THOMAS MARCHER, FILIP JIŘIČNÝ
A. DE.CO-RS hlavní napětí DE.CO-RS principal stresses
1.3m
Ražba metodou NRTM / NATM excavation
Ražba metodou Adeco RS / Adeco RS excavation
Obr. 4 Pole hlavních napětí, ražba dle NRTM (vpravo); ražba dle A.DE.CO-RS (vlevo)
Fig. 4 Resulting mean effective stresses due to NATM excavation (right) and A.DE.CO-RS excavation (left)
Obr. 5 Podélné horizontální deformace čelby – posunutí v pruhu A: NRTM versus A.DE.CO-RS
Fig. 5 Face axial displacements due to excavation of slice A: NATM versus A.DE.CO-RS
①Primární ostění s ocelovými oblouky / Initial lining with steel ribs
➁Definitivního ostění, tlouštka klenby 45 cm / Final lining 45 cm
③Spodní klenba definitivního ostění tl. 90 cm / Final lining invert arch 90 cm
④Primární ostění / Initial lining
A.DE.CO-RS hlavní napětí A.DE.CO-RS principal stresses
NRTM hlavní napětí NATM principal stresses
1 4
2
3
Pre-konvergence dosahuje v případě obou metod skoro stejných hodnot, konvergence jsou v případě ražby kaloty podle NRTM mírně vyšší. Ve zhor-šených geotechnických podmínkách dochází k výraznému nárůstu jak pre-konvergencí, tak konvergencí.
Deformace nadloží: Z obr. 8 je zřejmé, že jak metoda A.DE.CO-RS s raž-bou plným záběrem, tak NRTM s ražraž-bou kaloty vykazují obdobné deformace nadloží. Shodu způsobuje v případě metody A.DE.CO-RS vyztužení jádra/čelby, v případě NRTM mnohem menší plocha výrubu.
3.6 CITLIVOSTNÍ ANALÝZA
Kromě výše popsaného modelu pro metodu A.DE.CO-RS založeného na předpokladu zabudování definitivního ostění dna tunelu ve vzdálenosti 10 m, resp. konstrukce horní klenby ve vzdálenosti 25 m od čelby tunelu, byla pro-vedena analýza pro případ zabudování definitivního ostění ve větší vzdále-nosti od čelby. Malá vzdálenost mezi čelbou a místem, kde je osazováno defi-nitivní ostění, výrazně ztěžuje koordinaci výstavby. Proto byla vypracována studie zkoumající chování systému při zvětšení vzdálenosti mezi čelbou a definitivním ostěním. Analýza prokázala citlivou reakci systému na změnu vzdálenosti osazování definitivního ostění dna tunelu (nárůst deformací), zatímco v případě většího odstupu zabudování definitivního ostění klenby nedocházelo k výraznému nárůstu deformací. Důvodem je masivní primární ostění klenby s tuhými ocelovými rámy. Větší vzdálenost zabudování defini-tivního ostění klenby od čelby tak, jak ukazuje obr. 9 vpravo, nezpůsobuje výraznější nárůst deformací vzhledem k původnímu rozvržení podle obr. 9 vlevo a dává více manipulačního prostoru stavbě. Nicméně je třeba mít na zřeteli, že tyto výsledky jsou platné jen v uvažovaném rozsahu vlastností hor-ninového masívu. V méně kvalitních horninách nelze tento jev očekávat.
3.7 SHRNUTÍ
Úkolem studie bylo srovnání klasické NRTM s horizontálním členěním výrubu na kalotu, jádro a počvu s metodou A.DE.CO-RS. Z tohoto důvodu byl použit takřka shodný příčný řez. Parametry horninového masívu byly zvo-leny tak, aby čelba zůstala stabilní bez dalších podpůrných opatření. Za těch-to podmínek bylo ukázáno:
Tvar příčného řezu tunelu a čelby stejně tak jako tuhost horniny před čel-bou výrazně ovlivňují pole napětí a přetvoření. Příčný řez by měl být pokud možno kruhového tvaru a čelba by měla být vypouklá.
Deformace v ose tunelu jsou zřetelně menší, použije-li se vyztužení čelby/jádra. V případě NRTM dochází přes mnohem menší plochu výrubu k rychlému nárůstu deformací čelby. Tento nárůst indikuje vysoký stupeň využití pevnosti horniny v oblasti čelby.
Horizontální výztuž čelby/jádra příznivě ovlivňuje jak vertikální deforma-ce vrcholu tunelu, tak deformadeforma-ce nadloží.
V daných podmínkách se ukázalo, že obě tunelovací metody dávají obdob-né výsledky. Velké deformace nevyztužeobdob-ného jádra jsou vykompenzovány výrazně menší plochou členěného výrubu. Je třeba zdůraznit, že v případě zhoršených podmínek ražby (méně příznivé rozdělení primárního napětí a/nebo málo soudržné až nesoudržné horniny) se výhody A.DE.CO-RS ve srovnání s NRTM výrazně zvýší. Numerické srovnání NRTM rozšířené o další podpůrné opatření (např. mikropilotový deštník, dočasné uzavření dna kaloty) s A.DE.CO-RS za nepříznivých geotechnických podmínek může poskytnout na toto téma další informace.
negligible larger deformations as compared to the initial situation (Fig. 9 – left) which significantly facilitate the practical work sequence. However, it has to be noted that this sensitivity analysis is only valid under the assumption of the con-sidered range of ground properties. With markedly poorer soil parameters these effects cannot be expected.
3.7 SUMMARY
The objective of this study was to compare the classic NATM, which uses sequential excavation (heading, bench, invert) to the A.DE.CO-RS method. To this end almost equal tunnel cross-sections were used. The soil parameters were chosen in such a way that the face of the top heading remains stable even without any additional face support. A comparison under these boundary conditions shows that:
●the shape of the cross-section and the face as well as the stiffness of the area ahead of the face decisively influences the stress and deformation state. The cross-section should be as circular in shape as possible and the face should have a concave shape.
●the face axial displacement is significantly reduced for the case of face reinforcement. In NATM excavation the face area is much smaller but still there is a rapid increase in horizontal face displacement indicating full mobilisation of strength in front of the face.
●face reinforcement affects the vertical deformations on the tunnel crown as well as on the surface (settlement behaviour) positively.
Under the given boundary conditions it becomes apparent that the two excavation methods yield equal results. The larger deformation of the advance core in NATM advance is compensated by a significantly smal-ler face area when using sequential excavation.
However, it has to be noted that in case of markedly poorer advance condi-tions (unfavourable primary stresses and/or slightly cohesive to non-cohesive soils) the advantages of the A.DE.CO-RS method as compared to classic NATM increase markedly. A numerical comparison of an extended NATM advance with additional and constant measures (e.g. pipe arch and top heading invert arch) to the A.DE.CO-RS method under unfavourable geomechanical
Postup ražby / Tunnel advance [m] Postup ražby / Tunnel advance [m]
40 60 80 100 120
Adeco RS deformace ve vrcholu tunelu Adeco RS crown settlement NRTM deformace ve vrcholu tunelu NATM crown settlement
Vertikální deformace ve vrcholu tunelu [m] Vertical displacement at tunnel crown [m]
0 20 40 60 80
Poloha záběru 21 Position slice 21
100
PoIstup ražby / Tunnel advance Postup ražby / Tunnel advance
21 19
17 23 25
xcrown Adeco RS typ zeminy II
Adeco RS parameter
Adeco RS typ zeminy I Adeco RS parameter set I
NRTM typ zeminy I
Vertikální deformace x [m] Vertical displacement x [m]
0 20 120
Typ zeminy II Ground type II Poloha záběru 21 Position slice 21
0
Ražba záběru 31 - 41 typ zeminy II Tunnel advance slices 31 - 41 ground type II Horizontální deformace čelby z v důsledku ražby Horizontal face displacement z due to excavation [m]
31 33
Ražba metodou NRTM / NATM excavation
Ražba metodou Adeco RS / Adeco RS excavation
Obr. 6 Vývoj podélných horizontálních deformací v závislosti na ražbě:
NRTM versus A.DE.CO-RS
Fig. 6 Accumulative development of axial displacements due to excavation:
NATM versus A.DE.CO-RS
Obr. 7 Vertikální deformace čelby: NRTM versus A.DE.CO-RS
Fig. 7 Vertical displacements at the tunnel face: NATM versus A.DE.CO-RS
4. ZÁVĚR
A.DE.CO-RS nebo NRTM? Obecně lze vždy obtížné stanovit nejvhodněj-ší metodu výstavby pro daný projekt. Studie ukazuje, že obě metody posky-tují alespoň pro dané parametry horninového masívu srovnatelné výsledky.
Numerické výsledky ukazují pozitivní vliv vyztužení čelby/jádra na vývoj deformací a možnost ražby s velkou plochou výrubu.
Potenciál vysokého stupně mechanizace ražby musí být srovnán s vysokou přizpůsobivostí NRTM. Velká část pozitivního efektu možnosti využití vyso-kého stupně mechanizace ražby kompenzují náklady na vyztužení jádra, tužší primární a silnější definitivní ostění. Rakouská společnost Eisenbahn-Hoch-leistungsstrecken AG ve svých posledních soutěžních podmínkách umožnila nabízet kromě NRTM i jiný způsob výstavby tunelů např. prostřednictvím TBM. Toto umožňuje výtečné srovnání těchto dvou metod. Aby došlo k roz-šíření povědomí o možnosti použití metody A.DE.CO-RS, je jak pro dodava-tele, tak pro zákazníka důležité otevřít výběrová řízení i pro metodu
A.DE.CO-RS. DR. DIPL-ING. THOMAS MARCHER,
ING. FILIP JIŘIČNÝ, e-mail: filip.jiricny@ibk.ilf.com ILF Consulting Engineers, Rum/Innsbruck, Rakousko
conditions would yield further information on this issue.
4. CONCLUSIONS
A.DE.CO-RS or NATM? In general it is always difficult to figure out the most economic method for a specific project.
The numerical studies show that the two advance methods – at least for the given range of soil parameters - provide comparable results. The FE results illustrate that especially the face reinforcement positively influences the deformation mechanisms allowing to excavate larger cross sections.
The potential of a greater degree of mechanisation by using A.DE.CO-RS has to be compared with the higher flexibility afforded by NATM.
A great part of the cost advantages that result from increased efficiency by using an “industrial” full face excavation are lost due to expensive arran-gements for the support ahead of face, for heavier primary lining and for a thicker mostly reinforced inner lining. The Eisenbahn-Hochleistungsst-recken AG in Austria in their latest call for tenders provide the possibili-ty of offering NATM and/or another option, e.g. TBM drive. This scheme allows an excellent comparison of these two excavation methods. To bro-aden the knowledge by using A.DE.CO-RS it is very important for both the contractors and clients to open the calls for tenders in Austria especi-fically to the A.DE.CO-RS method as well.
DR. DIPL-ING. THOMAS MARCHER, ING. FILIP JIŘIČNÝ, e-mail: filip.jiricny@ibk.ilf.com ILF Consulting Engineers, Rum/Innsbruck, Rakousko
LITERATURA / REFERENCES
[1] L. Rabcewicz: Patentschrift, Österreichisches Patent Nr. 165573, 1944.
[2] P. Lunardi: The design and construction of tunnels using the approach based on the analysis of controlled deformation in rocks and soils, T&T International, May 2000.
[3] E. Colin, C. Neumann: LaserShell leads the way for SCL tunnels. T&T International, June 2003.
[4] T. Marcher, M. John: Numerical Analysis of the LaserShell-Construction Method for the Heathrow Terminal 5 Tunnels, in: Geotechnical Innovations (Editor: P.A. Vermeer), to be published 2004.
[5] T. Graf von Smettow, J.-R. Fennker: Berücksichtigung von Düsenstrahl-Säulen und Ortsbrustankern beim Nachweis der Ortsbruststabilität, in: Tagungsband zum 4.Kolloquium Bauen in Boden und Fels, 20. und 21. Januar 2004, TAE Esslingen (D).
[6] R.B.J. Brinkgreve, P.A. Vermeer: User Manual for PLAXIS 3D-Tunnel, Finite Element Code for Soil and Rock Analysis, 2001.
[7] Meißner H.: Tunnelbau unter Tage, Empfehlungen des Arbeitskreises 1.6, „Numerik in der Geotechnik“, Abschnitt 2, Geotechnik 19, 1996, S. 99-108.
[8] M. John, B. Mattle: Factors of shotcrete lining design, T&T International, October 2003.
[9] K. Kovari, P. Lunardi: On the observational method in tunneling, Keynote Lecture, GeoEng 2000.
[10] H. Brandl: Ground support – reinforcement – composite structures, Keynote Lecture, GeoEng 2000..
[11] A. Poma: Die Stabilisierung der Ortsbrust mit GFK-Ankern, Felsbau 19, 2001.
[12] C. Yoo, H.-K. Shin: Deformation behaviour of tunnel face reinforced with longitudinal pipes – laboratory and numerical investigations, Tunnelling and Underground Space Technology 18, 2003.
-0,06 -0,05 -0,04 -0,03 -0,02 -0,01
Pokles zeminy [m] surface settlement [m]
Terén/Surface
0 10 20 30 40 50 60 70 80
face position
-0,06 -0,05 -0,04 -0,03 -0,02 -0,01
-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
Vzdálenost od osy tunelu / distance from tunnel axis [m]
Terén/Surface
Postup ražby Tunnel advance Typ zeminy II
Ground type II Typ zeminy II
Ground type II Ražba Adeco RS
Adeco RS excavation Ražba NRTM
NATM excavation
Ražba NRTM NATM excavation Ražba Adeco RS
Adeco RS excavation
Postup ražby / Tunnel advance [m]
Obr. 8 Deformace nadloží způsobené ražbou tunelu: v příčném směru (vlevo) a v ose ražby (vpravo)
Fig. 8 Surface settlement due to excavation advance: tunnel cross section (left) and longitudinal direction (right)
Obr. 9 A.DE.CO-RS: Variace vzdá-leností osazování sekundárního ostění od čelby tunelu
Fig. 9 A.DE.CO-RS: Variation of the distance of the final lining from the tunnel face
①Definitivní ostění, tlouštka klenby 45 cm / Final lining 45 cm
➁Definitivní ostění, tlouštka spodní klenby 90 cm / Final lining invert arch 90 cm
③ Vzdálenost definitivního ostění klenby od čelby ~25 m / Final lining distance from face ~25 m
④ Vzdálenost definitivního ostění spodní klenby od čelby ~10 m / Invert arch distance from the face ~10 m
➄ Vzdálenost definitivního ostění klenby od čelby ~120 m / Final lining distance from face ~120 m
➅ Vzdálenost definitivního ostění spodní klenby od čelby ~20 m / Invert arch distance from the face ~20 m
➆ Vzdálenost dočasného zásypu dna od čelby ~30 m / Temporary backfill distance from face ~30 m
1
1 4
5
6
2 2
7 3