Μοντέλα όρυξης υπογείων έργων με μηχανήματα ολομετώπου και σημειακής κοπής

Abstract

This thesis aims to the development and verification with real time data of a fast algorithm for estimation of specific energy of cutting (energy consumption for the removal of unit volume of geomaterial). This energy is provided by mining or tunneling machines used for the mechanical excavation of tunnels such as the Roadheader (RH) and the Tunnel Boring Machine (TBM). It is noted that the specific energy is inversely proportional to the penetration rate for a given machine hence such an algorithm may be also employeed to assess the performance of the mechanical excavation. For the creation of the final geotechnical model and for the correlation of machine with rock mass or soil data, a geostatistical algorithm was also employed for the interpolation of the strength parameters of the rock or soil on the grid of the three dimensional geological model inferred from the borehole data and RH (or TBM) data. The theories used for the creation of the analytical models dedicated to the estimation of specific energy for TBM and RH machines are:(i) The Upper Bound theorem and the slip lines (Lower Bound) of the Ideal Plasticity Theory.(ii) The Linear Elastic Fracture Mechanic theory by using an appropriate crack propagation criterion combined with a special Boundary Element Method, and(iii) The Geostatistical theory for interpolation of data in the three dimensional space.The proposed model was verified with real data from four (4) tunnel excavations by using TBM and RH machines, namely:(1) Section of Mas Blau Line-9 of Barcelona Metro constructed with Earth Pressure Balance (EPB),(2) Hong – Kong twin tunnels constructed with a convertible TBM,(3) Montreal tunnel using a RH, and(4) Bilbao tunnel using RH machine.The logged machine data are courtesy of tunnel construction companies like BOUYGUES (ΒYTP), Paris, France and Gestió d´Infraestructures, S. A. ISA (GISA) and machine construction companies for RH (Sandvik Mining and Construction G.m.b.H., Austria) and TBM (Herrenknecht AG, Germany). Three dimensional geological models, discretized with finite elements, were created in the Department of Dynamic, Tectonic and Applied Geology, Faculty of Geology of University of Athens.

To αντικείμενο της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής είναι η δημιουργία και επαλήθευση με πραγματικά δεδομένα ενός γρήγορου αλγόριθμου υπολογισμού στο χώρο και στο χρόνο της ειδικής ενέργειας κοπής (ενέργεια ανά μονάδα όγκου εξορυσσόμενου γεωϋλικού) μηχανημάτων μηχανικής όρυξης υπογείων έργων όπως είναι το ευέλικτο ερπυστριοφόρο μηχάνημα σημειακής κοπής (Roadheader) και το μηχάνημα ολομέτωπης κοπής (TBM). Εφόσον η ταχύτητα διάτρησης των υπογείων μετώπων για δεδομένο μηχάνημα δεδομένης ισχύος, είναι αντιστρόφως ανάλογη της ειδικής ενέργειας κοπής, τότε καθίσταται φανερό ότι ένα τέτοιο μοντέλο θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την πρόβλεψη της απόδοσης του μηχανήματος κατά την λειτουργία του. Αφού επιτευχθεί αυτός ο στόχος, τότε η ειδική ενέργεια που υπολογίζεται από καταγραφές των μηχανημάτων αυτών κατά τη λειτουργία των, μπορεί να μετατραπεί σε παραμέτρους αντοχής της εδαφοβραχόμαζας με βάση κατάλληλη μαθηματική-μηχανική θεωρία που θα αναπτυχθεί για το σκοπό αυτό. Εν συνεχεία αυτές οι ποσοτικές εκτιμήσεις της αντοχής των ανομοιογενών γεωλογικών σχηματισμών μπορούν να παρεμβληθούν σε όλο το τριδιάστατο «γεωλογικό μοντέλο» με κατάλληλο γεωστατιστικό αλγόριθμο και σε συνδυασμό με μετρήσεις αντοχής σε πυρήνες δειγματοληπτικών γεωτρήσεων που έχουν γίνει από πριν, να βελτιωθεί το «γεωτεχνικό μοντέλο» κατά την προχώρηση μιας σήραγγας ή στοάς.Οι θεωρίες που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή του αναλυτικού μοντέλου υπολογισμού της ειδικής ενέργειας στο χώρο και στο χρόνο των ειδικών εκσκαπτικών μηχανημάτων σημειακής και ολομέτωπης κοπής είναι οι εξής:(i) To Άνω Οριακό Θεώρημα και η θεωρία των γραμμών ολίσθησης της Θεωρίας Ιδεατής Πλαστικότητας (για εδαφικά, ημι-βραχώδη ή βραχώδη γεωϋλικά),(ii) η Θραυστομηχανική με κατάλληλο κριτήριο θραύσης μικτού τύπου (προκειμένου για ψαθυρά πετρώματα) σε συνδυασμό με αριθμητική μέθοδο των συνοριακών στοιχείων με ειδικά στοιχεία, και(iii) η Γεωστατιστική θεωρία παρεμβολής χωρικών δεδομένων.Η επαλήθευση του ολοκληρωμένου υπολογιστικού μοντέλου έγινε με επεξεργασία πραγματικών καταγραφών τέτοιων μηχανημάτων κατά την διάνοιξη τεσσάρων σηράγγων:(1) Τμήμα της γραμμής 9 του μετρό της Βαρκελώνης (Ισπανία) πλησίον του σταθμού Mas Blau εντός χαλαρών εδαφών με την χρήση μηχανήματος ολομέτωπου κοπής του τύπου εξισορρόπησης των γεωστατικών πιέσεων.(2) Των διδύμων σηράγγων στο Χονγκ-Κονγκ (Κίνα) με μικτού τύπου μηχάνημα ολομέτωπης κοπής σε πετρώματα και χαλαρά εδάφη.(3) Της οδικής σήραγγας του Μόντρεαλ (Καναδάς) που διανοίχθηκε με μηχάνημα σημειακής κοπής RH σε πετρώματα, και(4) τη σήραγγα του Μπιλμπάο (Ισπανία) επίσης με RH.Τα δεδομένα των ανωτέρω καταγραφών προήλθαν από τις εταιρείες κατασκευής σηράγγων BOUYGUES (ΒYTP), Paris, France και Gestió d´Infraestructures, S. A. ISA (GISA), και κατασκευής μηχανημάτων RH (Sandvik Mining and Construction G.m.b.H., Austria) και μηχανημάτων TBM (Herrenknecht AG, Germany). Για την παρεμβολή των μηχανικών ιδιοτήτων των πετρωμάτων/εδαφών στην περιοχή γύρω και κατά μήκος της σήραγγας κατασκευάστηκαν τριδιάστατα διακριτοποιημένα μεπεπερασμένα στοιχεία, γεωλογικά μοντέλα από το Τμήμα Γεωλογίας – Τομέας Δυναμική Τεκτονικής και Εφαρμοζμένης Γεωλογίας του Πανεπιστημίου Αθηνών.