). Ovaj koncept dopušta deformiranje stijene prije ugradbe konačne podgrade kako bi se reduciralo opterećenje. Ideja o potrebi deformiranja temeljena je na teoretskim istraživanjima Engesseraiz 1881. a primijenio ju je Schmidt 1926. Glavni uspjeh i doprinos Rabczewicza i Leopolda Mullera bilo je uvoĎenje sistematskog sidrenja i in-situ mjerenja što je temeljeno na teoriji mehanike stijena koju je razvijao tzv. Salzburški krug. Uprava rudnika Pribram u Češkoj, pokušala je 1848 koristiti brzu ugradnju morta kao zamjenu za tešku drvenu podgradu rudniku ugljena Wejwanow (Sauer, l994). U isto vrijeme, Karl Ritter, Švicarski inženjer, preporuća kružni poprečni presjek tunela sa trenutnim zatvaranjem podnožnog svoda kako bi seosigurao zatvoreni prsten u uvjetima gnječenja (squeezing),vjerojatno kao rezultat Brunel-ovog patentiranog kružnog štita iz 1818. za tunelogradnju u mekanim tlima (soft ground). Rziha, glasoviti inženjer u tunelogradnji 19 stoljeća, predložio je čeličnu podgradu umjesto teške drvene. Njegova inženjerska filozofija u tunelogradnji bila je da je mnogo spretnije spriječiti opterećenje stijene nego boriti se s njim kada se pojavi. Mlazni beton je efektivno izmislio 1907. Carl E. Akely, preparator životinja u prirodoslovnom muzeju, iz Chicaga, kada je izgradio stroj za špricanje morta na skelet dinosaura. U to vrijeme mlazni beton je uglavnom bio korišten za zaštitu kosina. Prvi puta je 1914. predloženo korištenje mlaznog betona u podzemlju kao zaštita rudarske galerije od atmosferilija i kao protupožarna zaštita. Prvo zabilježeno korištenje mlaznog betona bilo je u SAD-u u ranim 1920-im. Najraniji zagovornik korištenja mlaznog betona kao trenutne podgrade umjesto tradicionalne teške drvene i čelične, bio je Anton Brunner, malo poznati rudarski inženjer iz salzburga. Brunner je 1954. preuzeo punu odgovornost za stabiliziranje stijene podložne gnječenju (squeezing) u diverzionom tunelu za Runserau hidrocentralu korištenjem mlaznog betona. Bio je to prvi jači upad na područje koje je pokrivala upotreba štita u mekanim materijalima. Nakon ove uspješne primjene on je pripremio patent za njegovu kompaniju Rella, koja nije pokazala interes za to.
Slika 1. Nova austrijska tunelska metoda
OSNOVNE ZNAČAJKE NOVE AUSTRIJSKE METODE
2.
Osnovne značajke su primjena mlaznog betona i ostalih podgradnih elemenata kao što su čelične mreže, čelična sidra i čelični lučni okviri za osiguranje i pojačanje iskopane konture tunela. Za to moraju postojati odreĎeni preduvjeti: -
stijenska masa poslije iskopa mora biti stabilna u vremenu potrebnom za osiguranje iskopa
-
kod toga treba uzet u obzir efektivni slobodni raspon i vrijeme u kojem stijenska masa može stajati bez osiguranja Nakon izbijanja profila miniranjem primarno stanje naprezanja mijenja se u
sekundarno. Uz rub izbijene konture nastaje veća koncentracija naprezanja uslijed kojih dolazi do deformacije koja se manifestira konvergencijom stijene. Konvergencija se zaustavlja ojačavanjem stijene oko iskopane konture. Na taj naćin oko ruba konture stvara se nosivi prsten koji preuzima sva opterećenja. Ako se proces relaksacije stijene ne zaustavi potrebno je istu i dalje ojačavati dodatnim podgradnim elementima. Na osnovi mjerenja konvergencije i na temelju iskustva stečenih pri izgradnji pojedinih tunela moguće je za odreĎenu kategoriju stijene odrediti podgradne elemente za pojačanje stijene.
Osnovni principi strategije gradnje mogu se sažeti kao:
Mobiliziranje čvrstoće stijenske mase kako bi se ona pretvorila u samonosivi sustav. Prskani beton zajedno sa sustavom sidara stvara nosivi prsten oko otvora.
Upotreba prskanog betona neposredno nakon iskopa kako bi se kontroliranim pomacima sačuvala nosivost stijenske mase. Nakon iskopa potrebno je vrlo malo pridržanje da se kontroliraju pomaci. Kada pomaci jednom započnu potrebne su značajno veće sile pridržanja.
Opažanje deformacije iskopane stijenske mase. Veličina i razvoj deformacija u vremenu pokazatelj su da li podgradni sustav zadovoljava.
Upotreba elastičnog podgradnog sustava. Kontrolirano dopuštanje deformacije unutar vremena koje neće dovesti do rastresanja stijenske mase, značajno smanjuje opterećenja koja podgrada treba preuzeti.
Izrada podnožnog svoda kako bi se formirao podgradni nosivi prsten. Tunelski otvor se statički promatra kao tankostijena cijev, te u uvjetima stiskajuče stijenske mase koja ne može preuzeti opterećenja od temelja, treba "zatvoriti" podgradu po cijelom profilu u jedinstveni prsten.
3.
KLASIFIKACIJA STIJENSKE MASE
3.1.
Lauferova klasifikacija Razvijena je za potrebe projektiranja i izvedbe tunelskih podgradnih sustava, a
zasnovana je an ranijim saznanjima na području mehanike stijena i tunela. Laufferova klasifikacija
predlaže
korelaciju
izmeĎu
vremena
postojanosti
nepodgraĎenog raspona u odnosu na različite klase na koje je
stijenskog
iskopa
podijeljena stijenska
masa.NepodgraĎeni raspon predstavlja širinu tunelskog iskopa ili udaljenosti od izvedene podgrade ukoliko je isti raspon manji od raspona iskopa. Značaj Laufferova klasifikacije ili koncepta vremena nepodgraĎenog iskopa je u zahtjevima na skraćenje vremena potrebnog za ugradnju podgrade.
3.2.
RQD klasifikacija Rock Quality Designation (RQD) index definiran je kao postotak intaktne jezgre koja
sadrži odlomke dužine 100 mm ili duže u ukupnoj dužini izbušene jezgre. Za odreĎivanje vrijednosti RQD, International Society for Rock Mechanics (ISRM) odreĎuje promjer jezgre 54,7 mm. Obzirom na to tijekom godina je predloženo više korekcijskih faktora za izračunavanje RQD za različite promjere jezgre. Zaključeno je da se granična vrijednost od 100mm može koristiti za sve veličine ukoliko se prilikom mjerenja isključuju oštećenja jezgre nastala bušenjem u rukovanjem. U slučaju nedostatka podataka o stijenskoj masi dobivenih bušenjem, RQD indeks se može odrediti iz utvrĎenog broja pukotina (diskontinuiteta) vidljivih na površini po jedinici volumena stijenske mase.
3.2.
RQD (%)
Kvaliteta stijene
< 25
vrlo slaba
25 – 50
slaba
50 – 75
povoljna
75 – 90
dobra
90 – 100
odlična
RMR klasifikacija Izvorno je razvijena za potrebe karakterizacije stijenske mase i projektiranje
podgradnog sustava za tunele. Tijekom godina klasifikacija je mijenjana na osnovi rezultata primjene i provjere na većem broju podzemnih graĎevina u različitim geološkim sredinama i uvjetima te prilagoĎavana meĎunarodnim standardima i procedurama. Brojni drugi autori koji su koristili predmetnu klasifikaciju doprinijeli su svojim zapažanjima na osnovi iskustva pri izvoĎenju tunela, podzemnih prostora, kamenoloma i rudnika, pokosa i temeljenja.
Klasifikacijska procedura zasniva se na odreĎivanju sljedećih šest parametara: 1. Jednoosna tlačna čvrstoća RQD indeks (Rock Quality Designation) 2. Razmak diskontinuiteta 3. Stanje diskontinuiteta 4. Uvjeti podzemne vode 5. Orijentacija diskontinuiteta 6. Jednoosna tlačna čvrstoća Pri primjeni RMR klasifikacije, stijenska masa se dijeli u pojedinačne strukturne regije koje se klasificiraju odvojeno od drugih. Granice ovih regija su u pravilu odreĎene značajnijim strukturnim pojavama kao što su rasjedi, zdrobljene zone ili promjene tipa stijenske mase. U pojedinim slučajevima, promjene uzrokovane značajnijim promjenama u nekom parametru, a unutar istog tipa stijenske mase, mogu uzrokovati podjele u manje dijelove strukturnih regija. Klasifikacija se temelji na bodovanju, pri čemu su različitim parametrima pridružene različite numeričke vrijednosti u ovisnosti o njihovoj važnosti za sveukupnu klasifikaciju stijenske mase. Predmetni bodovi se sumiraju i ukupna suma daje vrijednost RMR.
3.3.
Q klasifikacija Klasifikacija je napravljena primarno za odreĎivanje karakteristika stijenske mase i
odgovarajuće tunelske podgrade. Vrijednost Q varira (u logaritamskom mjerilu) od 0,001 do 1000, a sama vrijednost indeksa Q odreĎena je izrazom (
)
( )
(
)
Klasifikacija je zasnovana na numeričkoj procjeni kvalitete stijenske mase koja se opisuje sa šest parametara i to: 1. RQD – Rock Quality Designation 2. Jn – broj skupova (familija) pukotina 3. Jr – indeks hrapavosti pukotina 4. Ja – indeks alteracije (trošnosti) pukotina 5. Jw – faktor pukotinske vode 6. SRF – faktor redukcije naprezanja
Kvocijent (RQD/Jn) predstavlja cjelokupnu strukturu stijenske mase i prezentira veličinu bloka
Kvocijent (Jr/Ja) predstavlja veličinu približne posmične čvrtoće izmeĎu blokova u funkciji hrapavosti i alteracije pukotina
Kvocijent (Jw/SRF) predstavlja aktivni pritisak kroz odnos pritiska vode u pukotinama i parametra SRF koji predstavlja: 1. opterećenje rastresene zone u području rasjednih zona ili zona stijenske mase s glinom 2. naprezanje kod zdravih stijenskih masa 3. naprezanja nastala uslijed gnječenja ili bubrenja plastičnih stijenskih masa
4.
UPOTREBA NOVE AUSTRIJSKE TUNELSKE METODE Metoda je prvobitno razvijena za primjenu u stijenskim masama i zasniva se na
konceptu da se sredina oko podzemnog otvora, u što većoj mjeri, angažira kao aktivna noseća konstrukcija koja, uz pomoć podgrade, odnosno tunelskog obloga, prihvaća opterećenje uslijed iskopa tunela. Ugradnja podgrade se provodi na optimalni način tako da se mogući željeni stupanj relaksacije, odnosno predraspodijele napona u stijenskoj masi, čime se smanjuje opterećenje koje prima podgrada (pri tome se mora voditi računa da ne doĎe do rastresanja stijene i dodatnih velikih pomicanja). Za prikaz pritiska na oblogu, u funkciji deformacije, služi koncept ground response curve. Na slici 2. prikazana je karakteristična krivulja koja daje zavisnost pritiska tla σr i radijalnog pomicanja konture δr
Slika 2. ground response curve
Podgrada se formira u točki A, nakon što su se dogodila pomicanja na čelu tunela, tako da, sa obzirom da je došlo do djelomične relaksacije primarnih napona, sistem postiže ravnotežu pri nižem opterećenju na podgradi, u točki B. Nasuprot tome, pri ranijoj primjeni relativno krute podgrade deformacije konture su manje, a opterećenje koje prima obloga je veće (nema značajnije relaksacije napona u okolnoj sredini). Osiguravanjem adekvatnog podgraĎenog otpora u optimalnom trenutku, postiže se najekonomičnije rješenje. Kada se primjenom primarne podgrade, slojevi prskanog betona uz sistematsko ankeriranje, postigne ravnoteža može se, u kasnijoj fazi, formirati sekundarna obloga od betona. Sastavio dio NATM su mjerenja deformacija i pritisaka koja se provode u toku graĎenja tunela tako da se može izvršiti prilagoĎavanje metode u skladu s rezultatima provedenih mjerenja. Iako je Nova austrijska tunelska metoda u početku bila predviĎena za primjenu u stijenama, posljednje desetljeće se sve više primjenjuje i u mekim sredinama kada se koristi i naziv SCL (Sprayed Concrete Lining) metoda – metoda obloge od prskanog betona. Kod primjene u mekim stijenama, dužina nepodgraĎene dionice na čelu i vrijeme stajanja nepodgraĎenog iskopa moraju biti što kraći. U odreĎenim slučajevima vrši se i djelomična razrada profila po fazama. Da bi se kontroliralo slijeganje u urbanim područjima, bitno je da se, u što kraćem roku, formira noseći prsten. Dakle, kod primjene NATM u mekim sredinama, od najveće je važnosti osiguravanje čela iskopa. podatci o slučajevima urušavanja koji su se dogodili na tunelima kod primjene ove metode u mekim sredinama, pokazuju da su se, u većini slučaja, odnosili na čelo tunela. Neke od mjera kojima se mogu smanjiti rizici pojave kolapsa čela tunela su: adekvatna geotehnička ispitivanja kojima se smanjuju mogućnosti pojave neočekivanih geotehničkih pojava, stalna mjerenja i promatranje, razvoj opreme i tehnologije graĎenja u mekim sredstvima, a u slučaju potrebe i poboljšanje karakteristika tla (injektiranje, zamrzavanje, dreniranje), podupiranje čela i dr. Unatoč odreĎenih kritika NATM se sve više koristi i u mekim sredinama. Prednost metode je fleksibilnost da se prilagodi različitim geotehničkim pojavama i kompleksnoj geometriji presjeka iskopa (veliki presjeci ili ukršteni tuneli), jednostavnost i niža cijena opreme koja se koristi za graĎenje, kao i mogućnost mjerenja deformacija i napona. Bitni činjenice za uspješnu primjenu ove metode su obučenost i iskustvo radnika koji sudjeluju u izgradnji tunela, kao i razumijevanje osnovnih postavki NATM.
6.
LITERATURA
Krsnik J., 1993. Izrada podzemnih rudničkih prostorija i tunela. Zagreb: Rudarsko-geološkonaftni fakultet. Maraš – Dragojević S., 2012. Sleganje površine terena usled izgradnje tunela, doktorska disertacija. Beograd: Univerzitet u Beogradu GraĎevinski fakultet. Kovari K., 1993. Erroneous Concept behinde NATM. Zurich: Swiss Federal Institute of Tehnology.
