Μοντέλα όρυξης υπογείων έργων με μηχανήματα ολομετώπου και σημειακής κοπής

Abstract

To αντικείμενο της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής (ΔΔ) είναι η δημιουργία και επαλήθευση με πραγματικά δεδομένα ενός γρήγορου αλγόριθμου (μοντέλου) υπολογισμού στο χώρο και στο χρόνο της ειδικής ενέργειας κοπής (ενέργεια ανά μονάδα όγκου εξορυσσόμενου γεωϋλικού) μηχανημάτων μηχανικής όρυξης υπογείων έργων (στοές, κεκλιμένα, σήραγγες κ.λπ.) όπως είναι το ευέλικτο ερπυστριοφόρο μηχάνημα σημειακής κοπής (Roadheader, RH) και το μηχάνημα ολομέτωπης κοπής (Tunnel Boring Machine, TBM). Εφόσον η ταχύτητα διάτρησης (penetration rate) των υπογείων μετώπων για δεδομένο μηχάνημα δεδομένης ισχύος, είναι αντιστρόφως ανάλογη της ειδικής ενέργειας κοπής, τότε καθίσταται φανερό ότι ένα τέτοιο μοντέλο θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για την πρόβλεψη της απόδοσης του μηχανήματος κατά την λειτουργία του. Αφού επιτευχθεί αυτός ο στόχος, τότε η ειδική ενέργεια που υπολογίζεται από καταγραφές των μηχανημάτων αυτών κατά τη λειτουργία των, μπορεί να μετατραπεί σε παραμέτρους αντοχής της εδαφοβραχόμαζας με βάση κατάλληλη μαθηματική-μηχανική θεωρία που θα αναπτυχθεί για το σκοπό αυτό. Εν συνεχεία αυτές οι ποσοτικές εκτιμήσεις της αντοχής των ανομοιογενών γεωλογικών σχηματισμών μπορούν να παρεμβληθούν σε όλο το τριδιάστατο «γεωλογικό μοντέλο» με κατάλληλο γεωστατιστικό αλγόριθμο και σε συνδυασμό με μετρήσεις αντοχής σε πυρήνες δειγματοληπτικών γεωτρήσεων που έχουν γίνει από πριν, να βελτιωθεί το «γεωτεχνικό μοντέλο» (ground model) κατά την προχώρηση μιας σήραγγας ή στοάς. Οι θεωρίες που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή του αναλυτικού μοντέλου υπολογισμού της ειδικής ενέργειας στο χώρο και στο χρόνο των ειδικών εκσκαπτικών μηχανημάτων RH και TBM είναι οι εξής: (i) To Άνω Οριακό Θεώρημα και η θεωρία των γραμμών ολίσθησης (slip lines) της Θεωρίας Ιδεατής Πλαστικότητας (για εδαφικά, ημι-βραχώδη ή βραχώδη γεωϋλικά), (ii) η Θραυστομηχανική με κατάλληλο κριτήριο θραύσης μικτού τύπου (προκειμένου για ψαθυρά πετρώματα) σε συνδυασμό με αριθμητική μέθοδο των συνοριακών στοιχείων με ειδικά στοιχεία, και (iii) η Γεωστατιστική θεωρία παρεμβολής χωρικών δεδομένων. Η επαλήθευση του ολοκληρωμένου υπολογιστικού μοντέλου έγινε με επεξεργασία πραγματικών καταγραφών (logs) τέτοιων μηχανημάτων κατά την διάνοιξη τεσσάρων σηράγγων: (1) Τμήμα της γραμμής 9 του μετρό της Βαρκελώνης (Ισπανία) πλησίον του σταθμού Mas Blau εντός χαλαρών εδαφών με την χρήση μηχανήματος ολομέτωπου κοπής του τύπου εξισορρόπησης των γεωστατικών πιέσεων (ΕPB). (2) Των διδύμων σηράγγων στο Χονγκ-Κονγκ (Κίνα) με μικτού τύπου μηχάνημα ολομέτωπης κοπής (convertible ΤΒΜ) σε πετρώματα και χαλαρά εδάφη. (3) Της οδικής σήραγγας του Μόντρεαλ (Καναδάς) που διανοίχτηκε με μηχάνημα σημειακής κοπής RH σε πετρώματα, και (4) τη σήραγγα του Μπιλμπάο (Ισπανία) επίσης με RH. Τα δεδομένα των ανωτέρω καταγραφών προήλθαν από τις εταιρείες κατασκευής σηράγγων BOUYGUES (ΒYTP), Paris, France και Gestió d´Infraestructures, S. A. ISA (GISA), και κατασκευής μηχανημάτων RH (Sandvik Mining and Construction G.m.b.H., Austria) και μηχανημάτων TBM (Herrenknecht AG, Germany). Για την παρεμβολή των μηχανικών ιδιοτήτων των πετρωμάτων/εδαφών στην περιοχή γύρω και κατά μήκος της σήραγγας κατασκευάστηκαν τριδιάστατα διακριτοποιημένα με πεπερασμένα στοιχεία, γεωλογικά μοντέλα από το Τμήμα Γεωλογίας - Τομέας Δυναμικής Τεκτονικής και Εφαρμοσμένης Γεωλογίας του Πανεπιστημίου Αθηνών.