Διερεύνηση των εδαφικών μετακινήσεων λόγω μηχανοποιημένης εκσκαφής σηράγγων σε αστικό περιβάλλον

Abstract

Nowadays, EPB machines are becoming increasingly popular in tunnelling projects, since they allow to proceed minimizing disturbance to surface structures caused by tunnel excavation, which is usually the main challenge when tunnelling in an urban environment. Although, an EPB operation includes numerous complex procedures and components, tunnel design industry usually analyzes bored-tunnels using simplified approaches including semi-empirical methods or 2D finite element analyses neglecting critical parameters of the problem.Hence, the present dissertation investigates ground movements induced due to EPB tunnelling in urban environment utilizing FE code Simulia Abaqus. To do so, an advanced 3D numerical model is developed in the framework of this dissertation for the realistic simulation of an EPB process focusing on the detailed modelling of the key-features of EPB tunnelling.Particularly, the developed model allows to realistically simulate:-total and fluid muck pressure in the excavation chamber;-cutterhead overcut;-conical or telescopic-shaped shield;-potential inow of process liquids in the steering gap cavity;-void of the annular gap;-grout injection pressure at the tail void and its gradual consolidation;-the structural system of the segmental lining (radial and longitudinal joints).Such an advanced numerical method enables the accurate simulation of an EPB/TBM excavation and thus facilitates the assessment of potential risks, mainly due to ground movements in surface (i.e., buildings) and subsurface (i.e., utility networks).Utilizing the developed model, this dissertation investigates the effect of the individual components on tunnelling-induced ground movements and proposes design nomograms. The aforementioned design tools allow for the realistic prediction of ground movements with high accuracy, by correlating and analyzing the most important information of a tunnel project such as tunnel's geometry, ground conditions and machine's specifications.The main points of the aforementioned parametric investigation are:oGeometrical (H, D) and geotechnical (E, cu or σcs etc.) tunnel features strongly affect tunnelling-induced ground movements, since more favorable ground conditions and deeper tunnels reduce surface settlement (Sv,max) and volume loss (VL) results. Similarly, the coefficient of lateral earth pressure (Ko) also influences the ground displacement field around tunnel, since higher Ko regimes induce lower settlement peak values (Sv,max) but wider trough profiles due to the higher mean effective stresses around tunnel and the pronounced arching effect above tunnel crest. Trough width (i) response though is strongly related with the geometrical tunnel features, while there is no significant difference at i parameter between tunnels below or above the watertable.oSupport pressure applied by the machine has a dominant role on tunnel face stability/ deformation conditions. When tunnelling above groundwater table ("dry" conditions) even a low face pressure may be sufficiently enough to reduce and/or stabilize tunnel face extrusion and surface settlements, while face stability conditions and ground movements significantly deteriorate when tunnelling below groundwater table where hydromechanical phenomena occur at the tunnel face and ahead of it. Higher permeability values in such cases result in more drained excavation conditions enhancing face instability, leading to increased ground deformation.oEPB machine's specifications also affect ground movement response, since results show that steering gap magnitude and grout pressure variations may alter ground displacement field around tunnel. The first significantly controls the tunnel boundary deconfinement showing that the larger the steering gap magnitude the more pronounced the surface settlements result, while grout pressure appears to have a more limited impact on ground displacement field due to the rapid grout setting. On the other hand, a potential inow of process liquids (muck, bentonite and grout) in the steering gap cavity acts beneficiary against surface settlements, however to have a significant settlement reduction the full length of the steering gap must be filled otherwise the beneficial effect of the presence of process liquids almost disappears.oIn an attempt to simulate drained and undrained excavation conditions carrying out "equivalent dry analyses" results show that a total stress mechanical analysis (neglecting groundwater) can provide a fair estimation of the anticipated surface settlements of an undrained excavation provided that the material is enforced to deform under constant volume by suitably selecting its elastic parameters. On the other hand, a "dry" analysis (neglecting groundwater) using a buoyant unit weight (b) fails to predict similar ground movement response with a drained analysis, since neglecting the deleterious effect of the seepage forces leads to a profound underestimation of ground displacements. oCarrying out analyses adopting two different ground constitutive models (M-C vs MCC), analyses show that ground movements (surface settlements and volume loss results) are strongly related with the adopted constitutive model. The results indicate that the MCC model leads to significantly higher crown displacements compared to the Mohr-Coulomb analyses, while ground surface settlement predictions are comparable. The observed behavior is explained by the stress-dependent compressibility and more realistic non-linear stress-strain response of the MCC model.The suggested methods for face stability assessment and ground movement prediction may be proved very useful in shield tunnelling operations, since they allow with simple calculations to estimate the tunnelling-induced ground displacements in various ground/permeability conditions. Thus, they enable a reliable assessment of the tunneling influence on urban infrastructures and also provide guidance towards the selection of realistic contingency threshold values and corresponding mitigation measures. The proposed design tools/methods assist in the determination of the optimal machine specifications and operation parameters which will enable both minimization of disturbance (i.e., surface settlements) and cost savings.

Η διάνοιξη σηράγγων εντός των αστικών περιοχών έχει αυξημένες απαιτήσεις και σημαντικούς περιορισμούς που αποδίδονται κυρίως στις πολύ μικρές επιτρεπτές μετακινήσεις/παραμορφώσεις που επιβάλλουν συνήθως οι προδιαγραφές τέτοιων έργων (π.χ. έργα μετρό, υδραυλικές σήραγγες κ.α.). Για το λόγο αυτό, τα μηχανήματα εξισορρόπησης της εδαφικής πίεσης (EPBs ή μηχανήματα πολφού) χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε τέτοιες περιπτώσεις, αφού επιτρέπουν την εκσκαφή σηράγγων σε δύσκολες συνθήκες επιφέροντας τη μικρότερη δυνατή όχληση στις γειτνιάζουσες υπόγειες και υπέργειες κατασκευές. Η διάνοιξη με ένα EPB μηχάνημα περιλαμβάνει πολλές και πολύπλοκες διαδικασίες, ωστόσο η ανάλυση και ο σχεδιασμός τους γίνεται συνήθως με απλουστευμένες μεθόδους και εργαλεία (π.χ. ημί-εμπειρικές σχέσεις, 2-διάστατες αναλύσεις κ.α.), αμελώντας συχνά σημαντικούς παράγοντες , οδηγώντας πολλές φορές σε μη ρεαλιστικά αποτελέσματα.Έτσι, στη παρούσα διατριβή διερευνώνται οι εδαφικές μετακινήσεις λόγω μηχανοποιημένης εκσκαφής σηράγγων σε αστικό περιβάλλον με τη χρήση του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Simulia Abaqus. Για την επίτευξη αυτού, αναπτύχθηκε ένα 3-διάστατο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων προσομοιώνοντας ορθολογικά τις πιο σημαντικές λειτουργίες που λαμβάνουν χώρα κατά την μηχανοποιημένη εκσκαφή σηράγγων με EPB μηχάνημα. Συγκεκριμένα, το 3-διάστατο μοντέλο προσομοιώνει ρεαλιστικά:-την ασκούμενη πίεση του μετώπου από το EPB, λαμβάνοντας ωστόσο υπόψιν και τις κατάλληλες μηχανικές και υδραυλικές συνοριακές συνθήκες στη διεπιφάνεια του μετώπου εκσκαφής,-την υπερεκσκαφή της κοπτικής κεφαλής,-την κωνικότητα ή το τηλεσκοπικό σχήμα της ασπίδας,-την πιθανή εισροή πολφού και ενέματος από το εμπρός και πίσω μέρος του μηχανήματος στο διάκενο μεταξύ ασπίδας-περιβάλλοντος γεωυλικού (κενό που δημιουργείται λόγω της υπερεσκαφής της κοπτικής κεφαλής και την κωνικότητα της ασπίδας),-το ουραίο διάκενο μεταξύ τελικής επένδυσης-περιβάλλοντος γεωυλικού,-την ενεμάτωση του ουραίο διάκενου λαμβάνοντας υπόψιν την πίεση ενεμάτωσης αλλά και τη σταδιακή σκλήρυνση του ενέματος,-το στατικό σύστημα της τελικής επένδυσης των προκατασκευασμένων στοιχείων οπλισμένου σκυροδέματος (προσομοιώνοντας τη σύνδεση των προκατασκευασμένων στοιχείων στην εγκάρσια και στην διαμήκη έννοια).Η δυνατότητα του προτεινόμενου μοντέλου να προσομοιώνει ρεαλιστικά την μηχανοποιημένη εκσκαφή σηράγγων και των λειτουργιών της, καθιστά εφικτή την αξιολόγηση αλλά και πρόβλεψη των ενδεχόμενων κινδύνων που μπορούν να προκύψουν κατά τη διάρκεια του έργου.Επιπλέον, στη παρούσα διδακτορική διατριβή, χρησιμοποιώντας την παραπάνω μέθοδο, διερευνάται η επιρροή των επιμέρους παραμέτρων (π.χ. ουραίο κενό, πίεση ενεμάτωσης κ.α.) στις προκληθείσες μετακινήσεις και προτείνονται νομογραφήματα σχεδιασμού για την πρόβλεψη τους, συσχετίζοντας βασικά στοιχεία του έργου όπως γεωμετρία σήραγγας, επικρατούσες γεωτεχνικές συνθήκες, προδιαγραφές μηχανήματος κ.α. Τα βασικά συμπεράσματα από την παραμετρική διερεύνηση είναι:oΤα γεωμετρικά (βάθος και διάμετρος) και γεωτεχνικά στοιχεία (αντοχή και παραμορφωσιμότητα του εδάφους) της σήραγγας επηρεάζουν σημαντικά την μετακινησιακή απόκρισή της, αφού η βελτίωση των γεωτεχνικών συνθηκών αλλά και η αύξηση του βάθους της σήραγγας μειώνουν σημαντικά τις επιφανειακές καθιζήσεις (Sv,max) αλλά και την απώλεια όγκου (volume loss, VL). Παρόμοια συμπεριφορά παρατηρείται και στο συντελεστή οριζόντιων γεωστατικών ωθήσεων (K0), όπου η αύξηση του επιφέρει σημαντική μείωση των μετακινήσεων κυρίως λόγω των υψηλότερων μέσων τάσεων γύρω από τη περιφέρεια της σήραγγας αλλά και της ενίσχυσης του φαινόμενο του θόλου (arching effect) πάνω από τη στέψη της. Τέλος, τα αποτελέσματα των αναλύσεων καταδεικνύουν ότι το σημείο καμπής (trough width, i) της καμπύλης των επιφανειακών καθιζήσεων εξαρτάται σημαντικά από τα γεωμετρικά στοιχεία της σήραγγας, ενώ δεν παρατηρήθηκαν διαφορές στην απόκριση του για σήραγγες πάνω και κάτω από τον υδροφόρο ορίζοντα.oΗ ευστάθεια του μετώπου εξαρτάται εξ ολοκλήρου από την ασκούμενη πίεση του μηχανήματος εκσκαφής, ενώ παρατηρήθηκε σημαντική διαφοροποίηση των συνθηκών ευστάθειας για σήραγγες που διανοίγονται πάνω και κάτω από τον υδροφόρο ορίζοντα. Πιο συγκεκριμένα, στην πρώτη περίπτωση («ξηρές» συνθήκες) προέκυψε ότι ακόμα και μία περιορισμένη πίεση είναι ικανή να σταθεροποιήσει ένα ασταθές μέτωπο μειώνοντας αισθητά τις πρόδρομες καθιζήσεις (καθιζήσεις μπροστά από το μέτωπο εκσκαφής), ενώ οι συνθήκες ευστάθειας δυσχεραίνουν αισθητά σε σήραγγες κάτω από τον υδροφόρο ορίζοντα (πλήρως κορεσμένες εδαφικές συνθήκες) λόγω των υδροδυναμικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στο μέτωπο εκσκαφής (π.χ. δίκτυα υδατικής ροής προς το θάλαμο εκσκαφής, φαινόμενα στερεοποίησης κ.α.). Τα φαινόμενα αυτά ενισχύονται σημαντικά με την αύξηση της διαπερατότητας του εδάφους (ks), η οποία προσεγγίζει περισσότερο τις στραγγιζόμενες συνθήκες εκσκαφής, αυξάνοντας την αποτόνωση του πυρήνα προώθησης και τις επιφανειακές καθιζήσεις επίσης. oΤα γεωμετρικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά του μηχανήματος επηρεάζουν επίσης τις εδαφικές μετακινήσεις στην επιφάνεια. Συγκεκριμένα, το κενό που δημιουργείται από την ασπίδα και το περιβάλλον γεωυλικό συμβάλει σημαντικά στην αποτόνωση της περιφέρειας της σήραγγας προκαλώντας έντονη διαταραχή στο μετακινησιακό και τασικό πεδίο γύρω από αυτήν. Ωστόσο, οι αναλύσεις έδειξαν ότι η πίεση ενεμάτωσης του ουραίου κενού δεν έχει εξίσου σημαντική επίδραση, αφού η ταχεία σκλήρυνσή του, δημιουργεί μια δύσκαμπτη στρώση ενέματος γύρω από τη σήραγγα από τις πρώτες ώρες της εισπίεσης. Επίσης, μία ενδεχόμενη εισροή πολφού και ενέματος από το μπροστινό και πίσω μέρος του μηχανήματος στο διάκενο μεταξύ ασπίδας-περιβάλλοντος γεωυλικού δρα ευεργετικά στην μείωση των συγκλίσεων και καθιζήσεων γύρω από τη σήραγγα, ωστόσο για να υπάρχει σημαντική μείωση των παραμορφώσεων θα πρέπει να πληρωθεί όλη η κοιλότητα (steering gap cavity) και όχι μέρος αυτής.oΣε αστράγγιστες και στραγγισμένες συνθήκες εκσκαφής (συζευγμένων αναλύσεων) μέσω «ισοδύναμων αναλύσεων υπό ξηρές συνθήκες», προέκυψε ότι μία ανάλυση ολικών τάσεων (total stress analysis) δίνει καλή εκτίμηση των αναμενόμενων εδαφικών μετακινήσεων, υπό την προϋπόθεση ότι έχουν επιλεχθεί κατάλληλες ελαστικές παραμέτρους (Eu, νu) του εδάφους έτσι ώστε να παραμορφώνεται υπό σταθερό όγκο. Από την άλλη μεριά, η ανάλυση των στραγγιζόμενων συνθηκών (θεωρώντας το φαινόμενο ειδικό βάρος του εδάφους γb) αποτυγχάνει πλήρως να προβλέψει τη ρεαλιστική εδαφική απόκριση της συζευγμένης ανάλυσης, αφού αγνοώντας τη σημαντική επίδραση των υδατικών ροών και των δυνάμεων διηθήσεως που συμβαίνουν κυρίως στο μέτωπο της εκσκαφής οδηγεί σε σημαντική υποεκτίμηση των παραμορφώσεων γύρων από τη σήραγγα. oΣυγκρίνοντας δύο διαφορετικά καταστατικά μοντέλα για τη προσομοίωση του εδάφους (Modified Cam Clay & Mohr-Coulomb), οι αναλύσεις έδειξαν ότι η σωστή επιλογή του κατάλληλου καταστατικού μοντέλου παίζει ρόλο στη ρεαλιστική πρόβλεψη των εδαφικών μετακινήσεων. Συγκεκριμένα, το MCC μοντέλο προβλέπει μεγαλύτερες συγκλίσεις στη στέψη της σήραγγας σε σχέση με το Mohr-Coulomb μοντέλο, ωστόσο η τελική επιφανειακή καθίζηση και των δυο καταλήγει να είναι η ίδια, αφού η αύξηση της συμπιεστότητας του εδάφους προς την επιφάνεια για το MCC μοντέλο αποσβένει σημαντικό ποσοστό της απώλειας τους εδάφους που συμβαίνει κοντά στη σήραγγα.Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες που παρουσιάζονται στη διατριβή για την πρόβλεψη και αξιολόγηση των εδαφικών μετακινήσεων μπορούν να αποδειχτούν ιδιαιτέρως χρήσιμες στο σχεδιασμό των σηράγγων, αφού καθιστούν εφικτή με απλούς υπολογισμούς την εκτίμηση της απόκρισης της σήραγγας και του περιβάλλοντος γεωυλικού σε ποικίλες γεωτεχνικές συνθήκες. Έτσι, επιτρέπουν μια αξιόπιστη αξιολόγηση της επιρροής των σηράγγων στις αστικές υποδομές αλλά συμβάλλουν επίσης στον προσδιορισμό των βέλτιστων προδιαγραφών του μηχανήματος και των παραμέτρων λειτουργίας, οι οποίες θα επιτρέπουν τόσο την ελαχιστοποίηση των εδαφικής διαταραχής όσο και την εξοικονόμηση κόστους.