Budownictwo podziemne odgrywa coraz większą rolę w życiu człowieka. Zadania związane z budownictwem podziemnym muszą być realizowane przez właściwie przygotowanych geoinżynierów, posiadających odpowiednią wiedzę z zakresu mechaniki skał i gruntów, geologii, a w szczególności geologii inżynierskiej i hydrogeologii, geofizyki, materiałów budowlanych, w tym nowych materiałów o specjalnych własnościach (np. geosynteryków), metod wzmacniania gruntów i skał, górnictwa (metody drążenia, przewietrzania itp.), a także metod numerycznych (metody elementów skończonych, elementów brzegowych, różnic skończonych oraz elementów odrębnych), pozwalających na modelowanie i rozwiązywanie zagadnień inżynierskich.
W niniejszej książce autorzy starali się w sposób możliwie szeroki przedstawić zagadnienia związane z budownictwem podziemnym, znaczną jej część poświęcając budownictwu tunelowemu. Wyszli bowiem z założenia, że w budownictwie tunelowym koncentrują się prawie wszystkie problemy, z jakimi spotykamy się przy konstruowaniu innych budowli podziemnych. Szerokie ujęcie szeregu zagadnień wynika z konieczności przedstawienia czytelnikowi zarówno niezbędnej podbudowy naukowej, jak i podstaw z techniki i technologii budownictwa podziemnego i tunelowego. Wiele uwagi poświęcono zagadnieniu doboru metod rozpoznania masywów skalnych i wyznaczaniu ich własności fizyczno-mechanicznych. Na końcu każdego rozdziału zamieszczono obszerną literaturę, w której można znaleźć dodatkowe informacje na temat poruszanych zagadnień. Tematyka poszczególnych rozdziałów, jej zakres a także sposób przedstawiania zostały dobrane subiektywnie, ale są wynikiem doświadczeń nabytych podczas prowadzenia wykładów na Wydziale Górnictwa i Geoinżynierii AGH.
- Contents
-
PRZEDMOWA 11
1. WPROWADZENIE 12
1.1. Historia budownictwa podziemnego 12
1.2. Definicje związane z budownictwem podziemnym 17
1.3. Aktualne problemy budownictwa podziemnego 23
1.4. Czy budowa obiektów podziemnych (tuneli, metra) się opłaca? 35
1.5. Wymiary budowli podziemnych 38
1.6. Uwagi dotyczące wyboru trasy tunelu 40
1.7. Zakończenie 41
Literatura 422. PODSTAWY GEOINZYNIERII. CHARAKTERYSTYKA MASYWÓW SKALNYCH PRZED I PO WYKONANIU BUDOWLI PODZIEMNEJ 44
2.1. Wprowadzenie 44
2.2. Problemy inżynierii skalnej 49
2.3. Górotwór, masyw, skała, materiał skalny 53
2.4. Charakterystyka masywów skalnych 57
2.5. Procesy fizyczne zachodzące w masywie skalnym na skutek wykonywania budowli podziemnych 58
Literatura 603. ROZPOZNANIE SKAŁ I MASYWÓW SKALNYCH PRZY PROJEKTOWANIU WYROBISK PODZIEMNYCH I TUNELI 62
3.1. Wstęp 62
3.2. Rozpoznanie geoinżynierskie masywu skalnego 62
3.2.1. Badania wstępne 66
3.2.2. Badania szczegółowe dla wykonania projektu budowli podziemnej 69
3.3. Rozpoznanie warunków wodnych 87
3.4. Prowadzenie obserwacji masywu skalnego w czasie wykonywania i użytkowania budowli podziemnych 90
Literatura 924. PIERWOTNY STAN NAPRĘŻENIA W MASYWIE SKALNYM 95
4.1. Wstęp 95
4.2. Teoretyczna ocena pierwotnego stanu naprężenia 96
4.2.1. Wpływ wybranych czynników na wartość pierwotnego stanu naprężenia 100
4.3. Analiza wyników pomiarów in-situ pierwotnego stanu naprężenia 109
4.4. Metody pomiaru pierwotnego stanu naprężenia 112
4.4.1. Pomiar kierunków i wielkości naprężeń za pomocą płaskiej sondy (flatjack) 113
4.4.2. Pomiar kierunków i wielkości naprężeń poprzez hydroszczelinowanie (hydraulic fracturing) 114
4.4.3. Pomiar kierunków i wielkości naprężeń poprzez nacinanie otworu wiertniczego (borehole slotter) 117
4.4.4. Pomiar kierunków i wielkości naprężeń poprzez trepanację wgłębną (overcoring) 118
4.4.5. Ocena wielkości i kierunków naprężeń za pomocą emisji akustycznej (AE) 120
4.4.6. Ocena wielkości i kierunków naprężeń za pomocą analizy mechanizmu wstrząsu w ognisku 121
4.4.7. Ocena wielkości i kierunków naprężeń na podstawie obserwacji niszczenia otworów wiertniczych (borehole breakouts) 122
4.4.8. Inne metody pomiaru kierunków i wielkości naprężeń 124
4.5. Pomiary naprężenia a efekt skali 125
4.6. Wpływ kierunków i wielkości naprężeń poziomych na stateczność wyrobisk podziemnych 126
Literatura 1355. CHARAKTERYSTYKA WYBRANYCH WŁASNOŚCI SKAŁ I ICH WPŁYW NA ZACHOWANIE SIĘ MASYWU SKALNEGO 140
5.1. Wstęp 140
5.2. Badania laboratoryjne wybranych własności fizycznych 141
5.2.1. Gęstość skały 141
5.2.2. Porowatość skały 142
5.2.3. Przepuszczalność skał 146
5.2.4. Wodochłonność a wilgotność skał 149
5.2.5. Elektryczny opór właściwy skał 152
5.2.6. Prędkość rozchodzenia się fal sprężystych 154
5-2.7. Zwiercalność skał 158
5.3. Badania laboratoryjne wybranych własności mechanicznych 161
5.3.1. Pęcznienie skał 161
5.3.2. Rozmywalność skał 163
5.3.3. Mrozoodporność 164
5.3.4. Rozmakalność 165
5.3.5. Wytrzymałość na rozciąganie 166
5.3.6. Wytrzymałość na ścinanie 173
5.4. Zachowanie się przed- i pozniszczeniowe skał w jednoosiowym stanie
naprężenia 174
5.5. Charakterystyka przed- i pozniszczeniowa skał w złożonym stanie naprężenia 179
5.6. Wpływ czynnika czasu na zachowanie się skał 185
Literatura 1916. BADANIA POLOWE WYBRANYCH WŁASNOŚCI MASYWÓW SKALNYCH 198
6.1. Badania parametrów wytrzymałościowych 198
6.2. Badania parametrów odkształceniowych 208
Literatura 2247. MODELE GEOINZYNIERSKIE SKAŁ I MASYWÓW SKALNYCH 229
7.1. Wprowadzenie 229
7.2. Modele fizyczne 229
7.2.1. Modele geofizyczne 229
7.2.2. Modele geostrukturalne i modele spękań (Thiel, Zabuski, 1988) 232
7.2.3. Modele wodochłonności 233
7.3. Modele geoinżynierskie 234
7.3.1. Wstęp 234
7.3.2. Proste i złożone modele mechaniczne skał i masywów skalnych 234
7.3.3. Modele budowy geologicznej masywu skalnego 245
7.3.4. Modele geoinżynierskie dla celów projektowania 251
7A. Obliczanie metodami numerycznymi obciążenia na obudowę wyrobisk podziemnych i tuneli 253
7.4.1. Wstęp 253
7.4.2. Metoda elementów skończonych 255
7.4.3. Metoda różnic skończonych 257
7.4.4. Metoda elementów brzegowych 258
7.4.5. Metoda elementów odrębnych (Distinct Element Method) 261
7.4.6. Metoda bloków Goodmana i Shi 266
7.4.7. Przykłady określenia stanu naprężenia i przemieszczenia w otoczeniu kołowego tunelu zlokalizowanego w nieciągłym masywie skalnym 268
Literatura 2808. MECHANIKA ZNISZCZENIA SKAŁ I MASYWÓW SKALNYCH 293
8.1. Wprowadzenie 293
8.2. Kryteria wytrzymałościowe dla gruntów i skał 295
8.2.1. Ogólne rozważania o kryteriach wytrzymałościowych 295
8.2.2. Kryterium wytrzymałościowe Coulomba–Mohra (wg Izbicki, 1975) 304
8.2.3. Zmodyfikowane kryterium wytrzymałościowe Coulomba–Mohra (wg Izbicki, 1975) 309
8.2.4. Kryterium wytrzymałościowe Burzyńskiego 313
8.2.5. Kryterium wytrzymałościowe Hoeka–Browna 317
8.3. Wpływ wybranych czynników na wytrzymałość skał 317
8.4. Kryteria wytrzymałościowe dla skał anizotropowych 318
8.4.1. Kryterium Jaegera (pojedynczej płaszczyzny nieciągłości) 318
8.4.2. Rozszerzone kryterium wytrzymałościowe Hoeka–Browna 320
8.4.3. Kryterium wytrzymałościowe Bartona 320
Literatura 3219. WYTRZYMAŁOŚĆ NA ŚCINANIE MASYWÓW SKALNYCH 324
9.1. Wstęp 324
9.2. Własności odkształceniowe spękań 328
9.3. Wytrzymałość na ścinanie wzdłuż płaskiej powierzchni 329
9.4. Wytrzymałość na ścinanie dla szorstkiej powierzchni spękania 332
9.4.1. Laboratoryjne badania Pattona (1966) 332
9.4.2. Doświadczalne oszacowanie wytrzymałości na ścinanie 333
9.4.3. Określanie JRC przy pomocy metody nachylania bloczków skalnych 340
9.5. Dylatacja spękanych skał 342
9.6. Wytrzymałość na ścinanie nieciągłości wypełnionych innym materiałem 347
9.7. Model spękanego masywu skalnego 351
Literatura 35310. OPIS ZACHOWANIA SIĘ MASYWU SKALNEGO W OTOCZENIU WYROBISK PODZIEMNYCH NA PODSTAWIE WYNIKÓW POMIARÓW IN-SITU. METODA OBSERWACYJNA WYKONYWANIA TUNELI 355
10.1. Pomiary prowadzone podczas wykonywania budowli podziemnej 355
10.2. Wykorzystanie metody obserwacyjnej do drążenia tuneli 362
10.3. Zachowanie się masywu skalnego w otoczeniu budowli podziemnej w świetle przeprowadzonych pomiarów 367
Literatura 38011. WYKORZYSTANIE KLASYFIKACJI SKAŁ I GRUNTÓW DO PROGNOZOWANIA STATECZNOŚCI OBUDOWY WYROBISK PODZIEMNYCH 382
11.1. Wprowadzenie 382
11.2. Klasyfikacje dla gruntów 382
11.3. Klasyfikacje dla masywów skalnych i ich wykorzystanie przy wykonywaniu tuneli 388
11.3.1. Klasyfikacj a gruntów Terzaghiego 388
11.3.2. Klasyfikacja Deere (RQD) 392
11.3.3. Klasyfikacja Wickhama (RSR) 397
11.3.4. Klasyfikacj a Bieniawskiego 399
11.3.4.1. Oszacowanie modułu odkształcenia masywu skalnego oraz jego parametrów wytrzymałościowych na podstawie wartości RMR 402
11.3.4.2. Dobór obudowy wstępnej na podstawie klasyfikacji Bieniawskiego 404
11.3.5. Klasyfikacja Bartona, Liena i Lunde (Q) 405
11.3.5.1. Prognoza zachowania się masywu skalnego w otoczeniu prognozowanego wyrobiska podziemnego na podstawie wartości Q 411
11.3.5.2. Wstępny dobór obudowy prognozowanego tunelu na podstawie wartości Q 414
11.3.6. Korelacje pomiędzy klasyfikacją RMR Bieniawskiego a klasyfikacją Q Bartona 416
11.3.7. Klasyfikacja Hoeka-Browna (GSI) 417
11.3.8. Klasyfikacja Palmstróma (RMi) 424
11.3.9. Klasyfikacje masywów fliszowych KF i KFG (Thiel, 1995) 428
Literatura 43112. STAN NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA W OTOCZENIU WYROBISK PODZIEMNYCH 437
12.1. Analityczne obliczanie stanu naprężeń i odkształceń 437
12.1.1. Wprowadzenie 437
12.1.2. Wyrobisko podziemne wykonane w masywie skalnym, którego zachowanie opisuje model sprężysty 437
12.1.3. Tunel wykonany w masywie skalnym, którego zachowanie opisuje model sprężysto-plastyczny (Brady, Brown, 1994; Hoek, 2000) 452
12.2. Wzajemny wpływ dwóch wyrobisk podziemnych na siebie 456
12.3. Wpływ płaszczyzn osłabienia na rozkład naprężeń 459
12.4. Skrzyżowania wyrobisk podziemnych 463
12.5. Wzrost wytrzymałości masywu skalnego w otoczeniu tuneli 468
Literatura 47213. DAWNE I WSPÓŁCZESNE METODY BUDOWY TUNELI 474
13.1. Tradycyjne (górnicze) metody drążenia tuneli 474
13.1.1. Metoda belgijska 475
13.1.2. Metoda austriacka 479
13.1.3. Metoda niemiecka 481
13.2. Nowa Austriacka Metoda Budowy Tuneli 482
13.3. Norweska Metoda Budowy Tuneli (Norwegian Method of Tunneling – skrót NMT) 504
13.4. Drążenie tuneli metodą dzielenia przodka na części 507
13.5. Wykonywanie tuneli przy pomocy maszyn tarczowych i maszyn wiercących TBMiTBMS 514
Literatura 52214. PROJEKTOWANIE I WSPÓŁPRACA OBUDOWY TUNELU Z MASYWEM SKALNYM 524
14.1. Wprowadzenie 5 24
14.2. Obudowa budowli podziemnych 525
14.3. Projektowanie obudowy tuneli 529
14.4. Metoda sterowania konwergencją w tunelach 534
14.4.1. Krzywa reakcji masywu skalnego (GRC) i współpraca obudowy z masywem skalnym 535 14.4.2. Krzywa charakteryzująca obudowę (SCC) 539
14.4.3. Przemieszczenia konturu tunelu wzdłuż przekroju przechodzącego przez oś główną tunelu 544
14.5. Przykładowe obliczenia analityczne i numeryczne obudowy tuneli i jej współpracy z masywem skalnym 548
14.5.1. Obliczenia analityczne 549
14.5.2. Obliczenia numeryczne 554
14.6. Wpływ czasu na wielkość naprężeń normalnych do konturu tunelu 564
14.7. Numeryczne określanie wpływu czasu na zachowanie się skał w sąsiedztwie tunelu 573
Literatura 57815. OBLICZANIE OBCIĄŻENIA NA OBUDOWĘ BUDOWLI PODZIEMNYCH I TUNELI 582
15.1. Wprowadzenie 582
15.2. Określenie obciążeń statycznych działających na obudowę ostateczną wyrobiska podziemnego (tunelu) 582
15.2.1. Teoria Cymbariewicza 582
15.2.2. Teoria Bierbaumera 586
15.2.3. Teoria Aireya 589
15.2.4. Teoria Sałustowicza i jej modyfikacje 590
15.2.5. Teoria Terzaghiego 595
15.2.6. Teoria Rabcewicza 597
15.2.7. Obliczanie obciążenia na obudowę za pomocą klasyfikacji Bieniawskiego 598
15.2.8. Obliczanie obciążenia na obudowę za pomocą klasyfikacji Bartona 600
15.3. Obliczanie obciążenia od spągu wyrobiska podziemnego 602
Literatura 61016. OBUDOWA BETONOWA 612
16.1. Torkret i beton natryskowy 612
16.1.1. Wstęp 612
16.1.2. Skład i własności mechaniczne torkretu i betonu natryskowego 612
16.1.3. Torkretowanie na sucho i na mokro 615
16.1.4. Funkcje torkretu i betonu natryskowego 617
16.1.5. Torkret i beton natryskowy zbrojony 618
16.1.6. Projektowanie i stosowanie torkretu i betonu natryskowego 620
16.1.7. Wykorzystanie metod numerycznych do projektowania obudowy z torkretu lub betonu natryskowego 626
16.2. Inne obudowy betonowe 632
16.2.1. Obudowa prefabrykowana tuneli 633
16.2.2. Obudowa betonowa monolityczna 638 Literatura 64017. OBUDOWA STALOWA IKOTWIOWA 644
17.1. Wprowadzenie 644
17.2. Typy kotwi stosowane dla obudowy wyrobisk podziemnych i warunki ich stosowania 646
17.3. Dobór parametrów obudowy kotwiowej dla masywu skalnego traktowanego jako ośrodek ciągły 655
17.4. Dobór parametrów obudowy kotwiowej dla masywu skalnego traktowanego jako ośrodek uwarstwiony 662
17.5. Określanie parametrów obudowy kotwiowej dla masywu skalnego nieciągłego, spękanego 672
17.6. Inne empiryczne metody określania parametrów kotwi 675
17.7. Wykorzystanie metod numerycznych do projektowania obudowy kotwiowej 676
17.8. Obudowa stalowa 679
Literatura 68618. WPŁYW WYKONANIA TUNELU NA POWIERZCHNIĘ TERENU 697
18.1. Wprowadzenie 697
18.2. Wpływ budowy tunelu na powierzchnię terenu 698
18.3. Metody określania deformacji masywu skalnego wywołanych wykonaniem wyrobiska podziemnego (tunelu) 702
18.3.1. Metody analityczno-empiryczne 702
18.3.2. Metody analityczne 711
18.3.3. Przebieg deformacji w czasie 729
18.3.4. Metody numeryczne 731
18.4. Stan techniczny obiektów budowlanych w rejonie drążonego tunelu 737
18.4.1. Budynki projektowane 739
18.4.2. Budynki istniejące 741
Literatura 74419. PORTALE TUNELI 749
19.1. Zmiany w wyglądzie portali na przestrzeni wieków 749
19.2. Projektowanie portali tuneli 752
19.3. Problemy związane z osuwiskami w rejonie portali tuneli 757
Literatura 759
