Γεωτεχνική ταξινόμηση και τεχνικογεωλογική συμπεριφορά ασθενών και σύνθετων γεωϋλικών κατά τη διάνοιξη σηράγγων
Authors: Μαρίνος Βασίλειος 
Published: August 2021

Αντικείμενο της διατριβής είναι η γεωτεχνική ταξινόμηση και η τεχνικογεωλογική συμπεριφορά ασθενών και σύνθετων γεωυλικών κατά τη διάνοιξη σηράγγων. Η έρευνα επικεντρώνεται κυρίως σε μη αστικές σήραγγες με συμβατική μέθοδο διάνοιξης. Η πολυπλοκότητα που παρουσιάζουν τα γεωυλικά αυτά επιβάλει ειδικότερη ανάλυση και τεχνικογεωλογικό χαρακτηρισμό λόγω των ιδιαιτεροτήτων που παρουσιάζουν οι βραχόμαζές τους, τόσο ως προς την δομή τους όσο και ως προς τα λιθολογικά χαρακτηριστικά τους. Οι ασθενείς και σύνθετες βραχόμαζές που εξετάζονται, έχουν τις περισσότερες φορές υποστεί έντονη τεκτονική καταπόνηση με αποτέλεσμα την καταστροφή της αρχικής τους δομής, την αποσάθρωση, τη συμμετοχή γεωυλικών με πολύ χαμηλή αντοχή και γενικώς μια ποικίλλουσα ετερογένεια. Πρόκειται περί των τύπων των βραχομαζών που μπορεί να εμφανίζει ο φλύσχης, η μολάσσα, ο κατακερματισμένος ασβεστόλιθος, οι οφιόλιθοι και οι καταπονημένοι γνεύσιοι. Η πρόσφατη έρευνα για τις ασθενείς βραχόμαζές και τη τεχνικογεωλογική τους συμπεριφορά και οι εμπειρίες από τη πρόσφατη διάνοιξη σηράγγων στον Ελληνικό χώρο, κάτω από ιδιαίτερα δύσκολες γεωλογικές συνθήκες, προσφέρουν ιδανικό υλικό για την έρευνα της επίδρασης των συνθηκών αυτών στην συμπεριφορά του γεωυλικού καθώς και στις μεθόδους σχεδιασμού και κατασκευής. Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει κυρίως στην έρευνα επί των γεωλογικών παραγόντων που επηρεάζουν την τεχνική συμπεριφορά των ασθενών βραχομαζών στα υπόγεια έργα, στη συσχέτιση των παραγόντων που υπεισέρχονται στη διερεύνηση ισχύος και εφαρμογής των συστημάτων ταξινόμησης και στη σύνδεση των χαρακτηριστικών των γεωυλικών αυτών με την αντοχή της βραχόμαζας. Η χρησιμότητα της εργασίας αυτής αφορά στις απαιτήσεις της έρευνας πεδίου, στην αξιολόγηση της τεχνικογεωλογικής συμπεριφοράς, στις μεθόδους σχεδιασμού και στις τεχνικές κατασκευής σε αυτές τις ιδιαίτερα δυσμενείς τεχνικογεωλογικές συνθήκες. Η τεχνικογεωλογική θεώρηση των ασθενών και σύνθετων βραχομαζών δεν εξετάζεται μεμονωμένα αλλά μέσα από ένα σύνολο πληροφοριών. Αυτό περιλαμβάνει τη θεώρηση του γεωλογικού περιβάλλοντος μέσα στο οποίο διαμορφώθηκαν οι βραχόμαζές, την ανάλυση όλων των τεχνικογεωλογικών χαρακτηριστικών που ορίζουν τους καθοριστικούς παράγοντες-“κλειδιά” για την ευστάθειά τους στο υπόγειο έργο, την εκτίμηση της αντοχής και παραμορφωσιμότητας του άρρηκτου βράχου, και την ταξινόμησή τους για την δυνατότητα του γεωτεχνικού χαρακτηρισμού τους που επιτρέπει την εκτίμηση της απομείωσης των ιδιοτήτων αυτών. Εκτιμάται, έτσι, η τεχνικογεωλογική συμπεριφορά της ανυποστήρικτης διατομής του υπόγειου έργου και η ποιοτική εκτίμηση των απαιτούμενων μέτρων υποστήριξης. Με σκοπό την αξιοποίηση των εμπειριών που έχουν αποκτηθεί από την κατασκευή πολλών σηράγγων, την τελευταία κυρίως δεκαετία, στον Ελλαδικό χώρο και την σχετική επεξεργασία του υλικού αυτού δημιουργήθηκε μία κεντρική τράπεζα δεδομένων, η οποία ονομάστηκε «Σύστημα Ανάλυσης Πληροφοριών Σηράγγων» και αναφέρεται ως TIAS (Tunnel Information Analysis System). Από μόνη της η δημιουργία μιας τέτοιας τράπεζας δεδομένων αποτελεί ένα σημαντικό στοιχείο της διατριβής. Στόχος της τράπεζας είναι η σύγκριση των προβλεφθεισών και των πραγματικών γεωλογικών και γεωτεχνικών συνθηκών που συναντήθηκαν, η αξιολόγηση των χρησιμοποιούμενων μεθόδων χαρακτηρισμού και ταξινόμησης της βραχόμαζας καθώς και συσχετίσεις για την απόκριση της βραχόμαζας και τα μέτρα ενίσχυσης και υποστήριξης. Βασική πηγή των δεδομένων αποτέλεσαν 62 σήραγγες της Εγνατίας Οδού για τις οποίες πραγματοποιήθηκε, στο πλαίσιο της διατριβής, έρευνα υπαίθρου και επεξεργασία των στοιχείων μελέτης και κατασκευής τους. Τονίζεται ότι πολλές από τις σήραγγες αυτές έχουν κατασκευαστεί κάτω από ιδιαίτερα δυσμενείς συνθήκες. Η βάση περιλαμβάνει 96 πίνακες εισαγωγής δεδομένων, 66 γεωτεχνικού χαρακτήρα και 30 ειδικά για τις σήραγγες. Έχει τη δυνατότητα παροχής πληροφοριών αρχειακού χαρακτήρα, παροχής στοιχείων για τις ανάγκες ελέγχου των σηράγγων σε σχέση με το γεωπεριβάλλον τους καθώς και στοιχείων για σύγκριση μελέτης και κατασκευής νέων σηράγγων σε ανάλογες συνθήκες. Τα δεδομένα που εισάγονται και επεξεργάζεται το TIAS αφορούν γεωτρήσεις, αποτελέσματα εργαστηριακών ή επιτόπου δοκιμών, ταξινομήσεις, τεχνικογεωλογική συμπεριφορά (καταπτώσεις, συγκλίσεις και υπόγεια νερά), παραμέτρους σχεδιασμού, γεωτεχνικές αναλύσεις, καθώς και πληροφορίες για τα μέτρα άμεσης υποστήριξης και το κόστος. Για την παρουσίαση και ανάλυση των προαναφερθέντων, για κάθε ένα από τα εξεταζόμενα γεωυλικά, δημιουργήθηκε ένα τυπολόγιο ώστε να μπορεί να γίνεται εύκολα η αναζήτηση των στοιχείων αυτών ανά γεωυλικό και τύπο βραχόμαζας. Για κάθε κατηγορία υλικού ερευνάται το γενικό γεωλογικό πρότυπο του περιβάλλοντος των βραχομαζών τους με βάση τη λιθολογία, τη δομή των σχηματισμών, τις κύριες τεκτονικές επιφάνειες, τις υδρογεωλογικές συνθήκες, το βαθμό της αποσάθρωσης και το μορφολογικό ανάγλυφο. Στα πλαίσια αυτά αναλύεται το προσομοίωμα της βραχόμαζας με τα χαρακτηριστικά του κερματισμού, της αποσάθρωσης, και ακόμη της αποδιοργανωμένης, χαοτικής ή διατμημένης δομής. Η γεωτεχνική ταξινόμηση των υπόψη βραχομαζών αποτελεί σημαντικό τμήμα της διδακτορικής διατριβής. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης των χαρακτήρων δομής και ασυνεχειών οδήγησαν στην πρόταση νέων διαγραμμάτων ποσοτικού χαρακτηρισμού μέσω του συστήματος GSI για τις βραχόμαζες του φλύσχη, της μολάσσας, των γνευσίων (στις καταπονημένες κυρίως δομές του) και δίνονται τα εύρη προβολής των διαφόρων παραλλαγών για τους ασβεστολίθους και τους οφιολίθους. Συγχρόνως, δίδονται συστάσεις εφαρμογής του συστήματος GSI, συζητούνται γενικότερα οι περιορισμοί εφαρμογής των ταξινομήσεων στις ασθενείς βραχόμαζες καθώς και οι περιπτώσεις λανθασμένης χρήσης της ταξινόμησης. Διερευνώνται και προτείνονται φάσματα τιμών για τις παραμέτρους του κριτηρίου Hoek and Brown (σci mi,) και της σταθεράς παραμορφωσιμότητας MR, με βάση την επεξεργασία αποτελεσμάτων εργαστηριακών δοκιμών για τα ερευνώμενα γεωυλικά, τιμές οι οποίες χρησιμοποιούνται για την ανάλυση (με τη χρήση αναλυτικών σχέσεων ή αριθμητικών μεθόδων) των υπογείων εκσκαφών. Προτείνονται επίσης τιμές για τις ετερογενείς βραχόμαζες. Επιπλέον της γεωτεχνικής ταξινόμησης της βραχόμαζας και σε συνδυασμό με αυτή, πραγματοποιείται περαιτέρω και μία ταξινόμηση των ασθενών και σύνθετων γεωυλικών που εξετάστηκαν, με βάση τη τεχνικογεωλογική τους συμπεριφορά κατά τη διάνοιξη των σηράγγων, σε σχέση με τον μηχανισμό αστοχίας και το κατά περίπτωση τασικό πεδίο. Αντιστοιχούνται συνεπώς, οι μηχανισμοί πιθανής αστοχίας (παραμορφώσεις λόγω υπερφόρτισης, καταπτώσεις ή ολισθήσεις σφηνών, εκτεταμένες καταπτώσεις τύπου καμινάδας, καταρροή γεωυλικού) καθώς και η κλίμακα της αστοχίας. Γενικώς, η χρήση των γνωστών συστημάτων ταξινόμησης έχει το μειονέκτημα να μην συνοδεύεται υποχρεωτικά από πληροφορίες συμπεριφοράς της βραχόμαζας στις σήραγγες. Έτσι πολλές φορές χάνεται η γεωλογική ταυτότητα του γεωυλικού, αφού αυτή δεν συνοδεύει πλήρως την ανάλυση και είναι δυνατόν να αγνοούνται οι ιδιαιτερότητες που πιθανόν αυτό να παρουσιάζει. Σε κάθε περίπτωση τονίζεται ότι η τεχνικογεωλογική κρίση έχει ιδιαίτερη σημασία όταν επιχειρείται ποσοτικοποίηση των χαρακτηριστικών της βραχόμαζας. Στο πλαίσιο αυτό, δημιουργήθηκε ένα σύστημα εκτίμησης των μηχανισμών - τύπων συμπεριφοράς της βραχόμαζας για ανυποστήρικτη διατομή σήραγγας, με βάση συγκεκριμένες τεχνικογεωλογικές παραμέτρους και το τασικό περιβάλλον. Αυτές είναι η δομή (σύμφωνα με το GSI), οι οριακές συνθήκες της αντοχής σci και η πίεση των υπερκειμένων. Η εκτίμηση αφορά εύρη υπερκειμένων έως 300m. Αφού ορίζονται οι κατά περίπτωση πιθανότεροι μηχανισμοί αστοχίας, για κάθε τύπο αναμενόμενης βραχόμαζας προσδίδονται οι κατάλληλοι παράμετροι σχεδιασμού (είτε της βραχόμαζας π.χ. GSI, σci, mi, αν αυτή συμπεριφέρεται ισότροπα, είτε ασυνεχειών αν αυτή συμπεριφέρεται ανισότροπα). Τα ανωτέρω συνδέονται και αντιστοιχούνται ενδεικτικά με τυπικές διατομές υποστήριξης σηράγγων με συγκεκριμένες προτάσεις για κάθε τύπο τεχνικογεωλογικής συμπεριφοράς. Με αυτόν τον τρόπο, η ορθότητα των ταξινομήσεων και το σύστημα υποστήριξης μπορούν να ελέγχονται άμεσα από τις μετρήσεις των παραμορφώσεων ή των χαρακτηριστικών τυχόν αστοχιών κατά τη διάρκεια της εκσκαφής της σήραγγας. Τα πρωτότυπα σημεία της Διατριβής συνοψίζονται ως εξής: - Διερευνώνται τα τεχνικογεωλογικά χαρακτηριστικά ασθενών και σύνθετων βραχομαζών, σχετικώς με τη συμπεριφορά τους στη διάνοιξη σηράγγων. - Προτείνονται νέα διαγράμματα ταξινόμησης βραχόμαζας σύμφωνα με τη γενικότερη φιλοσοφία του συστήματος GSI, ή πεδία προβολών στο ήδη υφιστάμενο διάγραμμα, για τα ασθενή και σύνθετα γεωυλικά. - Προτείνεται ένα τεχνικογεωλογικό τυπολόγιο για κάθε πιθανό τύπο βραχόμαζας από τα ερευνώ μένα γεωυλικά, που περιλαμβάνει την τυποποίηση των ποιοτικών τεχνικογεωλογικών χαρακτηριστικών τους, τα ποσοτικά χαρακτηριστικά των γεωτεχνικών ταξινομήσεων, τις παραμέτρους αντοχής και παραμορφωσιμότητας, την εκτίμηση της συμπεριφοράς στα υπόγεια έργα, ανάλογα με το τασικό πεδίο, και ποιοτικές οδηγίες για τα μέτρα άμεσης υποστήριξης. - Παρουσιάζεται ένα σύστημα εκτίμησης της τεχνικογεωλογικής συμπεριφοράς, με παραμετροποίηση της βραχόμαζας με βάση το μηχανισμό πιθανής αστοχίας και με ποιοτικές συστάσεις μέτρων άμεσης υποστήριξης με βάση το μηχανισμό αστοχίας. - Δημιουργήθηκε, πρωτογενώς, γεωτεχνική τράπεζα σηράγγων, με δεδομένα από 62 σήραγγες που έχουν ήδη κατασκευαστεί, με δυνατότητες ανάλυσης και συσχετίσεων ενός πολύ μεγάλου πλήθους δεδομένων. Η επεξεργασία και αξιολόγηση των δεδομένων της τράπεζας δίνει τη δυνατότητα εκτίμησης της πραγματικής συμπεριφοράς των γεωυλικών καθώς και της διατύπωσης συσχετίσεων της συμπεριφοράς αυτής με τις απαιτήσεις υποστήριξης και τις τεχνικές και διαδικασίες κατασκευής των σηράγγων.