Analiza utjecaja iskopa cestovnih tunela na stabilnost pokosa predusjeka

Analysis of the influence of road tunnel excavations on the stabil-ity of the portal slope

D. Milaković Institut građevinarstva Hrvatske, Zagreb

M.S. Kovačević Građvinski fakultet Zagreb

SAŽETAK: U zoni predusjeka tunela nalaze se dvije geotehničke konstrukcije, predusjek i tunel, u istom području djelovanja. Postavlja se pitanje utjecaja iskopa tunela na stabilnost pokosa predusjeka. Ovaj rad prikazuje analizu utjecaja upotrebom numeričkog 3D modela koji simulira stvarni proces iskopa u zoni predusjeka tunela te predlaže tehnološka rješenja za smanjenje utjecaja iskopa tunela na stabilnost pokosa predusjeka.

Ključne riječi: analiza, tunel, predusjek

ABSTRACT: The zone of the tunnel approach cutting consists of two geotechnical structures, the cutting slope and the tunnel itself, both of them situated in the same zone of action. The question arises whether the cutting slope will be affected by the tunnelling work. The author presents the three-dimensional numerical model analysis, with the tunnel and slope excavation process simulation, and suggests technical solutions aimed at reducing the influence of tunnel-ling work on slope stability.

Key words: analysis, tunnel, approach cutting

1 UVOD

S obzirom na određenu razliku u metodologiji geotehničkog projektiranja stabilnosti pokosa i stabilizaciji podzemnih iskopa (Hoek & Brown 1980, Bieniawski, 1984; ITA, 1988; Barton, 1991; Stojković 2005), najčešće se pri procesu geotehničkog projektiranja cestovnih prometnica primjenjuje izrada zasebnih projekata stabilnosti pokosa i tunela pretpostavljajući minimalni utjecaj iskopa tunela na stabilnost pokosa u zoni predusjeka.

Kako se u zoni predusjeka tunela dvije geotehničke konstrukcije nalaze u istom području djelovanja postavlja se pitanje utjecaja iskopa tunela na stabilnost pokosa (Stojković, Stanić & Kovačević, 2001).

Dosadašnja praksa pri izvođenju velikih infrastrukturnih objekata u nas, ukazuje na primjenu odvojenih analiza stabilnosti podzemnog iskopa tunela i stabilnosti pokosa u zoni predusjeka tunela (IGH, 2001). Međutim, inženjerska praksa pri projektiranju i izvedbi geotehničkih konstrukcija, u određenim projektnim situacijama, ukazuje na potrebu analize intereakcije stanja naprezanja nastalih iskopom tunela i stanja naprezanja nastalih prethodnim iskopom pokosa predusjeka tunela.

173Priopćenja 4. Savjetovanja HGD-a, Ojačanje tla i stijena, Opatija, 5.-7. listopada 2006.

2 TUNEL JAVOROVA KOSA

Tunel Javorova Kosa koji se izvodi u dvije etape na autocesti Rijeka – Zagreb nalazi se prib-ližno 20-tak kilometara istočno od Delnica. Tijekom prve etape izvedena je lijeva tunelska cijev duljine 1460 m, dok je izvedba desne tunelske cijevi upravo u tijeku (slika 1.).

Iskop lijeve tunelske cijevi izveden je iz smjera zapadnog i istočnog predusjeka. Nakon iskopa i ugradnje zaštite pokosa zapadnog predusjeka izvršena su kontrolna mjerenja pomaka i deformacija s površine terena. Rezultati mjerenja pokazali su smirivanje pomaka i deformacija te su dozvoljene aktivnosti na iskopu tunela.

Nakon iskopa i ugradnje podgradnog sklopa na 30-tak metara tunela pojavile su se prve pu-kotine na pokosima predusjeka, a s obzirom na njihovu progresiju radovi na iskopu tunela su zaustavljeni. Sanacija je izvršena izvedbom dodatnih mjera na zaštiti pokosa predusjeka i na ojačanju podgradnog sklopa u tunelu tako da su radovi na iskopu tunela nastavljeni nakon pre-kida od 1 mjeseca.

Međutim, iako su dodatne mjere dale zadovoljavajuće rezultate, projekt sanacije nije utvrdio da li je do pojave nestabilnosti na predusjeku došlo uslijed nedostatno dimenzionirane geo-tehničke konstrukcije pokosa predusjeka, nedostatno dimenzioniranog podgradnog sklopa u tunelu ili eventualno neadekvatne tehnologije izvedbe tunela.

Slika 1. Pogled na zapadni predusjek tunela Javorova Kosa 3 METODOLOGIJA GEOTEHNIČKOG PROJEKTIRANJA

S obzirom na različite metodologije geotehničkog projektiranja tunela i pokosa usjeka isti se na-jčešće promatraju i analiziraju u zasebnim projektnim cjelinama. Tako se tijekom izrade projek-tne dokumentacije formiraju dva projekta koji s jedne strane definira podgradni sklop za stabili-zaciju tunelskog otvora i s druge strane zaštitne mjere za osiguranje stabilnosti pokosa. Kako se u zoni predusjeka tunela nalaze dvije geotehničke konstrukcije u istom području djelovanja postavlja se pitanje utjecaja iskopa tunela na stabilnost pokosa. Gore navedeni proces izrade projektne dokumentacije nije upitan ukoliko u fazi izvedbe postoji koordinacija geotehničkog nadzora nad izvedbom i praćenjem ponašanja tunelskog otvora i pokosa u zoni predusjeka tun-ela. Međutim, ponekad inženjerska praksa ukazuje na postupak ugovaranja izvedbe navedenih

174

geotehničkih konstrukcija od strane različitih subjekata što dodatno otežava provedbu koor-diniranog rada geotehničkog nadzora.

Prema Eurocodu 7 (CEN ENV, 1997) tuneli i pokosi usjeka općenito pripadaju u 2. i 3. geotehnički razred što podrazumijeva složene i vrlo složene geotehničke konstrukcije (Orr & Farrell, 1999). Za projektiranje predusjeka tunela gdje se analizira i utjecaj iskopa tunela na stabilnost pokosa u zoni predusjeka moguće je primjeniti integralnu metodu projektiranja (Stojković, 2005). Ova metoda koristi empirijski i racionalni pristup projektiranju. Osim navedenih pristupa tijekom i nakon procesa izvedbe predusjeka predlaže se i korištenje pristupa mjerenja i opažanja.

Empirijski pristup geotehničkog projektiranja temelji se na prethodnom iskustvu s već izvedenih projekata. Racionalni pristup odnosi se na analize naprezanja i deformacija medija u kojem se vrši iskop odnosno na analize naprezanja i deformacija zajedničkog sustava medija i podgradnog sklopa. Pristup mjerenja i opažanja u geotehničkom projektiranju zasniva se na opažanju i mjerenju pomaka te mjerenju naprezanja i deformacija u elementima podgradnog sklopa geotehničke konstrukcije.

4 RACIONALNI PRISTUP UPOTREBOM NUMERIČKOG MODELA

Racionalni se pristup projektiranja geotehničkih konstrukcija tunela i pokosa usjeka temelji na analitičkim procedurama ili numeričkim analizama naprezanja i deformacija medija odnosno analizama naprezanja i deformacija kojima se omogućuje dimenzioniranje podgradnih sklopova i zaštita iskopa.

U okviru racionalnog pristupa za predmetne analize moguće je koristiti program konačnih elemenata Plaxis (Brinkgreve & Vermeer, 2001) koji simulira ponašanje tla i stijenske mase koristeći različite modele tla i stijene. Plaxis je dvodimenzionalni ili trodimenzionalni program za analizu stabilnosti i deformacija geotehničkih konstrukcija. Primjena ovog programa daje napredne konstitutivne modele za simulaciju nelinearnog, vremenski ovisnog i anizotropnog ponašanja tla i stijenske mase. Osim toga, ovaj program omogućava analizu hidrostatskih i nehidrostatskih pornih tlakova te modeliranje podgrada tunela i zaštita pokosa.

Za preeliminarnu analizu, koja ovdje nije prikazana, korišten je Mohr-Coulombov elastični idealno-plastični model. Međutim, ovaj model ne prepoznaje razliku između primarnog opterećenja i rasterećenja te daje nerealno velike deformacije tijekom rasterećenja tla. Stoga je za predmetne analize korišten hardening soil model (model ojačanja tla) koji pretpostavlja granicu popuštanja koja nije konstanta u prostoru glavnih naprezanja, već ima tendenciju povećanja elastične zone uzrokovane plastičnim deformacijama.

U odnosu na elastične idealno-plastične konstitutivne modele ovaj model tla primjenjuje module deformabilnosti u ovisnosti o stanju naprezanja, različito ponašanje u uvjetima primarnog opterećenja i rasterećenja/ponovnog opterećenja, nelinearno ponašanje znatno prije sloma i teoriju dilatacije tla (slika 2.).

kčlklčuzdužna deformacija - ε1

linija sloma

asimptota

devijatorsko naprezanje

Slika 2. Hiperbolički odnos naprezanja i deformacija tijekom primarnog opterećenja za standardni drenirani triaksijalni test

175

Model za analizu utjecaja iskopa cestovnih tunela na stabilnost pokosa prikazan je u zoni predusjeka tunela, dakle u prostoru gdje dolazi do intereakcije stanja naprezanja i deformacija uzrokovanih iskopom tunela i pokosa. Teorijske postavke pri analizama stabilnosti tunelskih otvora naročito ovise o metodama izvođenja tunela. Metoda izvođenja tunela koja je ovdje analizirana prepoznaje se u konceptu NATM-a (Sauer, 1990; Poisel, 1995) a zahtjeva medij dovoljne čvrstoće za aktivno sudjelovanje u stabilizaciji podzemnog iskopa.

Model u geometrijskom smislu prikazuje prostor predusjeka 50-70 m u smjeru iskopa tunela, 80-120 m okomito na bočne pokose predusjeka s profilom tunela u sredini. Visina modela je 33 m što omogućava minimalni utjecaj rubnih uvjeta na stanje naprezanja i deformacija u modelu (slika 3.).

Pokosi predusjeka ukupne su visine 20 m s jednom bermom širine 4 m koja dijeli pokos na dva jednaka dijela. Analiza je provedena, u geometrijskom smislu, za dva (2) različita modela: Model 1 za nagib pokosa 1:1 i Model 2 za nagib pokosa 1:2.

Slika 3. Geometrija numeričkog modela

Profil tunela ukupne je visine 10,5 m i širine 10,0 m. Tunel je postavljen simetrično u odnosu na bočne pokose predusjeka. Analizira se razrada profila uglavnom u tri faze iskopa i ugradnje podgradnog sklopa tunela. Odabir geotehničkih parametara prilagođen je modelima tla. Većina geotehničkih parametara određena je arbitrarno (Brinkgreve & Vermeer, 2001), dok su ostali odabrani s prethodno izvedenih projekata (ISSMGE 16 ICSMGE, 2005).

Fazna izvedba 3D numeričkog modela je kontinuirani proces koji simulira stvarnu izgradnju objekta. Proračun na odabranom modelu utjecaja iskopa cestovnih tunela na stabilnost pokosa predusjeka razmatra 10 faza izvedbe:

• Faza 0 definira primarno stanje naprezanja i uvjete tečenja vode prije bilo kakve inter-vencije na iskopu predusjeka tunela

• Faza 1-3 definira iskop svih pokosa predusjeka do nivoa nožice portala tunela • Faza 4 definira istovremeni iskop i zaštitu iskopa kalote, benča i podnožnog svoda

sekcije tunela sve do stanja od kojeg započinje analiza pojedine faze iskopa tunela. Kada se u poprečnom profilu numeričkog modela ucrta geometrija konstruktivnih ele-menata odmah su aktivirane njihove krutosti i čvrstoće, dok se njihova težina povećava postepeno. Zbog toga je moguće prvi iskop aktivirati zajedno sa zaštitom iskopa mlaznim betonom

• Faza 5,7,9 definira napredak iskopa kalote, benča i podnožnog svoda • Faza 6,8,10 definira zaštitu iskopa i čela iskopa kalote, benča i podnožnog svod.

176

5 ANALIZE REZULTATA NUMERIČKOG MODELA

Rezultati pomaka i prirasta pomaka te odnosa stanja naprezanja i deformacija, za drenirane i nedrenirane uvjete, osnova su za provedbu analize numeričkog modela. Drenirani uvjeti pretpostavljaju promjene opterećenja koje se odvijaju dovoljno sporo tako da ne dolazi do razvoja dodatnih pornih tlakova u modelu, stoga ovi dijagrami simuliraju položaj formiranja klizne plohe na pokosima i u tunelu na kraju ukupnog procesa izvedbe pojedinog dijela geotehničke konstrukcije odnosno na kraju procesa konsolidacije i bujanja. Nedrenirani uvjeti pretostavljaju da se promjene opterećenja odvijaju mnogo brže nego što voda može ući ili izaći iz tla tako da dijagrami simuliraju položaj formiranja klizne plohe tijekom odnosno odmah nakon izvedbe promatrane faze u tunelu (Duncan & Wright, 2005).

Model 1C / ukupni pomak / faza 3

Na slici 4 prikazani su ukupni pomaci od iskopa predusjeka u dreniranim uvjetima. Klizne plohe su lokalnog i globalnog karaktera te ovise naročito o parametrima deformabilnosti i čvrstoće tla kao i o rasporedu pojedinih slojeva složenih modela. Slika 4. Faza 3 Iskop predusjeka - drenirani uvjeti

Model 1Cu / ukupni pomak / faza 3

Na slici 5 prikazani su ukupni pomaci od iskopa predusjeka u nedreniranim uvjetima. U odnosu na drenirane uvjete ukupni pomaci su manji ali su površine potencijalnih kliznih ploha veće. Slika 5. Faza 3 Iskop predusjeka - nedrenirani uvjeti

177

Na slici 6. prikazani su ukupni prirasti pomaka od iskopa i ugradnje podgradnog sklopa sekcije tunela u nedreniranim uvjetima. Položaj najvećih prirasta pomaka (deformacija) nalazi se na čelu iskopa kalote tunela te u svodu kalote tunela s tendencijom širenja prema površini terena. Utjecaj napredovanja sekcije tunela od 20 m na prirast pomaka usmjeren je upravo na kalotni dio tunela formiranjem „dimnjaka“ u smjeru površine pokosa predusjeka. Za složene modele s inverzijom u promjenama krutosti tla najveći prirast pomaka ovisi o položaju slojeva u modelu.

Model 1Cu / ukupni prirast pomaka / faza 4

Slika 6. Faza 4 Iskop i ugradnja podgradnog sklopa sekcije tunela - nedrenirani uvjeti

Na slici 7. prikazani su ukupni prirasti pomaka od iskopa kalote tunela u nedreniranim uvjetima. Prirast pomaka (deformacija) najveći je na čelu iskopa kalote tunela s obzirom da ova faza uključuje napredovanje kalote tunela iskopom duljine 1,0 m bez ugradnje podgradnog sklopa.

Model 1Ku / ukupni prirast pomaka / faza 5

Slika 7. Faza 5 Iskop kalote tunela - nedrenirani uvjeti

178

Na slici 8. prikazani su ukupni prirasti pomaka od iskopa “benča” tunela u nedreniranim

uvjetima. Prirast pomaka (deformacija) najveći je na čelu iskopa benča tunela s obzirom da ova faza uključuje napredovanje benča tunela iskopom duljine 1,0 m bez ugradnje podgradnog sklopa.

Model 2Cu / ukupni prirast pomaka / faza 7w

Slika 8. Faza 7 Iskop benča tunela - nedrenirani uvjeti Na slici 9. prikazani su ukupni prirasti pomaka od iskopa podnožnog svoda tunela u

nedreniranim uvjetima. Prirast pomaka (deformacija) najveći je na čelu iskopa podnožnog svoda tunela s obzirom da ova faza uključuje napredovanje tunela iskopom podnožnog svoda duljine 10 m bez ugradnje podgradnog sklopa. Osim toga, vidljiv je i prirast pomaka u podnožnom svodu te u zoni iznad kalote tunela.

Model 1Cu / ukupni prirast pomaka / faza 9w

Slika 9. Faza 9 Iskop podnožnog svoda tunela - nedrenirani uvjeti

179

Na slici 10. prikazani su ukupni pomaci od ugradnje podgradnog sklopa podnožnog svoda u dreniranim uvjetima. Najveći ukupni pomaci u dreniranim uvjetima ostvareni na kraju procesa izvedbe promatrane sekcije tunela formiraju se na dijelu od čela iskopa podnožnog svoda do čela iskopa kalote tunela te u pojedinim modelima na vrhu gornjeg pokosa predusjeka.

Model 1M / ukupni pomak / faza 10

Slika 10. Faza 10 Ugradnja podgradnog sklopa podnožnog svoda - drenirani uvjeti Na slici 11. prikazani su ukupni pomaci od ugradnje podgradnog sklopa podnožnog svoda u

nedreniranim uvjetima. Najveći ukupni pomaci u nedreniranim uvjetima ostvareni tijekom procesa izvedbe promatrane sekcije tunela formiraju se na dijelu čela kalote tunela te u svodu iznad kalote tunela. U odnosu na drenirane uvjete vidljiv je veći utjecaj na zonu iznad kalote tunela odnosno na pokos predusjeka.

Model 1Cu / ukupni pomak / faza 10

Slika 11. Faza 10 Ugradnja podgradnog sklopa podnožnog svoda - nedrenirani uvjeti Analiza stanja naprezanja i deformacija, koja ovdje nije prikazana, provedena je u zoni nožice

predusjeka s podnožnim svodom tunela, zoni gornjeg pokosa predusjeka i zoni iznad kalote tunela.

180

6 PRIJEDLOG TEHNOLOŠKIH RJEŠENJA ZA SMANJENJE UTJECAJA ISKOPA TUNELA NA STABILNOST POKOSA PREDUSJEKA

Nakon analiza pomaka te odnosa stanja naprezanja i deformacija provedenih tijekom iskopa tunela u zoni predusjeka na nekoliko karakterističnih modela tla, moguće je izdvojiti slijedeće elemente s prijedlogom tehnoloških rješenja kojima se posredno ili neposredno utječe na stabilnost pokosa predusjeka:

a) vrijednost geotehničkih parametara pojedinih slojeva tla (i stijenske mase) te njihov

raspored Tehnološka rješenja - poboljšanja geotehničkih parametara pojedinih slojeva tla i stijenske

mase moguće je postići na slijedeći način: o injektiranjem pojedinih slojeva tla oko tunela o ugradnjom čeličnih sidara većih duljina (stijene) o iskop uz prethodno smrzavanje tla o iskop pod zaštitom komprimiranog zraka.

b) inicijalnu stabilnost čela iskopa tunela Tehnološka rješenja - inicijalnu stabilnost čela iskopa moguće je postići na slijedeći način:

o ugradnjom zaštitnih cijevi u kalotnom dijelu tunela o ugradnjom adekvatnog sloja mlaznog betona na čelo iskopa tunela o izvedbom zaštitne zemljane jezgre na čelu iskopa tunela o injektiranjem čela iskopa tunela.

c) duljinu i površinu napredovanja pojedinih faza iskopa tunela Tehnološka rješenja - utjecaj duljine napredovanja i površine iskopa moguće je kontrolirati

na slijedeći način: o ugradnjom zaštitnih cijevi u kalotnom dijelu tunela o primjenom višefaznog iskopa kalote tunela o izvedbom zaštitne zemljane jezgre na čelu iskopa tunela.

d) udaljenost pojedinih faza iskopa tunela (kalota, benč i podnožni svod) Tehnološka rješenja - utjecaj udaljenosti pojedinih faza iskopa moguće je kontrolirati na

slijedeći način: o ugradnjom privremenih zakrivljenih podnožnih svodova od mlaznog betona na

dijelu kalote i benča o primjenom višefaznog iskopa kalote tunela.

e) nedrenirani uvjeti na čelu iskopa tunela Tehnološka rješenja - drenirane uvjete tijekom iskopa tunela moguće je postići na slijedeći

način: o ugradnjom drenažnih cijevi u svodu i na čelu iskopa tunela o ugradnjom drenažnih cijevi većih duljina na pokosima predusjeka.

f) nagib pokosa predusjeka Tehnološka rješenja - smanjenje utjecaja nagiba pokosa predusjeka moguće je postići na

slijedeći način: o ublažavanjem nagiba pokosa predusjeka (ukoliko je to racionalno i dozvoljeno s

obzirom na postojeće objekte) o ugradnjom dodatnih podgradnih mjera na pokose predusjeka.

g) nivo podzemne vode (sušni i kišni period) Tehnološka rješenja - smanjenje nivo podzemnih voda može se postići na slijedeći način:

o ugradnjom bunara za crpljenje vode na površini terena o ugradnjom drenažnih cijevi na pokose predusjeka o izvlačenjem vode iz područja predusjeka pomoću vakuuma.

181

7 ZAKLJUČAK

Iskopa cestovnih tunela u velikom broju slučajeva ima značajan utjecaj na stabilnost pokosa predusjeka. Za cjelovitu analizu tog utjecaja poželjno je koristiti slijedeće elemente:

o racionalni pristup upotrebom numeričkog 3D modela o jedinstveni geometrijski model koji obuhvaća pokose i ulazni dio tunela predusjeka o hardening soil model (model ojačanja tla) koji najoptimalnije opisuje ponašanje tla

prilikom opetovanih ciklusa iskopa i podgrađivanja tunela o analiza u dreniranim i nedreniranim uvjetima o analiza u sušnom i kišnom periodu o analiza za modele s različitim nagibima pokosa o analiza koja simulira sve faze iskopa predusjeka i ugradnje podgradnog sklopa u tunelu o prijedlog tehnoloških rješenja za smanjenje utjecaja iskopa tunela na stabilnost pokosa

predusjeka. 8 LITERATURA

Barton, N. 1991. Geotechnical Design, World Tunnelling, Vol. 4, No. 7, 410-416. Bieniawski, Z. T. 1984. The Design Process in Rock Engineering. Rock Mechanics and Rock Engineer-

ing, 17, 183-190. Brinkgreve,R.B.J., Vermeer,P.A. 20001. Plaxis 3D Tunnel, A.A. Balkema Publishers, Netherlands. CEN ENV 1997-1:1994. 2001. Eurokod 7:Geotehničko projektiranje – 1.dio:Opća pravila. Duncan, J.M., Wright S.G. 2005. Soil Strenght and Slope Stability, John Wiley & Sons, 19-34, New

Jersey. Hoek, E., Brown, E. T. 1980. Underground excavations in rock. The Institution of Mining and Metal-

lurgy, London, England, 527. IGH, 2001. Opći tehnički uvjeti za radove na cestama, Knjiga V, Cestovni tuneli, IGH, 2001, 93. ISSMGE 16 ICSMGE 2005. Proceedings of the 16th International Conference on Soil Mechanics and

Geotechnical Engineering, 971-974., Osaka. ITA., 1988. Guidelines for the design of tunnels. ITA Working Group on General Approaches to the De-

sign of Tunnels, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 3, No. 3, 237-249. Orr,T.L.L., Farrell,E.R. 1999. Geotechnical Design to Eurocode 7, Springer Verlag, London. Poisel, R. 1995. Concepts of NATM, Summercourse, No. 5, IACES Bureau of Vienna. Sauer, G. NATM in Soft Ground, World Tunnelling, Vol. 3, No. 6, 431-437., 1990 Stojković, B., 2005. Osiguranje stabilnosti primarne podgrade cestovnih tunela u sedimentnim stijenama,

Doktorska disertacija, Sveučilište u Zagrebu, Građevinski fakultet, Zagreb, 213. Stojković, B., Stanić, B, Kovačević, M.S. 2001. Cutting protection at the entrance of a tunnel passing

through unstable slopes, 15th International conference on soil mechanics and geotechnical engineering, 27.-31. August 2001, Istanbul, Turkey, 1425-1428.

182