3D numerical modeling of road tunnel stability – the Laliki project

• Autorzy: Majcherczyk T. , Niedbalski Z. , Kowalski M.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie 3D dla oceny stateczności tunelu drogowego w Lalikach

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents an evaluation of 3D numerical modeling of the first road tunnel built mining metod in Poland, on the Polish-Slovakian border. The Laliki tunnel presents a unique case for an assessment of 3D numerical modeling as a tool for tunnel design due to detailed data being available from monitoring during construction. Geotechnical evaluation carried out for the project proved insufficient, which called for an urgent necessity to work out an additional reinforcement of preliminary lining, using forepoling as the arch support. Stability analyses of the tunnel with new lining were carried out on the basis of 3D numerical modeling of displacements and stresses around the tunnel.

PL

W pracy przedstawiono zachowanie się utworów fliszu karpackiego w rejonie tunelu drogowego wykonanego w ciągu drogi ekspresowej S-69 Bielska-Biała – Zwardoń. Cechą charakterystyczną fliszu jest różnorodność i anizotropia właściwości fizycznych wynikająca z naprzemianległego zalegania słabych łupków i silnych piaskowców. Realizacja tunelu okazała się bardzo trudna z powodu niskiej jakości górotworu, licznych zaburzeń, nieregularności warstw skalnych oraz występowania licznych stref osłabienia. Praca zawiera wyniki przestrzennych obliczeń numerycznych przeprowadzonych dla oceny skuteczności wzmocnienia górotworu za pomocą dwóch typów obudowy wstępnej tj.: obudowy betonowej wraz z kotwieniem górotworu oraz obudowy betonowej wraz z mikropalami. Dla oceny stateczności tunelu wykonano analizę wyników pomiarów konwergencji. Analizowany tunel przecina grzbiet niewielkiego wzniesienia i znajduje się ok. 5 km od granicy polsko – słowackiej. Całkowita długość tunelu wynosi 678 m. W odległości 30,7 m od osi tunelu drogowego znajduje się oś tunelu ewakuacyjnego. Maksymalna głębokość wykonywania tunelu wynosi 35 m. Podstawowe dane tunelu drogowego są następujące: żelbetowa konstrukcja tunelu o dwóch warstwach: zewnętrznej (obudowa wstępna) i wewnętrznej (obudowa ostateczna), zewnętrzne gabaryty tunelu drogowego: szerokość 13,48 m, wysokość 9,50 m, szerokość użytkowa to 11,2 m w tym 8,40 m – jezdnia, wysokość nad jezdnią w osi tunelu: 6,55 m, wysokość skrajni drogi: minimum 4,70 m. Tunel drogowy, podobnie jak tunel ewakuacyjny, wykonywany był metodą górniczą zgodnie z zasadami Nowej Austriackiej Metody Tunelowania (NATM), a w rejonie portali metodą odkrywkową. Pomiędzy tunelami są cztery przejścia. Oś trasy tunelu ma stały spadek podłużny w kierunku portalu południowego (Karakus i Fowell, 2004). Na głębokości drążenia napotkano dużą zmienność litologii warstw skalnych oraz kątów ich zapadania (rys. 2 i 3). Miąższości warstw skalnych łupków ilastych są na ogół nieduże tj. do 10 cm, a sporadycznie w warstwach piaskowca do około 50 cm. Kąt upadu warstw skalnych określono w przedziale 37°÷86°, przy rozciągłości od 50° do 90° (tablica 1). Pod względem tektonicznym masyw fliszowy w którym zlokalizowany jest tunel charakteryzuje się zmiennością strukturalną, a więc i skomplikowaną tektoniką. Występują więc liczne sfałdowania, uskoki oraz spękania i szczeliny o zróżnicowanej charakterystyce. Ze względu na zmienność warunków geotechnicznych zaprojektowano wstępnie cztery typy obudowy wstępnej (tabela 2): od typu 1 (dla najkorzystniejszych warunków geotechnicznych) do typu 4 (dla najtrudniejszych warunków geotechnicznych). Trudne warunki w trakcie drążenia tunelu oraz oznaki lokalnej niestabilności czoła tunelu sprawiły, że wystąpiła konieczność zaprojektowania nowego typu obudowy tj. typu 5 z wykorzystaniem parasola mikropalowego (rys. 4). Dla oceny skuteczności tego typu obudowy przeprowadzone zostały przestrzenne obliczenia numeryczne. Analizę przeprowadzono Metodą Różnic Skończonych w programie FLAC 3D. Wymiary modelu wynosiły 60 m w kierunku osi x, 80 m w kierunku y oraz 45 m w kierunku z. Współrzędne wektora normalnego płaszczyzn osłabienia to (–1.468, –5.472, 1.000). Przyjęto, że drążenie tunelu rozpoczyna się w warstwie mocnej, by po 10 m przejść w warstwę słabą. Parametry warstwy mocnej odpowiadały parametrom łupków ilastych (Lzd), które mają porównywalne własności do parametrów przyjętych w projekcie wykonawczym. Warstwę słabą przyjęto o parametrach zbliżonych do faktycznie uzyskiwanych własności w trakcie drążenia tunelu (Lzl). Modelowanie przeprowadzono w dwóch wariantach: 1. Typ obudowy 4 – (obudowa z betonu natryskowego + obudowa wbijana wyprzedzająca o długości 4 m + kotwy ułożone radialnie o długości 6 m (rys. 5), 2. Typ obudowy 5 – obudowa z betonu natryskowego + obudowa wyprzedzająca w postaci parasola z mikropali o długości 12 m wraz z iniektem wzmacniającym górotwór w bliskim otoczeniu mikrofali + kotwy w dolnej części obudowy. W tabelach 5 i 6 przedstawiono właściwości materiałów wykorzystanych w modelowaniu. Na rysunkach 6 i 7 przedstawiono wartości sił osiowych w kotwach oraz w mikropalach. Z rysunku 6 wynika, że część kotew zabudowanych wokół wyrobiska przenoszą siły ściskające, ze względu na położenie ich zgodnie z występującymi płaszczyznami osłabienia. Kotwy takie, w przypadku nachylenia warstw zbliżonego do pionowego, nie stanowią zatem wzmocnienia górotworu i zabezpieczenia tunelu. Mapy wektorów przemieszczeń (rys. 8 i 9) wskazują, że w przypadku zastosowania obudowy typu 4, wartości przemieszczeń mogą sięgać nawet powierzchni terenu i będą one największe w czole tunelu. W przypadku obudowy typu 5 największe przemieszczenia będą występowały również w czole tunelu i będą głównie wynikiem relaksacji naprężeń i uwarstwieniem górotworu. Wartości tych przemieszczeń będą jednak o 30% niższe. Obudowa typu 5 z wykorzystaniem parasola mikropalowego przenosi więc obciążenia górotworu i umożliwia bezpieczne drążenie tunelu w strefach osłabionej jakości górotworu. Jednym z podstawowych pomiarów stosowanych do oceny stateczności tunelu jest pomiar konwergencji. Pomiary tego rodzaju wskazują na skuteczność stosowanej obudowy w określonych warunkach geotechnicznych. W przypadku tunelu w Lalikach, pomiary konwergencji były prowadzone w 46 przekrojach w odstępach do 20 metrów od siebie a ich zakres obejmował pomiar przemieszczeń w trzech kierunkach na 7 punktach pomiarowych (rys. 11). Maksymalne wartości konwergencji na długości tunelu przedstawiono na rysunku 12. Wynika z niego, że największe przemieszczenia kontury tunelu w obudowie wstępnej osiągające wartość 140÷20 mm występowały na odcinkach tunelu: 200÷240 m oraz 530÷580 m. W podsumowaniu artykułu stwierdza się, że tunel w Lalikach był realizowany w bardzo trudnych i zmiennych warunkach. Litologia, nachylenie warstw czy nieciągłości zmieniały się nawet po kolejnym zabiorze. Nachylenie warstw skalnych wraz z licznymi płaszczyznami nieciągłości spowodowało konieczność zastosowania dodatkowego typu obudowy z wykorzystaniem parasola mikropalowego. Obliczenie numeryczne pozwoliły na stwierdzenie, że ten typ obudowy pozwala na zmniejszenie przemieszczeń górotworu, które w przypadku zastosowania standardowych kotew mogły sięgać nawet powierzchni terenu. Zastosowanie iniektowanych mikropali tworzących sztuczne sklepienie nad tunelem pozwoliło więc na bezpieczne drążenie tunelu oraz zwiększyło bezpieczeństwo w trakcie jego użytkowania.

Słowa kluczowe

EN

tunnel stability; geotechnical conditions; numerical modelling

PL

stateczność tunelu; warunki geotechniczne; modelowanie numeryczne

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 57, no. 1
• Strony: 61--78
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Majcherczyk T.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Niedbalski Z.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Kowalski M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• Aldorf J., Kořinek R., Kalandra D., Komenda L. 1984. Geotechnické stavby. VŠB Ostrava.
• Bieniawski Z.T., 1989. Engineering rock mass classifications. New York, John Wiley and Sons Inc., 272 p. Dziewański J., Pilecki Z., Sroczyński W. 2001. Some geological engineering problems in communication tunnel planning In Carpathian Flysch – on the basis of the tunnel in Laliki. Wydawnictwo IGSMiE PAN, Kraków, p. 64. [in Polish].
• Itasca. 2006. Itasca Consulting Group, Inc. 2006. FLAC3D – Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions, Ver. 3.1, User’s Manual. Itasca, Minneapolis.
• Karakuş M., Fowell R.J., 2004. An insight into the New Austrian Tunneling Method (NATM). KAYMAK’2004-VII. Bölgesel Kaya Mekaniği Sempozyumu / ROCKMEC’2004-VIIth Regional Rock Mechanics Symposium, Sivas, Turkey.
• Łukaszewicz P., 2007. Deformational properties of flysch sandstones under conventional triaxial compressions. Archives of Mining Sciences, Vol. 52, No 3, p. 371-385.
• Niedbalski Z., Majcherczyk T., 2010: Estimating Broadway tunnel stability in polish carpathian flysch. Proceedings Conference Underground Construction Transport and City Tunnels Prague 2010. Published Thiel K. (ed.). 1995.
• Geomechanical Properties and Models of Rock Masses of Polish Carpathian Flysch. Gdańsk, IBW PAN; Biblioteka Naukowa Hydrotechnika 19; p. 226 [in Polish].
• Ocak I., 2008. Control of surface settlements with umbrella arch method in second stage excavations of Istanbul Metro. Tunnelling and Underground Space Technology 23/6, pp. 674-681.
• Shashenko A., Gapieiev S., Solodyankin A., 2009. Numerical simulation of the elastic-plastic state of rock mass around horizontal workings. Archives of Mining Sciences, Vol. 54, No 2, p. 341-348.
• Shin J.-H., Choi Y.-K., Kwon O.-Y., Lee S.-D., 2008. Model testing for pipe-reinforced tunnel heading in a granular soil. Tunnelling and Underground Space Technology 23/3; pp. 241-250.
• Siemińska-Lewandowska A., Mitew-Czajewska M., 2009. Numerical analysis of circular reinforced concrete tunnel lining. Proceedings of the 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineerig. The Academia and Practice of Geotechnical Engineering Alaxandria, Egypt, 5-9 October 2009, Vol. 2, p. 1745-1748.