diplomski sveučilišni studij · 2020-01-24 · • metoda glatkog miniranja (smooth-wall...

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

GRAĐEVINSKI FAKULTET

ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Diplomski sveučilišni studij

Smjer Geotehnika

PODZEMNE GRAĐEVINE

Tehnologija izvedbe podzemnih građevina

2. godina, 3. semestar



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Izvedba podzemnih građevina utječe na mehanička svojstva stijenske

mase na način da, ovisno o odabranoj tehnologiji, više ili manje unosi

vibracije i rastresa stijensku masu. To dovodi do povećanja

razlomljenosti i smanjenja krutosti i čvrstoće stijenske mase.

Odabir tehnologije izvedbe tunela ovisi o svojstvima stijenske mase,

obliku i veličini poprečnog presjeka te o dužini tunela. Iskop tunela se

izvodi miniranjem i strojno.

Iskop miniranjem Strojni iskop



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Iskop miniranjem

Tipični iskop miniranjem se sastoji od sljedećih koraka:

1. Bušenje bušotina i postavljanje eksploziva

2. Detoniranje ekspoloziva i ventilacija plinova

3. Odstranjivanje miniranog dijela

4. Odstranjivanje potencijalnih nestablinih blokova u kaloti i

zidovima

5. Ugradnja podgradnog sustava



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Ugradnja i detonacija eksploziva predstavlja najosjetljiviji korak pri

izvedbi miniranjem.

Eksplozije, osim što moraju učinkovito usitniti stijenski materijal na

dijelove koje je jednostavno ukloniti, transportirati i deponirati, moraju

biti kontrolirane, jer treba posvetiti pažnju na očuvanje kvalitete

okolne stijenske mase.

Razlog je u činjenici da se manjim poremećenjem stijenske mase

podgrada svodi na najmanju moguću mjeru.

Eksplozije funkcioniraju na način da brze kemijske reakcije rezultiraju

s vrućim plinom čiji je volumen znatno veći nego volumen koji

zauzima sam eksploziv. Ovo je moguće jer eksploziv sadrži i gorivo i

sredstvo za oksidiranje.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Kad se eksploziv detonira, brzo ekspandirajući plin uzrokuje oštar

impuls na zidove bušotina, koji lomi stijenu i uzrokuje nastanak novih

pukotina i proširenje postojećih diskontinuiteta.

Zato je od ključne važnosti pravilno odrediti razmak i raster bušotina,

količinu eksploziva i vremenski redoslijed detonacija.

Iskop je moguć miniranjem u cijelom profilu ili miniranjem poprečnog

presjeka u više faza. Razlozi zbog kojih se bira iskop u više dijelova je

u sljedećem:

• poprečni presjek tunela je prevelik,

• lakše je kontrolirati vibracije uslijed miniranja,

• uvjeti u tlu su loši i iskopani profil potencijalno ne bi bio stabilan

dovoljno dok se ne ugradi podgradni sustav na cijelom profilu.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Miniranje nekad – tunel Hoosac i prva komercijalna primjena nitroglicerina (a) i danas (b)

(b)(a)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Najvažniji parametri kod iskopa miniranjem su specifično punjenje i

faktor bušenja. Oni su indikatori ukupne ekonomičnosti procesa

miniranja i omogućavaju jednostavnu usporedbu više varijanti

miniranja.

Specifično punjenje predstavlja masu eksploziva po kubičnom metru

minirane stijene i izražava se u kg/m3. Znatno varira ovisno o uvjetima

u stijenskoj masi, i znatno je veće u čvrstim stijenama i pri izvedbi

manjih tunela. Standardno varira od 0.6 do 5 kg/m3. Specifično

punjene, primjerice, može varirati od 1 kg/m3 ako se izvodi tunel

poprečnog presjeka većeg od 30 m2 do 3 kg/m3 ako se izvodi tunel

poprečnog presjeka manjeg od 10 m2, sve u istim uvjetima u tlu.

Faktor bušenja predstavlja ukupnu dužinu bušotina po kubičnom metru

minirane stijene i izražava se u m’/m3. Standardno varira od 0.8 do 6

m’/m3.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Preporuke količine eksploziva (a) i broja bušotina (b) u ovisnosti o

veličini poprečnog presjeka i kvaliteti stijene

(a)

(b)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Nedostaci miniranja uključuju robusnost i smanjenu preciznost

izvedbe, moguća oštećenja okolnih objekata pri plitkim iskopima, kao i

prekomjerne vibracije.

Vibracije uzrokovane miniranjem šire se kroz tlo odnosno stijensku.

Kontrola vibracija je ključna, posebice u urbanim područjima.

Kako bi se ostvarila što pravilnija kontura iskopa uz istovremeno što

manje oštećenje okolne stijenske mase koriste se dvije tehnike

miniranja:

• predminiranje (presplitting) metoda

• metoda glatkog miniranja (smooth-wall blasting)

Zajedničkim imenom te dvije metode se zovu konturno miniranje

(contour blasting).



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Osnovna karakteristika metode predminiranja je da se miniranjem

prvo stvori pukotina po konturi projektirane plohe iskopa, a odmah

nakon toga se minira i preostali dio stijenske mase. Time se stijenska

masa izvan plohe iskopa odvoji, a time i štiti od utjecaja miniranja.

Ova metoda se rijetko koristi za miniranje u podzemlju, a češće na

površini ili blizu površine terena.

Metoda predminiranja



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Za razliku od presplitting metode, metoda glatkog miniranja vrlo je

iskoristiva u podzemnim iskopima. Po tehnici izvedbe ona je obratna

metodi predminiranja. Prvo se grubim miniranjem minira veći središnji

dio tunela, što za posljedicu ima pojavu velikih tangencijalnih

naprezanja na planiranoj konturi tunela, dok su radijalna naprezanja

gotovo zanemariva. Time se postiže povoljna orijentacija glavnih

naprezanja. Odmah potom se detoniraju konturne bušotine.

Metoda glatkog miniranja



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Strojni iskop

Strojevi koji se koriste za iskop tunela mogu se načelno podijeliti u

dvije grupe:

1. strojeve za sukcesivni iskop iskop tunelskog otvora i

2. strojeve za iskop cijelog tunelskog otvora.

Strojevi za sukcesivni iskop mogu vršiti iskop u punom profilu ili po

fazama. Najpoznatiji predstavnici su bageri s hidrauličkim čekićem i

strojevi s glodačima ili diskovima na pokretnoj glavi.

Strojevi za iskop cijelog tunelskog otvora vrše iskop u punom profilu.

U hrvatskoj tunelskoj praksi se nazivaju „krticama“, a u upotrebi je i

skraćenica TBM od engleskog Tunnel Boring Mashine.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

(a) (b) (c)

Primjeri višefaznog iskopa; u 2 faze (a), u 3 faze (b), u 4 faze (c)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Bagerima na koje su priključeni hidraulički čekići vrši se iskop

stijenskih masiva lošije. Hidrauličkim čekićima postiže se precizniji

iskop nego miniranjem, uz manje oštećenje stijenske mase.

Povećanjem energije udarca čekića postiže se veća efikasnost i

smanjiuje vrijeme izvedbe iskopa.

Bager s hidrauličkim čekićem



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Za materijale na prijelazu između tla i stijena mogu se umjesto čelića

koristiti obrnute lopate .

Bager s obrnutom lopatom



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Strojevima s glodačima na pokretnoj glavi vrši se iskop u stijenskoj

masi lušije i srednje kvalitete, ali se mogu koristiti i u čvrstim

stijenama.

Stroj s glodačem na

pokretnoj glavi



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Strojevima s diskovima na pokretnoj glavi vrši se iskop u čvrstoj

stijenskoj masi. Pokretljivost im je velika kao i kod strojeva s

glodačima ali manje oštećuju stijensku masu.

Stroj s diskom na

pokretnoj glavi



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

„Krticama“ ili TBM-om se može vršiti iskop u tlu i svim vrstama

stijena, od izrazito loših do čvrstih.

To su najsuvremeniji su strojevi za podzemni iskop.

Na njihovom čelu nalazi se jedna ili više rotirajućih reznih glava koje

vrše iskop.

Osim kružnog poprečnog presjeka postoji i eliptični, a kombinacijom

više rotirajućih glava mogu se dobiti različiti oblici poprečnog presjeka

iskopa.

Iskop se izvodi u pravcu odnosno s krivinama velikog radijusa

zakrivljenosti od 80 do 200 m.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Rotirajuća rezna glava ‘krtice’

‘Krtica’ velikog promjera



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Prednosti primjene TBM tehnologije:

1. Veća brzina napredovanja iskopa

2. Kontinuirani rad (iskop s istovremenom ugradnjom)

3. Manja oštećenja stijenske mase

4. Veća sigurnost rada

5. Potencijalno automatizirano daljinsko upravljanje

Nedostaci primjene TBM tehnologije:

1. Mogućnost iskopa samo kružnih poprečnih presjeka

2. Ograničena fleksibilnost u ekstremnim geološkim uvjetima

3. Dulje vrijeme mobilizacije

4. Veći kapitalni troškovi



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Strojevi za iskop u punom profilu odnosno TBM izrađuju se bez štita i

sa štitom. Strojevi bez štita se koriste u kompaktnoj čvrstoj stijenskoj

masi, kada stabilnost iskopa nije ugrožena.

TBM bez štita



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Štit je čelični cilindar promjera tunela, pod čijom se zaštitom vrši

iskop. Koristi se pri iskopu u raspucanoj stijenskoj masi lošije kvalitete,

kada je potrebno osigurati stabilnost nepodgrađenog tunela. Štitovi

mogu biti jednostruki i dvostruki. Kod dvostrukog štita duljina štita se

može mijenjati.

TBM sa štitom



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Štit može biti otvoren i zatvoren. Zatvoreni štit je sastavni dio

konstrukcije stroja, na čijem čelu se nalazi rotirajuća rezna glava koja

vrši iskop.

TBM sa

zatvorenim štitom



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Otvoreni štitovi su otvoreni prema čelu iskopa i omogućuju nesmetan

iskop strojem. Na čelu imaju rotirajuče teleskopske glodače ili bagere s

hidrauličkim čekićem ili obrnutom lopatom.

TBM s otvorenim štitom



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Otvoreni štitovi su otvoreni prema čelu iskopa i omogućuju nesmetan iskop

strojem. Ako se pojavi problem prodora podzemne vode izvodi se štit s

komprimiranim zrakom.

Zatvoreni štit se koristi isključivo sa strojevima za iskop tunela u punom

profilu (‘krticama’), gdje je štit sastavni dio stroja.

Kod otvorenih štitova stabilnost čela se može održavati komprimiranim

zrakom, metalnim pločama, ili ostavljanjem rampe.

Štitovi mogu biti jednostruki i dvostruki. Kod dvostrukog štita duljina štita

se može mijenjati.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Još jedna od prednosti strojeva za iskop u punom profilu je ta što većina njih

ima mehanizam koji iza sebe postavlja prefabricirane betonske i

armiranobetonske elemente kao oblogu. Kako glava stroja napreduje, tako se

stroj opire o postavljene elemente obloge. Time se postiže veća efikasnost i

brzina gradnje. Problem se javlja ako je stijena premekana i time nedovoljna

za ostvarivanje reakcije potrebne za guranje TBM stroja prema naprijed.

Shema rada ‘krtice’



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

U teškim geološkim uvjetima (najčešće kod tla i stijena niske čvrstoće

i s velikim priljevom podzemne vode), strojevi za iskop u punom

profilu redovito imaju štit. Ovisno o geološkim uvjetima oni se dijele

na:

i. Hidroštit

(Hydro shield ili Slurry shield)

ii. Štit kod kojeg iskopano tlo služi za stabiliziranje čela iskopa

(Earth pressure balanced shield, EPBS)

ii. Štit za iskop različitih geoloških formacija kojim je moguće

kopati sve geološke materijale, ali se ne upotrebljava ako je

cijela dužina tunela u stijeni.

(Mix face shield)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Kod hidroštita čelo iskopa se stabilizira bentonitnom suspenzijom

koja se doprema izvana. Transport iskopanog tla vrši se hidrauličkim

putem pumpanjem bentonitne suspenzije i tla. Upotrebljava se pri

iskopu u svim vrstama tla.

Štit kod kojeg iskopano tlo služi za stabiliziranje čela iskopa, EPBS,

koristi iskopano tlo kojemu se mogu dodavati aditivi da bi se postigla

potrebna fluidnost tla. Stroj održava pritisak tla – stabilizatora.

Primjenjuje se u iskopu glinenih tala.

Štitom za iskop različitih geoloških formacija je moguće kopati sve

geološke materijale, ali se ne upotrebljava ako je cijela dužina tunela u

stijeni.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Kod hidroštita čelo iskopa se stabilizira bentonitnom suspenzijom

koja se doprema izvana. Transport iskopanog tla vrši se hidrauličkim

putem pumpanjem bentonitne suspenzije i tla. Upotrebljava se pri

iskopu u svim vrstama tla.

Shema rada hidroštita



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Štit kod kojeg iskopano tlo služi za stabiliziranje čela iskopa, EPBS,

koristi iskopano tlo kojemu se mogu dodavati aditivi da bi se postigla

potrebna fluidnost tla. Stroj održava pritisak tla – stabilizatora.

Primjenjuje se u iskopu glinenih tala.

Shema rada EPBS-a



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Mikrotuneliranje

Za potrebe polaganja vodovodnih i kanalizacijskih instalacija u

gradovima razvijeni su strojevi promjera od 0.2 do 3 m, koji mogu

raditi kao strojevi za iskop punog profila, ali i na principu bušenja.

Prednost im je u velikom reduciranju količine iskopa, neporemećenju

prometa u gradu i zadržavanju razine podzemne vode.

Mikrotuneli se najčešće podgrađuju prefabriciranim elementima koji se

potiskuju hidrauličkim prešama.

Mirotunel



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Često se strojevi za mikrotuneliranje nazivaju Microtunnel Boring

Machine (MTBM) i njima se upravlja daljinski.

Tehnologija je razvijena u Japanu u ranim 70tim godinama prošlog

stoljeća za promjenu kanalizacijskog sustava u urbanim područjima.

Početkom 80tih godina je primjenu našla u Sjevernoj Americi, a danas

se mikrotuneliranje se koristi diljem svijeta.

Tehnologija se odlikuje velikom preciznošću izvedbe (manje od 2 cm

na 100 m).

Međutim, strojevi za mikrotuneliranje su relativno skupi i tek manji

broj izvođača ima velika iskustva s primjenom ove tehnologije.

Tehnologija može biti riskantna ako se tijekom izvedbe pojave

određene prereke ili neočekivane promjene u tlu.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Izvedba mikrotunela



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Cut and cover metoda

Tuneli na malim dubinama, kao što su brze linije ispod urbaniziranih

sredina ili kopnene sekcije podvodnih tunela (ulaz i izlaz iz

podvodnog tunela) se obično izvode cut-and-cover metodom.

Dvije su varijante izvođenja tunela cut and cover metodom:

a) top-down varijanta

b) bottom-up varijanta



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Slika prikazuje dvije varijante izvođenja cut and cover metodom.

Kod Bottom-up izvedbe je konačna konstrukcija neovisna o sustavu

kojim se štiti iskop, dok je kod Top-down metode zaštitna

konstrukcija dio konačnog tunelskog sustava.

Cut and cover metoda: Bottom-up (a) i Top-down (b)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Bottom-up izvedba počinje izvedbom iskopa koji se štiti zaštitnim

mjerama. Zatim se izvodi konstrukcija tunela i iskop se zatrpava.

Važno je napomenuti da je kompletna konstrukcija tunela izvedena

prije nego li se tunel zatrpa.

Osim što je moguće korištenje vertikalnog iskopa i sustava zaštite

(najčešće razuprte potporne konstrukcije, talpe ili pilotni zid) moguća

je i izvedba iskopa u širokom iskopu.

Izvedba tunelskih elemenata se vrši na licu mjesta ili se polažu

prefabricirane tunelske cijevi.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Bottom-up izvedba s potpornim sustavom (gore) u širokom iskopu (dolje)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Prednosti Bottom-up metode su:

1. Konvencionalna metoda koja je već dugi niz godina u praksi i

postoji velika iskustvena baza.

2. Sprečavanje dotoka vode. Drenažni sustav se izvodi izvan

konstrukcije tunela i povezan je sa zaštitnom konstrukcijom.

3. Područje iskopa je dostupno za opremu kojom se vrši izvedba tunela

te za dopremu i skladištenje materijala izvedbe.

Nedostaci Bottom-up metode su:

1. Nešto veći prostor je potreban nego pri izvedbi Top-down metodom.

2. Površina se ne može vratiti u prvobitni oblik sve dok kompletna

konstrukcija nije izvedena.

3. Zahtijeva sustav zaštite koji može znatno poskupiti cijelu izvedbu.

4. Potreba za snižavanjem podzemne vode može imati negativan

utjecaj na okolne građevine.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Pri Top-down izvedbi prvo se izvode tunelski zidovi na sličan način

kao i AB dijafragme za zaštitu iskopa (iskopa rova i njegova

privremena stabilizacija bentonitnom smjesom), a često se izvodi i

sustav sekantnih pilota kao zaštitna konstrukcija.

Nakon toga se izvodi krovni dio koji se povezuje sa zidovima te je već

u ovoj fazi moguće površinu dovesti u fazu u kojoj je bila prije iskopa.

Zatim slijedi iskopa tunela i izvedba preostalih elemenata tunela (donja

ploča i eventualni predgradni zidovi).

Kod širih tunela, privremeni ili trajni piloti ili zidovi se izvodi na

sredini tunela da se smanji raspon krovne ili temeljne ploče.

Iskopani materijal se odvodi kroz ulaz ili izlaz tunela, a u nekim

slučajevima se ostave otvori u krovnoj ploči kroz koje se zatim

iskopani materijal transportira van tunela.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Top-down izvedba s potpornim sustavom kao sastavnim dijelom tunela



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Prednosti Top-down metode su:

1. Omogućuje rano uspostavljanje stanja na površini terena.

2. Privremene potporne konstrukcije su ujedno i stalne konstrukcije

zida tunela.

3. Gornja i donja ploča služe kao razuporni sustavi i nije potreban

sustav razupiranja koji može poskupiti izvedbu.

4. Zahtijeva manji prostor nego Bottom-up metoda.

5. Omogućuje ‘preklapanje’ radnih aktivnosti a time i bržu izvedbu.

Nedostaci Top-down metode su:

1. Izolacija od vode je povezana s konstrukcijom tunela (za razliku od

Bottom-up metode). Moguće curenje vode na spojevima ploča i

zidova.

2. Složene veze zidova s gornjom i donjom pločom.

3. Ograničen pristup strojevima tijekom izvedbe (kroz portale ili okna).

4. Ograničen je prostor za izvedbu svih tunelskih elemenata.



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Cut and cover metoda u uskim rovovima (lijevo i gore desno), te u širokom iskopu (dolje desno)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Uronjeni tuneli

Tehnologija izvedbe uronjenih tunela je potpuno različita od ostalih

tehnologija izvođenja.

U prvom koraku se vrši

iskop vodnog korita na

način prikazan na slici.

Iskop vodnog korita



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Tunelski elementi se izvode na suhom, bilo na posebnom izvedenom

platou na lokaciji, na posebnom brodu-platformi ili u tvornici (treba u

obzir uzeti visoku cijenu transporta kod tvorničke izrade).

Izvedba prefebraciranih elemenata potopljenih tunela (1)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Izvedba prefebraciranih elemenata potopljenih tunela (2)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Izvedeni tunelski elementi se transportiraju do mjesta ugradnje,

obično plutajući a ponekad na baržama ili potpomognuti dizalicama.

Tunelski element se zatim polaže na dno iskopanog rova.

Transport (lijevo) i polaganje tunelskih elemenata (desno)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Novi element se polaže kao nastavak na prethodno položeni element.

Voda se zatim crpi iz prostora između predgrada elemenata (nakon

što se izvedu na krajevima elemenata se nalaze predgradni zidovi).

Zatim se izvede brtvljenje spoja dva elementa.

Elementi s predgradama (a), brtvljenje prostora između elemenata (b i c)

(a) (b)

(c)



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Slijedi zatrpavanje rova.

Pristupne konstrukcije se izvode na obalnom dijelu nakon izvedbe

tunela, a moguća je čak i njihova izvedba za vrijeme izvedbe tunela.

Zatrpavanje postavljenih elemenata



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Prednost uronjenih tunela je u činjenici da ne moraju nužno biti

kružnog poprečnog presjeka već razne varijante mogu biti izvedene.

Ovo je značajno kod širokih tunela koje zahtijevaju autoceste ili

kombiniranih tunela cesta/željeznica.

Raznovrsnost poprečnih presjeka potopljenih tunela



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Potopljeni tuneli mogu se izvesti odmah ispod plovnog puta, dok su

bušeni tuneli stabilni tek ako se nalaze bar jednu duljinu promjera

ispod vode. Ovo omogućava, uzimajući u obzir i pristupne puteve,

kraću ukupnu duljinu potpoljenih tunela u odnosu na bušene tunele ili

pak u odnosu na neko drugo rješenje kao što je most.

Duljina i položaj uronjenih tunela u odnosu na druge varijante



ZAVOD ZA GEOTEHNIKU

Uronjeni tuneli se mogu izvesti u uvjetima u tlu koja isključuju

mogućnost izvedbe bušenih tunela ili je čine ekstremno skupom.

Takvi uvjeti uključuju mekane riječne (aluvijalne) depozite

karakteristične za riječne estuarije.

Uronjeni tuneli mogu biti projektirani na način da se efikasno nose sa

silama i pomacima u potresnim uvjetima.

Izvođenje bušenih tunela je kontinuirani proces u kojem bilo kakav

veći problem uzrokuje kašenjenje cijelog projekta. Kod uronjenih

tunela, tri glavna procesa (kopanje rova, izvođenje elemenata,

instalacija elemenata) se mogu odvijati paraleleno te je rizik od

produženja roka izvedbe minimalan.

diplomski sveučilišni studij · 2020-01-24 · • metoda glatkog miniranja (smooth-wall...

Documents