Μελέτη των συνθηκών ευστάθειας & καθιζήσεων συστημάτων υπογείων έργων κάτω από κατοικημένες περιοχές που κατασκευάζονται με τη μέθοδο ΝΑΤΜ

Abstract

Έως το έτος 2050, το 84% του παγκόσμιου πληθυσμού θα κατοικεί σε πόλεις και προάστια (αστικοποίηση) ως συνέπεια δημογραφικών αλλαγών, όπως λ.χ.: η μεταβολή του μέσου όρου ηλικίας διαβίωσης, η μετανάστευση, καθώς και οι εσωτερικές μετακινήσεις του πληθυσμού προς τα αστικά κέντρα. Αυτή η συνεχής αύξηση του πληθυσμού στις πόλεις πρέπει να είναι προβλέψιμη, ώστε να αυξάνονται εν παραλλήλω οι οικονομικές, περιβαλλοντικές, ενεργειακές, συγκοινωνιακές κ.ά. υποδομές αυτών. Ταυτόχρονα, η διαρκώς μεγαλύτερη ολοκλήρωση των χωρών-κρατών σε ένα ενιαίο σύστημα παραγωγής και εμπορίου (παγκοσμιοποίηση) αναμένεται να αυξήσει τις ανάγκες για μεταφορές ανθρώπων και αγαθών. Ένα μεγάλο μέρος αυτών θα γίνεται μέσω σηράγγων, γιατί ο διαθέσιμος χώρος στην επιφάνεια ολοένα και μικραίνει.Σε κατοικημένες περιοχές με ήπιο τοπογραφικό ανάγλυφο ο πιο συνηθισμένος τρόπος κατασκευής συστήματος υπόγειου σταθμού και σήραγγας σε μετρό, είναι η όρυξη φρέατος, εν συνεχεία η διάνοιξη σήραγγας από τον πυθμένα του φρέατος και στο τέλος η διεύρυνση της τελευταίας έτσι ώστε κοντά στο φρέαρ να λάβει τη μορφή θαλάμου που θα χρησιμεύσει ως σταθμός (πλατφόρμα) του μετρό. Η τεχνική αυτή προσαρμόζεται καλύτερα στην Νέα Αυστριακή Μέθοδο Κατασκευής Σηράγγων NATM. Για την πιο αξιόπιστη και ασφαλή εφαρμογή της μεθόδου, η έρευνα σήμερα επικεντρώνεται στους ακόλουθους δύο στόχους:1. Τη μείωση του «Παράγοντα Απώλειας Όγκου» από το επίπεδο του 4%, στο επίπεδο του 0,5% έως 1%.2. Την εξάλειψη του κινδύνου εκδήλωσης απρόσμενων εκτεταμένων αστοχιών από τα υπόγεια μέχρι την επιφάνεια.Για τον πρώτο στόχο απαιτείται τριδιάστατος αριθμητικός κώδικας και κατάλληλο καταστατικό μοντέλο των γεωλογικών υλικών, για δε το δεύτερο στόχο είναι απαραίτητο ο αριθμητικός κώδικας να μπορεί να προσομοιώσει μηχανισμούς αστοχίας που ενδεχομένως θα συναντηθούν στην πράξη. To έναυσμα για την προτεινόμενη ερευνητική εργασία έδωσε η κατάρρευση υπόγειου συστήματος φρέατος – θαλάμου κατά την φάση της κατασκευής του με τη μέθοδο NATM στο Sao Paulo, της Βραζιλίας το 2007.Η μη πρόβλεψη της κατάρρευσης αυτής οφείλεται κυρίως στους ακόλουθους παράγοντες:• Στην φάση του σχεδιασμού έγινε διδιάστατη αριθμητική ανάλυση χωρίς να θεωρηθεί η επίδραση του (Oliveira, 2008).• Στη φάση της γεωτεχνικής έρευνας έγινε περιορισμένος αριθμός γεωτρήσεων και αγνοήθηκε η ασυνεχής και ετερογενής (Barton, 2009).• Στη φάση της σταδιακής κατασκευής η υποστήριξη του θαλάμου και του φρέατος δεν έκλεισε γρήγορα αλλά παρέμεινε ανοικτή μέχρι την κατάρρευση με συνέπεια την συνεχή αύξηση των καθιζήσεων.Στόχος της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής είναι η διερεύνηση των συνθηκών αστάθειας και καθιζήσεων κατά την όρυξη ή διάνοιξη αβαθούς συστήματος φρέατος – θαλάμου – σήραγγας με τη μέθοδο NATM, κάτω από κατοικημένες περιοχές όπως έγινε στο σταθμό Pinheiros. Το πρόβλημα αυτό της κατάρρευσης ή κατακρήμνισης της οροφής υπογείων έργων αντιμετωπίζεται ως πρόβλημα του «Υποχωρούντος Θυροπετάσματος» με υπερκείμενο συνεχές υλικό σύμφωνα με τους Fayol-Terzaghi. Χρησιμοποιείται τριδιάστατος αριθμητικός κώδικας πεπερασμένων διαφορών με δυνατότητα προσομοίωσης του σχηματισμού διατμητικών ζωνών και κατάλληλο ελαστοπλαστικό καταστατικό μοντέλο γεωλογικών υλικών που επιδεικνύουν χαλάρωση των τάσεων λόγω αύξησης της διατμητικής παραμόρφωσης.Η αστοχία με τη μορφή κατάρρευσης της οροφής θεωρείται ότι εκδηλώνεται λόγω τομής νέων επιφανειών διατμητικών ζωνών (shear bands) με σύνορα των υπόγειων έργων. Πριν την εκδήλωση της αστοχίας σχηματίζονται όγκοι πετρώματος διαφόρων γεωμετριών που δυνητικά μπορούν να μετακινηθούν λόγω της βαρύτητας και της μικρής πλευρικής υποστήριξης από τα παρακείμενα εδάφη, και εν τέλει να καταρρεύσουν. Οι επιφάνειες των διατμητικών ζωνών εκκινούν από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης των τάσεων. Σύμφωνα με την θεωρία σχηματισμού διατμητικών ζωνών το υλικό, χάνει την συνέχεια του κατά την αποφόρτιση του σε περιοχές του συνόρου της σήραγγας που χαρακτηρίζονται από υψηλή συγκέντρωση των τάσεων, σύμφωνα με κάποιο μηχανισμό εντοπισμού της διατμητικής παραμόρφωσης σε ζώνες μικρού πάχους (Mühlhaus & Vardoulakis, 1987). Το έδαφος ή το πέτρωμα θεωρείται ότι υπακούει το κριτήριο αντοχής των Mohr-Coulomb και σε καταστατικό νόμο χαλάρωσης μιας ή περισσοτέρων παραμέτρων ελαστικότητας του ή της αντοχής του με την αύξηση της διατμητικής παραμόρφωσης πάνω από μια κρίσιμη τιμή.