Γεωτεχνική ταξινόμηση και τεχνικογεωλογική συμπεριφορά ασθενών και σύνθετων γεωϋλικών κατά τη διάνοιξη σηράγγων

Abstract

This doctoral thesis deals with the geotechnical classification and the engineering geological behavior of weak and complex rock masses in underground excavations. The research mainly focuses on non- urban tunnels using conventional methods of tunnelling. The complexity of these geological material guides to a more specialized research and geological characterization due to the special features of their rock masses regarding both their structure as well as their lithological characteristics. The weak and complex rock masses under analysis have most of the times undergone highly tectonized disturbance resulting in the destruction of their initial structure, weathering, the involvement of rocks with extremely low strength and generally a multi-heterogeneity. The study comprises the types of rock masses that can be developed by flysch, molasse, brecciated limestone, ophiolites and disturbed gneiss. The recent research about weak rock masses and their engineering geological behavior as well as the experience gained by the recent tunnelling in the Greek mountains, under particularly difficult geological conditions, provide good and sufficient data for the study of the influence of these conditions on the behavior of the geological material as well as on design and construction methods. The present thesis aims at examining the geological factors affecting the geotechnical behavior of the weak rock masses in underground excavations, at correlating the factors involved during the investigation of the validity and application of the classification systems and at connecting the characteristics of this geomaterial with the rock mass strength. The purpose of this dissertation deals with the requirements in the field study, the evaluation of the geotechnical behavior and the design and construction methods under these particularly difficult geotechnical conditions. The geotechnical description of the weak and complex rock masses is not examined in isolation but in connection with a variety of information. This includes the description of the geological environment in which the rock masses were formed, the analysis of geotechnical characteristics determining the “keys” for their stability during the underground excavation, the estimation of the strength and the deformation modulus of the intact rock, and their classification for the geotechnical characterization that enables the estimation of the strength and deformability of the rock mass. In that way we can estimate the geotechnical behavior of the unsupported tunnel sections of the underground excavation and the required primary support measures as a quality approach. In order to make substantial use of the experience accumulated from the construction of several tunnels, and to process this material, a database was constructed which was called “Tunnel Information Analysis System” and is referred to as TIAS. The creation of such a database is itself an indispensable part of the thesis. The purpose of the database is the comparison of the anticipated and the actual geological and geotechnical conditions, the evaluation of the applied classification methods of the rock masses as well as the correlations regarding their behavior and the immediate support measures. The fundamental source for the creation of the database was the 62 tunnels of Egnatia Highway. On those tunnels there has been, for the thesis purposes, field work and data processing, essential for the design and tunnel construction. It needs to be emphasized that many of these tunnels have been constructed under particularly difficult geotechnical conditions. The database integrates 96 tables of input data, 66 associated with geotechnical characteristics and 30 specifically referring to the tunnels. It provides archive information, information in order to monitor the tunnels in relation to their geological environment as well as information used for the comparison of the study and construction of new tunnels under similar conditions. The data input and processed by TIAS has to do with results from boreholes, laboratory or on site testing, classifications, engineering geological behavior (gravity driven failures, tunnel deformations) underground water, design parameters, geotechnical analysis in addition to information concerning primary measures of immediate support and finally the cost. In order to present and analyze all the above, for each of the studied geomaterial, a series of characteristic geological, engineering geological and geotechnical information-model, was created so that this information can easily be located according to the geomaterial and the type of the rock mass. For every category of geomaterial, what is examined is the general geological model of the rock masses’ environment based on the lithology, the formations’ structure, the main tectonic features, the hydrogeological conditions, the degree of weathering and the morphology. Within this frame, the geological model of the rock mass is analyzed with the characteristics of fragmentation, weathering, and also of the disintegrated, chaotic or sheared structure. The geotechnical classification of these rock masses is an essential part of the thesis. The results from analyzing the characteristics of the structure and the discontinuities have led to the formation of new diagrams displaying quantitative information through the Geological Strength Index (GSI) system for the rockmasses of flysch, molasse, gneiss (in its disturbed form) and what is also provided are the range of projection for the limestones and the ophiolites. At the same time, instructions for applying the GSI system are provided, the limitations for applying the classifications on weak rockmasses are discussed as well as cases of erroneous use of the classifications. Moreover, the thesis analyses and recommends, for these geomaterials, the range of values for the parameters σci and mi of the Hoek and Brown failure criterion, as well as the modulus ratio (MR), based on the processing of laboratory testing results. Values for heterogeneous rockmasses are also proposed. In addition to the geotechnical classification of the rock mass and in relation to that, there is a further classification of the weak and complex geomaterial that was examined based on its geotechnical behavior during the tunnelling excavation, in relation to the categorized failure mechanisms and the in situ stresses in each case. Therefore, there is an equivalence in the possible failure mechanisms (deformation due to overstressing, overbreakes or wedge failure, “chimney” type failure, raveling ground) and the scale of such failure. In general, the application of the well-known classification systems has the drawback of not displaying necessarily information concerning the rock mass behavior in the tunnels. Consequently, there are many cases in which the geological “identity” of the geomaterial is lost since it isn’t involved in the analysis and in that way it is possible that its special characteristics are mislaid. In any case, it is highlighted that a sound geotechnical judgment holds a vital part when there is an attempt to quantify the rock mass’ characteristics. Within this framework, a system for assessing the failure type mechanisms of the rock mass behavior for unsupported tunnel-section was created, based on specific engineering geological parameters and the in situ stresses. These are the structure (according to the GSI), the values of intact rock strength σci and the overburden thickness. The assessment deals with overburden ranges up to 300m. After defining the most possible failure types for every kind of the predicted rock mass, the most appropriate design parameters are identified (either of the rock mass, GSI, σci, mi, if it displays an isotropical behavior, or characteristics of discontinuities if it behaves in an anisotropic manner). In that way, the accuracy of the classifications and the support system can be managed directly from the direct tunnel observation and monitoring (deformation measurements or the characteristics of possible failures, stress or gravity driven, during the tunnel excavation). The innovative parts of the thesis are presented as following. - The engineering geological characteristics of weak and complex rockmasses are examined, regarding their behavior in underground excavation. - New rock mass classification diagrams are introduced within the general concept of the GSI system, or specific projections in the existing diagram, for the weak and complex geomaterial. - A new engineering geological series of characteristic geological, engineering geological and geotechnical information models, is proposed for each type of rock mass from the studied geomaterial that includes a standardization of its qualitative engineering geological characteristics, the quantitative of the geotechnical classifications, the strength and deformation parameters, the assessment of the behavior in underground excavations, depending on the in situ stresses, and qualitative instructions-guidelines for the primary support measures. - A system of estimating the engineering geological behavior is presented, with specific rock mass’ parameters based on the possible failure type mechanisms and by suggesting support measures, as concept, depending on the failure mechanisms. - A geotechnical tunnel database was originally created, with information concerning 62 tunnels enabling, in various ways, the analysis and correlation of numerous geological and geotechnical information. The processing and evaluation of the data, derived from the database allows to assess the real behavior of the geomaterial and to formulate the correlations of this behavior to the immediate support requirements and the technical processes of the tunnel construction.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η γεωτεχνική ταξινόμηση και η τεχνικογεωλογική συμπεριφορά ασθενών και σύνθετων γεωυλικών κατά τη διάνοιξη σηράγγων. Η έρευνα επικεντρώνεται κυρίως σε μη αστικές σήραγγες με συμβατική μέθοδο διάνοιξης. Η πολυπλοκότητα που παρουσιάζουν τα γεωυλικά αυτά επιβάλει ειδικότερη ανάλυση και τεχνικογεωλογικό χαρακτηρισμό λόγω των ιδιαιτεροτήτων που παρουσιάζουν οι βραχόμαζές τους, τόσο ως προς την δομή τους όσο και ως προς τα λιθολογικά χαρακτηριστικά τους. Οι ασθενείς και σύνθετες βραχόμαζές που εξετάζονται, έχουν τις περισσότερες φορές υποστεί έντονη τεκτονική καταπόνηση με αποτέλεσμα την καταστροφή της αρχικής τους δομής, την αποσάθρωση, τη συμμετοχή γεωυλικών με πολύ χαμηλή αντοχή και γενικώς μια ποικίλλουσα ετερογένεια. Πρόκειται περί των τύπων των βραχομαζών που μπορεί να εμφανίζει ο φλύσχης, η μολάσσα, ο κατακερματισμένος ασβεστόλιθος, οι οφιόλιθοι και οι καταπονημένοι γνεύσιοι. Η πρόσφατη έρευνα για τις ασθενείς βραχόμαζές και τη τεχνικογεωλογική τους συμπεριφορά και οι εμπειρίες από τη πρόσφατη διάνοιξη σηράγγων στον Ελληνικό χώρο, κάτω από ιδιαίτερα δύσκολες γεωλογικές συνθήκες, προσφέρουν ιδανικό υλικό για την έρευνα της επίδρασης των συνθηκών αυτών στην συμπεριφορά του γεωυλικού καθώς και στις μεθόδους σχεδιασμού και κατασκευής. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει κυρίως στην έρευνα επί των γεωλογικών παραγόντων που επηρεάζουν την τεχνική συμπεριφορά των ασθενών βραχομαζών στα υπόγεια έργα, στη συσχέτιση των παραγόντων που υπεισέρχονται στη διερεύνηση ισχύος και εφαρμογής των συστημάτων ταξινόμησης και στη σύνδεση των χαρακτηριστικών των γεωυλικών αυτών με την αντοχή της βραχόμαζας. Η χρησιμότητα της εργασίας αυτής αφορά στις απαιτήσεις της έρευνας πεδίου, στην αξιολόγηση της τεχνικογεωλογικής συμπεριφοράς, στις μεθόδους σχεδιασμού και στις τεχνικές κατασκευής σε αυτές τις ιδιαίτερα δυσμενείς τεχνικογεωλογικές συνθήκες. Η τεχνικογεωλογική θεώρηση των ασθενών και σύνθετων βραχομαζών δεν εξετάζεται μεμονωμένα αλλά μέσα από ένα σύνολο πληροφοριών. Αυτό περιλαμβάνει τη θεώρηση του γεωλογικού περιβάλλοντος μέσα στο οποίο διαμορφώθηκαν οι βραχόμαζές, την ανάλυση όλων των τεχνικογεωλογικών χαρακτηριστικών που ορίζουν τους καθοριστικούς παράγοντες-“κλειδιά” για την ευστάθειά τους στο υπόγειο έργο, την εκτίμηση της αντοχής και παραμορφωσιμότητας του άρρηκτου βράχου, και την ταξινόμησή τους για την δυνατότητα του γεωτεχνικού χαρακτηρισμού τους που επιτρέπει την εκτίμηση της απομείωσης των ιδιοτήτων αυτών. Εκτιμάται, έτσι, η τεχνικογεωλογική συμπεριφορά της ανυποστήρικτης διατομής του υπόγειου έργου και η ποιοτική εκτίμηση των απαιτούμενων μέτρων υποστήριξης. Με σκοπό την αξιοποίηση των εμπειριών που έχουν αποκτηθεί από την κατασκευή πολλών σηράγγων, την τελευταία κυρίως δεκαετία, στον Ελλαδικό χώρο και την σχετική επεξεργασία του υλικού αυτού δημιουργήθηκε μία κεντρική τράπεζα δεδομένων, η οποία ονομάστηκε «Σύστημα Ανάλυσης Πληροφοριών Σηράγγων» και αναφέρεται ως TIAS (Tunnel Information Analysis System). Από μόνη της η δημιουργία μιας τέτοιας τράπεζας δεδομένων αποτελεί ένα σημαντικό στοιχείο της διατριβής. Στόχος της τράπεζας είναι η σύγκριση των προβλεφθεισών και των πραγματικών γεωλογικών και γεωτεχνικών συνθηκών που συναντήθηκαν, η αξιολόγηση των χρησιμοποιούμενων μεθόδων χαρακτηρισμού και ταξινόμησης της βραχόμαζας καθώς και συσχετίσεις για την απόκριση της βραχόμαζας και τα μέτρα ενίσχυσης και υποστήριξης. Βασική πηγή των δεδομένων αποτέλεσαν 62 σήραγγες της Εγνατίας Οδού για τις οποίες πραγματοποιήθηκε, στο πλαίσιο της διατριβής, έρευνα υπαίθρου και επεξεργασία των στοιχείων μελέτης και κατασκευής τους. Τονίζεται ότι πολλές από τις σήραγγες αυτές έχουν κατασκευαστεί κάτω από ιδιαίτερα δυσμενείς συνθήκες. Η βάση περιλαμβάνει 96 πίνακες εισαγωγής δεδομένων, 66 γεωτεχνικού χαρακτήρα και 30 ειδικά για τις σήραγγες. Έχει τη δυνατότητα παροχής πληροφοριών αρχειακού χαρακτήρα, παροχής στοιχείων για τις ανάγκες ελέγχου των σηράγγων σε σχέση με το γεωπεριβάλλον τους καθώς και στοιχείων για σύγκριση μελέτης και κατασκευής νέων σηράγγων σε ανάλογες συνθήκες. Τα δεδομένα που εισάγονται και επεξεργάζεται το TIAS αφορούν γεωτρήσεις, αποτελέσματα εργαστηριακών ή επιτόπου δοκιμών, ταξινομήσεις, τεχνικογεωλογική συμπεριφορά (καταπτώσεις, συγκλίσεις και υπόγεια νερά), παραμέτρους σχεδιασμού, γεωτεχνικές αναλύσεις, καθώς και πληροφορίες για τα μέτρα άμεσης υποστήριξης και το κόστος. Για την παρουσίαση και ανάλυση των προαναφερθέντων, για κάθε ένα από τα εξεταζόμενα γεωυλικά, δημιουργήθηκε ένα τυπολόγιο ώστε να μπορεί να γίνεται εύκολα η αναζήτηση των στοιχείων αυτών ανά γεωυλικό και τύπο βραχόμαζας. Για κάθε κατηγορία υλικού ερευνάται το γενικό γεωλογικό πρότυπο του περιβάλλοντος των βραχομαζών τους με βάση τη λιθολογία, τη δομή των σχηματισμών, τις κύριες τεκτονικές επιφάνειες, τις υδρογεωλογικές συνθήκες, το βαθμό της αποσάθρωσης και το μορφολογικό ανάγλυφο. Στα πλαίσια αυτά αναλύεται το προσομοίωμα της βραχόμαζας με τα χαρακτηριστικά του κερματισμού, της αποσάθρωσης, και ακόμη της αποδιοργανωμένης, χαοτικής ή διατμημένης δομής. Η γεωτεχνική ταξινόμηση των υπόψη βραχομαζών αποτελεί σημαντικό τμήμα της διδακτορικής διατριβής. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης των χαρακτήρων δομής και ασυνεχειών οδήγησαν στην πρόταση νέων διαγραμμάτων ποσοτικού χαρακτηρισμού μέσω του συστήματος GSI για τις βραχόμαζες του φλύσχη, της μολάσσας, των γνευσίων (στις καταπονημένες κυρίως δομές του) και δίνονται τα εύρη προβολής των διαφόρων παραλλαγών για τους ασβεστολίθους και τους οφιολίθους. Συγχρόνως, δίδονται συστάσεις εφαρμογής του συστήματος GSI, συζητούνται γενικότερα οι περιορισμοί εφαρμογής των ταξινομήσεων στις ασθενείς βραχόμαζες καθώς και οι περιπτώσεις λανθασμένης χρήσης της ταξινόμησης. Διερευνώνται και προτείνονται φάσματα τιμών για τις παραμέτρους του κριτηρίου Hoek and Brown (σci mi,) και της σταθεράς παραμορφωσιμότητας MR, με βάση την επεξεργασία αποτελεσμάτων εργαστηριακών δοκιμών για τα ερευνώμενα γεωυλικά, τιμές οι οποίες χρησιμοποιούνται για την ανάλυση (με τη χρήση αναλυτικών σχέσεων ή αριθμητικών μεθόδων) των υπογείων εκσκαφών. Προτείνονται επίσης τιμές για τις ετερογενείς βραχόμαζες. Επιπλέον της γεωτεχνικής ταξινόμησης της βραχόμαζας και σε συνδυασμό με αυτή, πραγματοποιείται περαιτέρω και μία ταξινόμηση των ασθενών και σύνθετων γεωυλικών που εξετάστηκαν, με βάση τη τεχνικογεωλογική τους συμπεριφορά κατά τη διάνοιξη των σηράγγων, σε σχέση με τον μηχανισμό αστοχίας και το κατά περίπτωση τασικό πεδίο. Αντιστοιχούνται συνεπώς, οι μηχανισμοί πιθανής αστοχίας (παραμορφώσεις λόγω υπερφόρτισης, καταπτώσεις ή ολισθήσεις σφηνών, εκτεταμένες καταπτώσεις τύπου καμινάδας, καταρροή γεωυλικού) καθώς και η κλίμακα της αστοχίας. Γενικώς, η χρήση των γνωστών συστημάτων ταξινόμησης έχει το μειονέκτημα να μην συνοδεύεται υποχρεωτικά από πληροφορίες συμπεριφοράς της βραχόμαζας στις σήραγγες. Έτσι πολλές φορές χάνεται η γεωλογική ταυτότητα του γεωυλικού, αφού αυτή δεν συνοδεύει πλήρως την ανάλυση και είναι δυνατόν να αγνοούνται οι ιδιαιτερότητες που πιθανόν αυτό να παρουσιάζει. Σε κάθε περίπτωση τονίζεται ότι η τεχνικογεωλογική κρίση έχει ιδιαίτερη σημασία όταν επιχειρείται ποσοτικοποίηση των χαρακτηριστικών της βραχόμαζας. Στο πλαίσιο αυτό, δημιουργήθηκε ένα σύστημα εκτίμησης των μηχανισμών - τύπων συμπεριφοράς της βραχόμαζας για ανυποστήρικτη διατομή σήραγγας, με βάση συγκεκριμένες τεχνικογεωλογικές παραμέτρους και το τασικό περιβάλλον. Αυτές είναι η δομή (σύμφωνα με το GSI), οι οριακές συνθήκες της αντοχής σci και η πίεση των υπερκειμένων. Η εκτίμηση αφορά εύρη υπερκειμένων έως 300m. Αφού ορίζονται οι κατά περίπτωση πιθανότεροι μηχανισμοί αστοχίας, για κάθε τύπο αναμενόμενης βραχόμαζας προσδίδονται οι κατάλληλοι παράμετροι σχεδιασμού (είτε της βραχόμαζας π.χ. GSI, σci, mi, αν αυτή συμπεριφέρεται ισότροπα, είτε ασυνεχειών αν αυτή συμπεριφέρεται ανισότροπα). Τα ανωτέρω συνδέονται και αντιστοιχούνται ενδεικτικά με τυπικές διατομές υποστήριξης σηράγγων με συγκεκριμένες προτάσεις για κάθε τύπο τεχνικογεωλογικής συμπεριφοράς. Με αυτόν τον τρόπο, η ορθότητα των ταξινομήσεων και το σύστημα υποστήριξης μπορούν να ελέγχονται άμεσα από τις μετρήσεις των παραμορφώσεων ή των χαρακτηριστικών τυχόν αστοχιών κατά τη διάρκεια της εκσκαφής της σήραγγας. Τα πρωτότυπα σημεία της Διατριβής συνοψίζονται ως εξής: - Διερευνώνται τα τεχνικογεωλογικά χαρακτηριστικά ασθενών και σύνθετων βραχομαζών, σχετικώς με τη συμπεριφορά τους στη διάνοιξη σηράγγων. - Προτείνονται νέα διαγράμματα ταξινόμησης βραχόμαζας σύμφωνα με τη γενικότερη φιλοσοφία του συστήματος GSI, ή πεδία προβολών στο ήδη υφιστάμενο διάγραμμα, για τα ασθενή και σύνθετα γεωυλικά. - Προτείνεται ένα τεχνικογεωλογικό τυπολόγιο για κάθε πιθανό τύπο βραχόμαζας από τα ερευνώ μένα γεωυλικά, που περιλαμβάνει την τυποποίηση των ποιοτικών τεχνικογεωλογικών χαρακτηριστικών τους, τα ποσοτικά χαρακτηριστικά των γεωτεχνικών ταξινομήσεων, τις παραμέτρους αντοχής και παραμορφωσιμότητας, την εκτίμηση της συμπεριφοράς στα υπόγεια έργα, ανάλογα με το τασικό πεδίο, και ποιοτικές οδηγίες για τα μέτρα άμεσης υποστήριξης. - Παρουσιάζεται ένα σύστημα εκτίμησης της τεχνικογεωλογικής συμπεριφοράς, με παραμετροποίηση της βραχόμαζας με βάση το μηχανισμό πιθανής αστοχίας και με ποιοτικές συστάσεις μέτρων άμεσης υποστήριξης με βάση το μηχανισμό αστοχίας. - Δημιουργήθηκε, πρωτογενώς, γεωτεχνική τράπεζα σηράγγων, με δεδομένα από 62 σήραγγες που έχουν ήδη κατασκευαστεί, με δυνατότητες ανάλυσης και συσχετίσεων ενός πολύ μεγάλου πλήθους δεδομένων. Η επεξεργασία και αξιολόγηση των δεδομένων της τράπεζας δίνει τη δυνατότητα εκτίμησης της πραγματικής συμπεριφοράς των γεωυλικών καθώς και της διατύπωσης συσχετίσεων της συμπεριφοράς αυτής με τις απαιτήσεις υποστήριξης και τις τεχνικές και διαδικασίες κατασκευής των σηράγγων.