TUNELSKA GRAĐEVINA UREĐAJA ZA PROČIŠĆAVANJE OTPADNIH VODA U OPATIJI

MARIJAN ŠTEKOVIĆVIADUKT PROJEKT D.O.O.

IVAN ARAPOVGRAĐEVINSKI FAKULTET

NUMERIČKO MODELIRANJE U PODZEMNOJ GRADNJI

STRUČNO-ZNANSTVENI SKUP

DANI PODZEMNE GRADNJE 2011HRVATSKA DOSTIGNUĆA U PODZEMNOJ GRADNJI

06.-07. SRPNJA 2011, ZAGREB

Uređaj za pročišćavanje otpadnih voda grada Opatije smješten na lokalitetu Punta Kolova između predjela Punta Kolova i Ičića u blizini postojećeg dugog podmorskog ispusta.

LOKACIJA TUNELSKE GRAĐEVINE

UPOV je centralni dio jedinstvenog kanalizacijskog sustava područja od Matulja na sjeveru do Medveje na jugu. Ukupni projektirani kapacitet je 58300 ES. Svrha građenja UPOV-a je određena potrebama gradske zajednice u okviru priobalne aglomeracije koju treba opsluživati, i prirodnog okoliša koji treba štititi, a može se odrediti s nekoliko osnovnih načela zaštite okoliša od zagađivanja otpadnim vodama:

• zaštita obalnog mora za turističke namjene.

• osiguranje ekološke stabilnosti okoliša i održivog razvoja na području Liburnijske rivijere - Riječkog zaljeva, te zaštita zdravlja žitelja svih naselja i posjetitelja.

• zaštita morskog prostora Riječkog zaljeva.• zaštita podzemlja, podzemnih voda i bujičnih tokova.

Radi nedostatka adekvatne lokacije, te sveukupne zaštite okoliša od popratnih neugodnih utjecaja (vizualnih, na čistoću zraka i sl.), UPOV je smješten u potpuno zatvoreni prostor (“slijepi” tunel), a da bi se tehničkim mjerama i raspoloživom zaštitnom opremom moglo maksimalno kontrolirati i prema sveukupnim potrebama okoline upravljati tim štetnim utjecajima.

U svrhu izrade projekata izvedeni su kompleksni geotehnički istražni radovi na širem području UPOV-a. Istražni radovi provedeni su u cilju inženjersko-geološke karakterizacije predmetne lokacije, a zbog adekvatnog projektiranja građevine tunelskog prostora u stijenskoj masi za smještaj uređaja za pročišćavanje otpadnih voda. U sklopu tih radovaobavljena su istražna bušenja, te geofizička i laboratorijska ispitivanja.

Na temelju rezultata geološkog kartiranja i istražnog bušenja ustanovljeno je da je obrađena lokacija pretežito stjenovite građe: karbonatna stijenska masa s tankim i glinovitim pokrivačem. Karbonatnu stijensku masu izgrađuju vapnenci, kristalaste do mikrobrečaste strukture i tamnosive boje. Prema stratigrafskoj pripadnosti pripadaju donjokrednoj epohi (K1). Vapnenci su prošarani žilicama bijelog kalcita i mjestimično su dolomitični.

Stijenska masa cijelom trasom tunela spada u IV (slabu) kategoriju stijenske mase. Razlikuju se dvije zone:• trošna zona stijenske mase, koja zauzima površinski dio

terena s debljinom od 1 do 9 metara ovisno o položaju i pripadnom vrijednošću RMR = 25. Profil tunela ne prolazi kroz trošnu zonu, već ona predstavlja značajan dio nadsloja tunela.

• zona osnovne stijene, koja se proteže ispod trošne zone, s vrijednošću Geomehaničke klasifikacije RMR = 38.

Uvažavajući inženjersko-geološka i geotehnička svojstva terena na predmetnoj lokaciji, koja su utvrđena terenskim i laboratorijsk.istražnim radovima, proveden je izbor parametara čvrstoće stijenske mase. Fizikalno-mehaničkiparametri stijenske mase proračunati su uz pomoću Hoek-ovog empirijskog kriterija krutosti, odnosno ekvivalentnog Mohr-Coulombovog kriterija čvrstoće, na osnovu jednoosne čvrstoće dobivene laboratorijskim ispitivanjima i vrijednosti geološkog indeksa čvrstoće (GSI – Geological Strength Index).

Uzimajući u obzir dosadašnja iskustva na izvedbi tunela u Republici Hrvatskoj, odnosno rezultate geotehničkih mjerenja deformacija u okolini podzemnih otvora tijekom izvedbe, te na osnovu njih provedenih povratnih numeričkih analiza u cilju dobivanja stvarnog modula deformabilnosti stijenske mase, za numeričke analize usvojen je modul deformabilnosti u iznosu Em=100 MPa za trošnu zonu stijenske mase, te Em=400 MPa za zonu osnovne stijene, što je značajno manje od modulakrutosti stijenske mase dobivenim Hoek-ovim kriterijem.

Za potrebe geotehničkog projektiranja predmetnog tunela UPOV-a Opatija, na razini glavnog projekta, primijenjena je metodologija integriranog geotehničkog projektiranja u tunelogradnji.

Metodologija integriranog geotehničkog projektiranja objedinjuje empirijski, racionalni i promatrački pristup projektiranju geotehničkih konstrukcija u tunelogradnji, omogućavajući projektantu temeljito i sveobuhvatno sagledavanje i rješavanje problema, svodeći pri tom na minimum pogreške koje mogu nastati uslijed nedostataka svakog pojedinog pristupa.

Empirijski pristup projektiranju tunela temelji se na iskustvu stečenom prilikom realizacije prijašnjih projekata. Osnovu takvog pristupa čine inženjerske klasifikacije stijenskih masa, koje omogućuju sistematizaciju stečenih iskustava glede odnosa kvaliteta stijenske mase, načina iskopa i zahtijevane podgrade u tunelu. U okviru metodologije integriranog geotehničkog projektiranja klasifikacije predstavljaju polaznu osnovu za određivanje prognoznih podgradnih sklopova. Pristup obuhvaća metode i procedure u rasponu od jednostavnih iskustvenih pravila kao što su odnosi dužine sidara i dimenzija podzemnih iskopa do složenih klasifikacija stijenskih masa s detaljnim preporukama za podgrađivanje tunela.

Kategoriziranje stijenskih masa, u cilju određivanja pripadnih podgradnih sustava tunela, provodio se prema Geomehaničkoj klasifikaciji (Bieniawski, 1979) i Q klasifikaciji (Barton, Lien, Lunde, 1974, Grimstad, Barton, 1993).

Na osnovi rezultata klasificiranja, numeričkih analiza i dosadašnjeg iskustva na izvedenim tunelima određen je prognozni podgradni sklop „slijepog tunela“ UPOV-a Opatija, odnosno određene su sve mjere na stabilizaciji podzemnog iskopa čime je završena prva faza projektiranja.

Podgradni sklopovi, kao i preporuke svih mjera na iskopu i stabilizaciji iskopa tunela za postrojenje UPOV-a Opatija, usvojeni su za stijensku masu IV kategorije, a prema dosadašnjim iskustvima na izvedenim tunelima, prema preporukama iz Geomehaničke i Q klasifikacije.

Podgradni sklop tunela sastoji se od podgradnogsklopa ulaznog portala, osnovnog podgradnog sklopatunela i podgradnog sklopa završnog čela iskopa.

Podgradni sklop ulaznog portala:• mlazni beton, d=30cm• dvije armaturne mreže, Q-221• IBO SIDRA R32/20, L=5m, na

rasteru 1.0×2.0m• rešetkasti čelični nosači, Pantex

130/20/30 na rasteru 1.0m• pipe roof, čelične cijevi,

114.3/6.3, L=12 m, α=1º• mlazni beton čela iskopa, d=5cm

Osnovni podgradni sklop tunela:• mlazni beton, d=30cm• dvije armaturne mreže, Q-221• samobušeća injekcijska sidra tip

IBO R32/20, L=6m, na rasteru 1.5×2.0m

• rešetkasti čelični nosači, Pantex 130/20/30 na rasteru 1.5m

• mlazni beton čela iskopa, d=5cm

Zbog velike površine iskopa od 212 m2 (cca. 16×14m) i složenog poprečnog presjeka u konstruktivnomsmislu, iskop tunela se morao izvoditi u više faza.

Navedene poprečne dimenzije otvora iskopa zahtijevaju posebni tehnološki pristup cijelokupnom izvođenju ukopanog objekta.Izradom radnog platoa UPOV-a na kotu 5.2m, započinju radovina izradi tunelske građevine. Prvi korak je iskop dijela stijenske mase koji po položaju odgovara prostoru iznad etažne ploče. Predviđen je iskop postupkom miniranja uz napredovanje od 1.0m do 1.5m. Izrada primarne podgrade obvezni je dio svakog ciklusa iskopa.

Slijedi miniranje sredine donjeg dijela tunela, izrada međukatne konstrukcije (etažna ploča s gredama), koja je u ovoj fazi isključivo u ulozi razupore, uz polaganjehidroizolacije na lice primarne podgrade.

Slijedeći korak obuhvaća betoniranje sekundarneobloge u jednostranoj oplati, a nakon toga nastavakbetoniranja obloge, ali u tunelskoj oplati.

Slijedi daljnji iskop radnog platoa do kote -0.7m.

Postupak potkopavanja predviđen je na način da se ukupna širina ispod ploče iskopava u tri koraka tj. postupno trećinu po trećinu. Prvi korak je iskop trećine u sredini raspona ploče gdje dolazi armiranobetonski stup koji se odmah i izrađuje. Zahvaljujući stupu u sredini, te monolitnoj povezanosti ploče sa gornjom sekundarnom oblogom može se pristupiti uklanjanju preostalih dviju trećina.

Dubina napredovanja iskopa svake od trećine ograničava se na 3.0m. Završetku iskopa svake od rubne trećine mora slijediti izrada vertikalne armirane primarne podgrade od mlaznog betona u vidu oslonca i produžetka primarne podgrade svoda. Također odmah se uz primarnu oblogu izrađuje i sekundarna obloga kao dodatni oslonac ploče i greda etaže. Na ovaj način postupno se oslobađa prostor ispod ploče u punoj dužini tunela.

Dokaz stabilnosti proveden je uz pomoć kompjuterskog programa Itasca FLAC2D. Proračun stabilnosti podgradnog sustava je proveden za karakteristični poprečni presjek u IV kategoriji stijenske mase. Faze proračuna su usklađene sa fazama izvedbe. Provedenim numeričkim, geostatičkim analizama dokazana je stabilnost usvojenih podgradnih sklopova.

FLAC (Version 5.00)

LEGEND

27-Dec-10 20:30 step 19442 -2.778E+01 <x< 2.778E+01 -4.728E+01 <y< 8.278E+00

Y-displacement contours -1.50E-02 -1.00E-02 -5.00E-03 0.00E+00 5.00E-03 1.00E-02

Contour interval= 5.00E-03

-4.000

-3.000

-2.000

-1.000

0.000

(*10^1)

-2.000 -1.000 0.000 1.000 2.000(*10^1)

JOB TITLE : Ydisp

FLAC (Version 5.00)

LEGEND

27-Dec-10 20:30 step 19442 -2.778E+01 <x< 2.778E+01 -4.728E+01 <y< 8.278E+00

X-displacement contours -4.00E-03 -3.00E-03 -2.00E-03 -1.00E-03 0.00E+00 1.00E-03 2.00E-03 3.00E-03 4.00E-03

Contour interval= 1.00E-03

-4.000

-3.000

-2.000

-1.000

0.000

(*10^1)

-2.000 -1.000 0.000 1.000 2.000(*10^1)

JOB TITLE : Xdisp

Unutrašnje sile u podgradnim elementima, te karakterističnetočke histograma i histogram tjemene točke tunela.

FLAC (Version 5.00)

LEGEND

8-Jan-11 15:06 step 19105 -1.427E+01 <x< 1.449E+01 -3.433E+01 <y< -5.574E+00

Boundary plot

0 5E 0

Beam PlotMoment onStructure Max. Value# 1 (Liner) -5.637E+04#15 (Beam ) -2.593E+04#16 (Beam ) -5.154E+03#17 (Beam ) -4.626E+03Beam plotLiner plotCable plot

-3.000

-2.500

-2.000

-1.500

-1.000

(*10^1)

-1.000 -0.500 0.000 0.500 1.000(*10^1)

JOB TITLE : Momenti

FLAC (Version 5.00)

LEGEND

8-Jan-11 15:06 step 19105 -1.478E+01 <x< 1.469E+01 -3.433E+01 <y< -4.855E+00

Cable Plot# 2 (Cable) -6.312E+04# 3 (Cable) -6.402E+04# 4 (Cable) -6.486E+04# 5 (Cable) -6.263E+04# 6 (Cable) -6.228E+04# 7 (Cable) -6.606E+04# 8 (Cable) -6.398E+04# 9 (Cable) -6.476E+04#10 (Cable) -6.239E+04#11 (Cable) -6.178E+04#12 (Cable) -6.513E+04#13 (Cable) -5.805E+04#14 (Cable) -6.047E+04#18 (Cable) -4.313E+04#19 (Cable) -7.210E+04#20 (Cable) -5.131E+04#21 (Cable) -6.678E+04Boundary plot

-3.000

-2.500

-2.000

-1.500

-1.000

(*10^1)

-1.000 -0.500 0.000 0.500 1.000(*10^1)

JOB TITLE : Sidra

FLAC (Version 5.00)

LEGEND

8-Jan-11 15:06 step 19105 -1.059E+01 <x< 1.061E+01 -3.291E+01 <y< -1.171E+01

Grid plot

0 5E 0

Liner plot

2: 32.00 m.n.m.

4: 26.00 m.n.m.

3: 32.00 m.n.m.

5: 26.00 m.n.m.

1: 36.60 m.n.m.

2: 32.00 m.n.m.

4: 26.00 m.n.m.

1: 36.60 m.n.m.

5: 26.00 m.n.m.

3: 32.00 m.n.m.

-3.000

-2.600

-2.200

-1.800

-1.400

(*10^1)

-0.800 -0.400 0.000 0.400 0.800(*10^1)

JOB TITLE : Karakteristicne tocke histograma

FLAC (Version 5.00)

LEGEND

8-Jan-11 15:06 step 19105 HISTORY PLOT Y-axis : 1 Y displacement( 39, 46) X-axis :Number of steps

4 6 8 10 12 14 16 18

(10 ) 03

-1.400

-1.200

-1.000

-0.800

-0.600

-0.400

-0.200

(10 )-02

JOB TITLE : Vertikalni pomak tocke 1

S obzirom na dosadašnja iskustva na izvedenim tunelima u Republici Hrvatskoj (mjerenja su ukazala na znatne prirastenaprezanja i deformacija za vrijeme eksploatacije kako u primarnoj podgradi tako i u sekundarnoj oblozi), u sklopu analiza provedena je i simulacija otkazivanja sidara tijekom eksploatacije, nakon čega sekundarna obloga preuzima dioopterećenja nakon preraspodjele naprezanja u okolinipodzemnog otvora.

FLAC (Version 5.00)

LEGEND

8-Jan-11 15:07 step 21709 -1.419E+01 <x< 1.455E+01 -3.432E+01 <y< -5.588E+00

Displacement vectorsscaled to max = 2.000E-03max vector = 2.117E-03

0 5E -3

Boundary plot

0 5E 0

Beam plotCable plotLiner plot

-3.000

-2.500

-2.000

-1.500

-1.000

(*10^1)

-1.000 -0.500 0.000 0.500 1.000(*10^1)

JOB TITLE : Vektori pomaka

FLAC (Version 5.00)

LEGEND

8-Jan-11 15:07 step 21709 -9.286E+00 <x< 9.286E+00 -3.149E+01 <y< -1.291E+01

Beam PlotStructural DisplacementMax Value = 4.357E-03Beam plot

-3.000

-2.800

-2.600

-2.400

-2.200

-2.000

-1.800

-1.600

-1.400

(*10^1)

-8.000 -6.000 -4.000 -2.000 0.000 2.000 4.000 6.000 8.000

JOB TITLE : Pomaci elemenata nakon otkazivanja sidara

Rezultati numeričkih geostatičkih analiza ukazali su na sljedeće zaključke (kraj izgradnje tunela):

• Rezultati ukazuju na zaključak da nije došlo do prekoračenja čvrstoće stijenske mase u takvoj mjeri koja bi uzrokovala otkazivanje primarnog podgradnog sklopa. Maksimalni vertikalni pomak iznosi cca. 16mm, dok maksimalni horizontalni pomak iznosi cca. 5mm.

• Proračunate vrijednosti unutrašnjih sila u strukturalnim elementima (primarna podgrada, sekundarna obloga, AB ploče i temelji) su u granicama očekivanih.

• Vrijednosti ostvarenih sila u sidrima kretale su se u rasponu od 43-72 kN, što je značajno manje od čvrstoće samih sidara.

U tablici su prikazane proračunate vrijednosti pomaka karakterističnih točaka u vertikalnom i horizontalnom smjeru. Koordinate karakterističnih točaka odgovaraju koordinatama karakterističnih točaka kontrolnog profila, odnosno mjestima ugradnje geodetskih repera, tako da podaci dalje služe za verifikaciju stabilnosti primarnog podgradnog sklopa u okviru primijenjene metodologijeintegriranog geotehničkog projektiranja u tunelogradnji.

POMACI KARAKTERISTIČNIH TOČAKA TIJEKOM ISKOPA [mm]

TOČKA 1 FAZA 2 FAZA 3 FAZA 4 FAZA

1 13.0 13.0 15.0 16.0

2 0.8 1.0 2.0 1.6

3 0.8 1.0 0.6 1.5

4 - - 5.0 4.6

5 - - - 4.5

Rezultati numeričke analize za eksploatacijsko razdoblje, gdje je provedena simulacija otkazivanja primarne podgrade, odnosno sidara, ukazali su na značajan prirast deformacija. Maksimalni ostvareni vertikalni pomak zbog otkazivanja primarne podgrade iznosi cca. 2.1mm, što znači da je došlo do prirasta deformacija od cca. 13.5%, dok je prirast maksimalnog horizontalnog pomaka praktički zanemariv.

Proračun osnovne konstrukcije proveden je u programskom paketu SOFiSTiK, a u cilju dokazivanja nosivosti osnovnih konstruktivnih elemenata. Statički model osnovne konstrukcije ne uključuje analizu nosivosti primarne podgrade, već samo sekundarne obloge, etažne ploče i stupova. U sklopu proračuna osnovne konstrukcije proveden je dokaz graničnih stanja uporabivosti, za stanja tlačnih naprezanja u betonu i vlačnih naprezanja u mekoj armaturi, te dokaz graničnih stanja nosivosti.

Opterećenja korištena u statičkom proračunu dijele se na stalno opterećenje, opterećenje od uređaja za pročiščavanje otpadnih voda i prateća oprema, korisno opterećenje, te opterećenje stijenske mase (u vidu prisilnih pomaka) na sekundarnu oblogu zbog otkazivanja sidara.

U okviru stalnog opterećenja djeluje vlastita težina koja djeluje sukcesivno u fazama građenja. Opterećenje se računa automatski (iz poprečnih presjeka) i to uzimajući u obzir svaku fazu gradnje posebno. Također djeluje dodatni stalni teret koji se usvaja se u iznosu od 1.5kN/m2.

Opterećenja uređaja za pročišćavanje usvajaju se prema uputama projektanta sustava i to uređaji 1, 52kN/kom, uređaji 2, 200kN/kom, te kranska dizalica pod maksimalnim opterećenjem od 50kN (teret) + 20kN (vlastita težina).

Korisno opterećenje se usvaja u iznosu od 2.0kN/m2.

Iako sekundarna obloga, prema osnovnim načelima NATM-e,nema ulogu preuzimanja značajnijih opterećenja ipak se pretpostavilo preuzimanje određenog dijela opterećenja nastalog preraspodjelom naprezanja zbog otkazivanja sidara, a u skladu s numeričkom analizom provedenom u geostatičkom dijelu proračuna stabilnosti. Geostatička analiza u slučaju otkazivanja ugrađenih sidara (moguće otkazivanje zbog korozije, SCC-a) ukazala je na deformaciju ruba otvora prema donjoj slici.

FLAC (Version 5.00)

LEGEND

8-Jan-11 15:07 step 21709 -1.419E+01 <x< 1.455E+01 -3.432E+01 <y< -5.588E+00

Displacement vectorsscaled to max = 2.000E-03max vector = 2.117E-03

0 5E -3

Boundary plot

0 5E 0

Beam plotCable plotLiner plot

-3.000

-2.500

-2.000

-1.500

-1.000

(*10^1)

-1.000 -0.500 0.000 0.500 1.000(*10^1)

JOB TITLE : Vektori pomaka

S obzirom da se dimenzioniranje sekundarne obloge provodilo na modelu koji je neovisan od geostatičkog modela, bilo je potrebno odrediti ekvivalentno opterećenje na oblogu koje uzrokuje približno ovakve pomake.

Na şljedećim slikama prikazan je dio rezultata statičke analize, u grafičkom obliku, u vidu momenata My-y za sekundarnu oblogu, ploču etaže, te stupove i grede.

Momenti u ploči etaže.

Momenti u stupovima i gredama.

ZAKLJUČAK:

Radi nedostatka adekvatne lokacije, te sveukupne zaštite okoliša od popratnih neugodnih utjecaja (vizualnih, na čistoću zraka i sl.), centralni uređaj za pročišćavanje otpadnih voda smješten je u potpuno zatvoreni prostor (“slijepi” tunel), a da bi se tehničkim mjerama i raspoloživom zaštitnom opremom moglo maksimalno kontrolirati i prema sveukupnim potrebama okoline upravljati tim štetnim utjecajima.

U cilju provođenja numeričkih, geostatičkih analiza fizikalno-mehanički parametri stijenske mase usvojeni su uzimajući u obzir dosadašnja iskustva na izvedbi tunela u Republici Hrvatskoj. Provedenim numeričkim geostatičkim analizama dokazana je stabilnost usvojenih podgradnih sklopova.

Rezultati numeričke analize za eksploatacijsko razdoblje, gdje je provedena simulacija otkazivanja primarne podgrade, odnosno sidara, ukazali su na značajne priraste deformacija.

Iako sekundarna obloga, prema osnovnim načelima NATM-e, nema ulogu preuzimanja značajnijih opterećenja ipak se pretpostavilo preuzimanje određenog dijela opterećenja nastalog preraspodjelom naprezanja, zbog otkazivanja sidara. S obzirom da se dimenzioniranje sekundarne obloge provodilo na modelu koji je neovisan od geostatičkog modela, odredilo se ekvivalentno opterećenje na oblogu koje je uzrokovalo približno ovakve pomake.

U sklopu proračuna osnovne konstrukcije proveden je dokaz graničnih stanja uporabivosti, za stanja tlačnih naprezanja u betonu i vlačnih naprezanja u mekoj armaturi, te dokaz graničnih stanja nosivosti. Provedenim numeričkim analizama dokazana je stabilnost primarne podgrade, te elemenata osnovnog konstruktivnog sustava.

IZVEDBA TUNELA

HVALA NA PAŽNJI!!!