06-Oblici Nestabilnosti Podzemnih Gradevina

8/17/2019 06-Oblici Nestabilnosti Podzemnih Gradevina

1/14

Ivan Vrkljan

6. Oblici nestabilnosti podzemnih građ evina

Opisani su tipič ni oblici nestabilnosti stijenske mase u okolini podzemnih

iskopa. Objašnjeni su fenomeni koji iniciraju neatbilnost podzemnih

građ evina


2/14

Podzemne građ evine i tuneli 2

6 Oblici nestabilnosti podzemnih građevina6.1 Uvod

Postupak identificiranja mogućeg modela nestabilnosti stijenske mase obuhvaća sljedećekorake:

• sakupljanje inženjerskogeoloških podataka površinskim kartiranjem i bušenjem,• definiranje inženjerskogeoloških i geotehničkih svijstava stijenske mase,• klasifikacija stijenske mase i identifikacija potencijalnog modela loma.

Nestabilnosti podzemnih građevina iskazuje se kao:

• nestabilnost zbog nepovoljne strukturne geologije (lom kontroliran strukturom i gravitacijom),• nestabilnost usljed niske čvrstoće u odnosu na naprezanje (lom izazvan naprezanjima i

gravitacijom),• nestabilnost usljed jakog trošenja ili bubranja stijena,• nestabilnost usljed visokog tlaka ili tečenja vode.


3/14

Oblici nestabilnosti podzemnih gradevina 3

OPAŽANJE PONAŠANJA ISKOPA I PODGRADE RADI VERIFIKACIJE PROJEKTA I DOPUŠTENJAZA EVENTUALNE PROMJENE

KLASIFIKACIJA STIJENSKE MASE I IDENTIFIKACIJA POTENCIJALNOG MODELA SLOMA

UGRADNJA PODGRADE SA STROGOM KONTROLOM KVALITETE RADI OSIGURANJA DA SIDRA,KABLOVI, PREDNAPREZANJE, ČELIČNI LUKOVI, MLAZNI BETON I dr. BUDU KOREKTNO

UGRA ĐENI PO DIMENZIJAMA I KOLIČINI

PROJEKTIRANJE PODGRADE, UZIMAJUĆI U OBZIR FAZNI ISKOP, DOSTUPNOST MATERIJALA ICIJENU PROJEKTA

ISTRAŽIVANJE UTJECAJA MINIRANJA I GORSKIH UDARA NA PODGRADU

NELINEARNA ANALIZA INTERAKCIJEPODGRADE I STIJENE ZA

PROJEKTIRANJE PODGRADE

ANALIZA VELIČINE ZONE U KOJOJ SUNAPREZANJA PREMAŠILA ČVRSTOĆU

STIJENE

DEFINIRANJE SVOJSTAVA STIJENSKEMASE

ODRE ĐIVANJE IN-SITU NAPREZANJA USTIJENSKOJ MASI

ODRE ĐIVANJE POTREBNE PODGRADE

IZRAČUNAVANJE FAKTORA SIGURNOSTIILI RIZIKA POTENCIJALNIH SLOMOVA

DEFINIRANJE POSMIČNE ČVRSTOĆE NAPOTENCIJALNIM PLOHAMA SLOMA

ISTRAŽIVANJE KINEMATSKI MOGUĆEGMODELA SLOMA

SLOM IZAZVAN NAPREZANJIMA I

GRAVITACIJOM

SLOM KONTROLIRAN STRUKTUROM I

GRAVITACIJOM

KARAKTERISTIKE STIJENSKE MASE

SAKUPLJANJE INŽENJERSKOGEOLOŠKIH PODATAKA POVRŠINSKIM KARTIRANJEM IBUŠENJEM

Slika 6.1 Projektiranje podgrade podzemnih iskopa u čvrstoj stijenskoj masi (Hoek & al. 1995.)


4/14


6.2 Nestabilnost zbog nepovoljne strukturne geologije

U čvrstoj stijenskoj masi s velikim brojem diskontinuiteta, stabilnost iskopa na malim dubinama bit ćekontrolirana struktrnim lomovima usljed gravitacije.

Radi procjene moguće nestabilnosti po ovom modelu potrebno je poduzeti sljedeće radnje:

• određivanje srednjih nagiba i pravaca nagiba značajnih diskontinuiteta u stijenskoj masi,• identificiranje potencijalnih klinova koji mogu kliznuti ili ispasti iz kalote i bokova,• proračun faktora sigurnosti identificiranih klinova ovisno o modelu loma,• proračun potrebnog osiguranja kako bi se faktor sigurnosti pojedinih klinova doveo na

zadovoljavajuću vrijednost.

Slika 6.2 Ispucala stijena će se pod niskim naprezanjima pokazivati nestabilnost u vidu ispadanja iliklizanja blokova uslijed gravitacije

Slika 6.3 Teško ispucala stijena će pod niskim naprezanjima pokazivati nestabilnost u vidu ispadanjamalih uklještenih blokova po konturi iskopa. Ispadanje (lom) može se proširiti duboko u stijensku masuako se ne kontrolira


5/14


Slika 6.4 Tunel Sv. Rok, lom podgrade zbog nestabilnosti klina stijenske mase u kaloti

Korištenje klasifikacije stijenske mase sa svrhom procjene stabilnosti pozemnih građevina i

definiranja elemenata podgrađivanja u ovom slučaju nije opravdano

6.3 Nestabilnost usljed niske čvrstoće u odnosu na naprezanje (lom izazvan naprezanjima i

gravitacijom)

Kada je in-situč

vrstoć

a stijenske mase manja od in-situ narezanja, probleme stabilnosti mogu izazvatilomovi izazvani naprezanjima.

Klasifikacija stijenske mase daje korisnu početnu poduku u vezi s ovim problemom

σ1

σ3 =konstanta

σ1

σ3

Plastični lom

Elastičnadeformacija

σ 1 -

σ 3

σ3

Aksijalna deformacija

Slika 6.5 Idealizacija naponsko-deformacijske krivulje (elastični-perfektno plastični materijal)


6/14


Slika 6.6 Masivna stijena. Visoka koncentracija naprezanja na konturi iskopa u masivnoj stijenskoj masiza posljedicu će imati: spalling, slabbing i crushing

(b)(a)

Slika 6.7 (a)Spalling u boku rudničke prostorije u kvarcitu na dubini od 1500 m. (b) Spalling u

podzemnoj prostoriji iskopanoj u stijenskoj masi izloženoj visokim primarnim naprezanjima.


7/14


Slika 6.8 Ispucala stijena. Visoka koncentracija naprezanja na konturi iskopa u ispucaloj stijenskoj masi prouzročit će lomove u obliku klizanja po diskontinuitetima i lomove pojedinih blokova (crushingand spliting)

Slika 6.9 Teško ispucala stijena Visoka koncentracija naprezanja na konturi iskopa u teško ispucalojstijenskoj masi prouzročit će klizanja po diskontinuitetima i lomove pojedinih blokova (crushing).

Zatvaranje profila u obliku izdizanja poda i kretanja bokova su tipič an rezultat ovog tipa loma

Gnječenje (squeezing) stijene je vremenski ovisna velika deformacija koja se događa oko tunela iuglavnom je vezana s tečenjem (creep) koje je posljedica prekoračenja graničnog posmičnognaprezanja. Deformacija može završiti za vrijeme izvođenja ili može biti nastvljena tijekom dugogvremenskog perioda . Fenomen gnječenja, može se opisati kao vremenski ovisni pokreti koji se dešavajuu tlu ili stijeni onoliko dugo koliko su naponski uvjeti takvi da su premašena posmična naprezanja prikojima počinje tečenje.

Gnječenje stijenske mase može se dogoditi kao:

• gnječenje intaktne stijene,• gnječenje ispunjenih stijenskih diskontinuiteta i/ili uzduž ploha slojevitosti i folijacije, pukotina

i rasjeda.


8/14


Gnječenje je sinonim prenapregnutog stanja (overstresing) i ne podrazumjeva deformacije uzrokovanerazrahljenjem koji se može dogoditi u bokovima i podu tunela u ispucaloj stijenskoj masi.

Mehanizam gnječenja

Premda je mehanizam loma tunela kao posljedice gnječ

enja slabo razumljiv, generalno je prihvać

eno dase radi o o reduciranju poprečnog presjeka tunela usljed velikih deformacija okolnog medija. ako seovim pokretima suprotstavi podgrada nedovoljne nosivosti doći će do njenog loma.

Fenomen je bio primjećen prilikom iskopa prvih cestovnih tunela kroz Alpe u drugoj polovini 19stoljeća (Barla, 1995).

Gnječenje i tehnike iskopa

Gnječenje je usko povezano s tehnikama iskopa i podgrađivanja. Ako ugradnja podgrade kasni,stijenska masa se pokreće u tunel i dolazi do redistribucije naprezanja oko tunela. Suprotno, ako sudeformacije stijene spriječene, gnječenje će voditi ka dugotrajnom povećanju opterećenja podgrade.

Gnječenje nije svojstvo stijenske mase. Slaba stijena neće se gnječiti ako sekundarna naprezanja ne premaše njenu čvrstoću.

Koje su stijene sklone pojavi gnječenja?

Mnoge od stijena sklonih gnječenju su bogate mineralima glina i u kontaktu s vodom pokazuju itendenciju bubrenja.

Na manjim dubinama gdje su niski pritisci, gnječenju su podložni materijali koji sadrže pornu vodu iimaju vrlo nisku čvrstoću. na primjer, rasjedne zone, jako alterirane piroklastične stijene koje sadržeminerale glina, alterirane tinjčaste stijene i slabokonsolidirani "mudston"-i i glinci (claystones).

Na većim dubinama gnječenju su podložne rasjedne zone, alterirane stijene te stijene s znatnimučešćem tinjčastih i glinenih minerala. neporemećeni šejlovi i "mudston"-i,

Slika 6.10 Rekonstrukcija tunela kod kojeg je efekt gnječenja stijenske mase bio vrlo izražen


9/14


Slika 6.11 Podgrada i prekoprofilski iskop u željezničkom tunelu St. Gotthard (švicarske Alpe).Dionica tunela u kojoj se očekuju uvjeti gnječenja.

6.4 Nestabilnost usljed jakog trošenja ili bubranja stijena

U Europi predstoji izgradnja nekoliko tunela s nadslojem preko 2000 m gdje se očekuju problemi

gnječenja (squeezing), bubrenja i povišene temperature.

• Gotthard bazni tunel (57 km) u Švicarskoj,• Lotschberg bazni tunel (33 km) u Švicarskoj,• Brenner tunel (60 km) između Austrije i Italije,• Moncenise tunel (55 km) između Francuske i Italije).

Kada se govori o teškim geotehničkim uvjetima, najčešće se misli na gnječenje (squeezing) i/ilibubrenje stijena. Iako ta dva fenomena nemaju, u fenomenološkom smislu, ništa zajedničko, oni suglede tunelogradnje čvrsto vezani. Naime, u bubrivim stijenama, negativni efekti bubrenja su gotovoredovito pojačani i efektima gnječenja. Na terenu je vrlo teško razlikovati ta dva fenomena. Dok sumehanizmi, eksperimentalne metode i modeli bubrenja glinovitih stijena dobro definirani, čini se da

ponašanje sulfatnih stijena i kombinacija gnječenja i bubrenja zahtijevaju daljnja istraživanja.


10/14


Svako povećanje volumena naziva se bubrenje (engl. - swelling, francuski - gonflement, njemački -schwellen, quellen). s nekoliko definicija pokušat će se objasniti značenje tog izraza.

Einstein (1975) definira bubrenje kao vremenski ovisno povećanje volumena prirodnog tla uzrokovano promjenom naprezanja, povećanjem sadržaja vode ili kombinacijom obaju čimbenika.

British standards (bs 6100: subsection 2.2.1: 1990) definiraju bubrenje kao povećanje volumenakohezivnog materijala zbog apsorpcije vode ili naponskog reljefa.

ISRM (1975) definira bubrenje ovako: mineraloški sastav stijena je takav da apsorbiranje vode uzrokujemjerljivo povećanje volumena. bubrenje može prouzročiti vrlo velike, vremenski ovisne sile na stijenski

podgradni sustav ili može reducirati veličinu otvora.

Kovari, Amsted, Anagnostou (1988) opisuju bubrenje stijena ovako: bubrenje je fenomen povećanjavolumena stijena koje sadrže glinene minerale i anhidrit kada dođu u dodir s vodom.

ISRM (1983) bubrenje definira kao vremenski ovisno povećanje volumena uključujući fizikalno-kemijsku reakciju s vodom

U literaturi se često pod pojmom bubrenja razumijevaju sve pojave povećanja volumena bez obzira nauzrok i mehanizam po kojemu se ono odvija. tako se čak i povećanje volumena izazvano smrzavanjem

ponekad svrstava pod fenomen bubrenja (Lindner, 1976, British standard bs 6100, subsection 2.2.1,1990). Autori koji usvajaju tako široku definiciju bubrenja, kao posebnu kategoriju izdvajaju bubrenjeu strogom smislu. Pod bubrenjem u strogom smislu razumijevaju povećanje volumena uzrokovanoadsorpcijom ili apsorpcijom vode. Kada se govori o bubrenju kao pojavi koja uzrokuje probleme uinženjerskoj praksi, uobičajeno je da se pod tim pojmom razumijeva mjerljivo povećanje volumenauzrokovano djelovanjem vode na materijale u kojima ili na kojima se građevina gradi.

Praksa pokazuje da bubri uglavnom stijena u podu. Bubrenju stijene u podu pogoduju sljedeći uvjeti:

• u podu ima najviše vode (tehnološke i/ili podzemne).• pod je obično slabije osiguran od kalote i bokova• podje obično ravan te pri većim primarnim naprezanjima dolazi do plastificiranja stijene u podu.• dinamički efekti transporta potpomažu dezintegraciji stijene u podu


11/14


Podzemna voda

Kvar na vodnim

instalacijama

NEDEFORMABILNAPODNA PLOČ A

IZDIZANJE PODA

DEFORMABILNA PODNAPLOČ A

IZDIZANJE PODA

NEPODGRA ĐENI POD

1-Karakteristična krivulja bubrivestijene

2-Karakteristična crta deformabilnepodne ploče

3-Karakteristična crta nepodgrađenogpoda

4-Karakteristična crta nedeformabilnepodne ploče

Pa ua

I z d i z a n j e p

o d a u a

Reakcija podgrade Pa

A

C

B1 4

23

Slika 6.12 Bubrenje se najčešće manifestira u podu tunela


12/14


Slika 6.13 Izdizanje poda tunela zbog bubrenja stijenske mase

Trošenje

Ovo trošenje treba razlikovati od trošenja kojem su izložene sve vrste stijena tijekom geološke povijesti.Trošenje o kome se ovdje govori, dešava se za vrijeme izgradnje i eksploatacije građevine, a posljedica

je cikličkog vlaženja i sušenja (promjenom relativne vlažnosti zraka ili direktnim djelovanjem vode).

Sve stijene su više ili manje podložne utjecaju vlaženja i sušenja. Stijene kao što su svježi graniti ilidobro cementirni kvarcni pješčenjaci su trajni pošto se neće dezintegrirati nakon mnogo ciklusa vlaženja

i sušenja. Međutim, mnoge stijene koje sadrža minerale glina (muljac, šejl, lapor, neke magmatskestijene zahvaćene trošenjem) i/ili anhidrit, bubrit će ili će se dezintegrirati kada budu izloženiatmosferskim ciklusima vlaženja i sušenja.

Kada se govori o trošenju sitnozrnastih klastičnih sedimenata treba razlikovati: (modificirano Olivier,1979a, p 468, 474)

• trošenje stijena koje sadrže značajnu količinu minerala sposobnih da bubre po mehanizmuintrakristalnog bubrenja (bubrivi minerali glina-aktivni minerali). Taylor i Spears ovotrošenje nazivaju - kratkotrajnim kemijskim trošenjem.

• trošenje stijena koje ne sadrže bubrive minerale glina uglavnom je posljedica: (a) isušivanja i

raspucavanja (slaking ili air breakage); (b) interkristalnog bubrenja. Kod interkristalnog bubrenja najznačajniji je fenomen osmotskog bubrenja.• trošenje stijena koje sadrže značajne količine lako topivih minerala (halit, gips i sl.). .

Na proces trošenja kompaktiranih i slabo cementiranih tipova stijena, vrlo vjerojatno najveći utjecaj imanereverzibilni fizikalni proces isušivanja i raspucavanja (slaking ili air breakage).

Za vrijeme sušenja stijene, većina pora se ispuni zrakom. kod naglog potapanja u vodu, tlak zraka u porama se povećava uslijed djelovanja kapilarnog pritiska koji se razvija u vanjskim porama. Povećanje pritiska zraka uzrokuje lom mineralnog skeleta uzduž najslabijih ploha čime je omogućen nastavak istog procesa.


13/14

Oblici nestabilnosti podzemnih gradevina 13 Pojave isušivanja i raspucavanja stijena koje ne sadrže dominantno aktivne minerale glina mogu setumačiti djelovanjem dvaju fenomena:

• pojava negativnih pornih tlakova (suction) u međusobno povezanim porama makrostrukturegdje voda ima relativno veliku mobilnost. Tim fenomenom mogu se objasniti volumne

promjene (bubrenje i skupljanje ) glina koje u manjoj mjeri sadrže aktivne minerale.

• fizikalno-kemijski efekti koji djeluju uglavnom na vodu vezanu na pojedinačne čestice i na veće jedinice gusto pakiranih čestica aktivnih minerala (kvazikristali). Desaturiranjem stijenesmanjuje se osnovni razmak i debljina dvostrukih slojeva. Fizikalno-kemijska reakcijadominantan je efekt mikrostrukturne razine.

6.5 Nastabilnost usljed visokog tlaka ili tečenja vode

Svaki tunel djeluje kao dren u podzemlju. Kada je nivo podzemne vode iznad najviše točke tunelskog profila, voda će teći prema tunelskoj cijevi zbog razlike potencijala. Kraški tereni mogu imati velikekoličine vode u podzemnim kavernama koja kod naglog prodora može značajno oštetiti stijensku masu uokolini tunela. Pri izgradnji tunala, ne treba spriječavati dotok vode u tunel već suprotno, treba ju čim

više drenirati kako podgrada tunela nebi trpila hidrostatski tlak vode.

Tečenje podzemne vode može prouzročiti otapanje lakotopivih minerala kao što su kuhinjska sol, gips ineki drugi. Otapanje slojeva stijena koje sadrže ove minerale, može značajno ugroziti stabilnost

podzemnih iskopa.

Posebna pravila projektiranja treba primijeniti ako se tunel projektira u masivu koji se sliježe zbog podzemnog rudarenja.

6.6 Rječnik

groundwater level The level below which the rock and subsoil, to unknown depths, are satured

piezometric surface An imaginary surface that everywhere coincides with the static level of the water inthe aquifer

seepage The infiltration or percolation of water through rock or soil to or from the surface.The term seepage is usually restricted to the very slow movement of groundwater

swellingThe constitutive mineralogy of the rock is such that water is absorbed, causing ameasurable increase in volume of the rock. Swelling can exert very large time-dependent forces on rock support systems, or can reduce the size of the openings

6.7 Literatura

Barla, G. Pelizza, S. TBM tunnelling in difficult ground conditions

Barla, G. Tunnelling under squeezing rock conditions

Barla, G., 1995, Squeezing Rock in Tunnels, ISRM News Journal, Vol 2, No 3&4 pp 44-53

Groves P.N., Sauer.,G., Morgan S.R., Engineering consequences of ground conditions on NATM worksat London Bridge Station, Jubilee Line Extension

Hoek E., and Marinos P. Predicting tunnel squeezing problems in weak heterogeneous rock massesPublished in Tunnels and Tunnelling, November and December 2000.

Hoek E., Big Tunnels in Bad Rock (2000) Terzaghi lecture Paper published in the ASCE Journal ofGotechnical and GeoenvironmentalEngineering, Vol. 127, No. 9, Sept 2001, pages 726-740.

Hoek, E., Kaiser, P.K., Bawden, W.F. (1995) Support of Underground Excavations in Hard Rock,Balkema, 215 p.)

Hoek, E., Rock Engineering (a course) (str 198) http://www.rocscience.com/

http://www.rocscience.com/http://www.rocscience.com/


14/14

Podzemne građ evine i tuneli 14 Sauer G., NATM in soft ground

Documents

06-Oblici Nestabilnosti Podzemnih Gradevina