Cursul 1 Construcţii subterane

1

INTRODUCERE

Construcţiile subterane sunt o parte integrantă a infrastructurii societăţii moderneavând o largă utilizare în domenii precum: transporturile - tunele de metrou şi căi ferate,tunele rutiere, parcări subterane, depozite subterane, alimentări cu apă şi canalizări,amenajări hidroenergetice.

De sute de mii de ani mediul nostru natural a fost în principal un spaţiubidimensional: suprafaţa pământului. Mânaţi de nevoie, curiozitate sau chiar de fricăoamenii au încercat să depăşească limitele acestui spaţiu fie smulgând noi teritorii dincalea apelor fie încercând să utilizeze a treia dimensiune în sus sau în jos. Lucrărilesubterane au fost întotdeauna dificile dar aceasta nu a împiedicat folosirea lor încă delaînceputurile dezvoltării societăţii umane. Descoperirea unor excavaţii subterane foartevechi sunt printre primele mărturii ale activităţii umane. Desigur cauze naturale şi nuacţiunea umană se află la originea primelor lucrări subterane. Grotele şi cavernele suntrezultatul acţiunii ploii, râurilor şi mării şi fără îndoială nevoia i-a condus pe primiioameni să se stabilească în aceste spaţii naturale pentru a se pune la adăpost împotrivaintemperiilor şi atacurilor. Ar fi tentant să ne gândim că omenirea îşi datoreazăsupravieţuirea acestor locuinţe subterane naturale.

De-a lungul vremii construcţiiile subterane au fost intens utilizate în domeniulmineritului şi al apărării. Un mare avânt capătă construcţiile subterane începănd cusecolul 19 şi mai ales în secolul 20 ca urmare a creşterii economice şi progreselorobţinute în domeniul tehnologiilor de execuţie a lucrărilor subterane. În această perioadăse înregistrează o creştere dramatică a utilizării spaţiului subteran în domenii de activitateprecum mineritul, transportul rutier, feroviar sau pe apă, amenajărilor hidroenergetice.

Caracteristici ale utilizării spaţiului subteran

- Este un spaţiu disponibil aproape sau peste tot ce poate adăposti activităţi saufacilităţi care altfel sunt dificil sau imposibil de realizat la suprafaţă.

- Protecţia naturală pe care o oferă obiectivelor adăpostite (mecanică, termicăacustică, hidraulică – etanşeitate). Acastă protecţie se exercită nu numai vis-a-vis de suprafaţă dar chiar şi în interiorul subteranului.

- Protecţia oferită pe de altă parte prin izolarea unor activităţi în subteran carealtfel la suprafaţă ar putea afecta inerent mediul.

- altă caracteristică importantă a spaţiului subteran este opacitatea. Datorităecranului vizual natural creeat de mediul geologic, instalaţiile subterane nusunt vizibile decât în dreptul conexiunii lor cu suprafaţa. Aceasta oferă unavantaj din punct de vedere estetic pentru a ascunde privirii instalaţiile cuaspect neplăcut.

Cursul 1 Construcţii subterane

2

Dificultatea analizei globale a avantajelor utilizării subteranului

Natura şi importanţa avantajelor oferite de utilizarea spaţiului subteran variază înfuncţie de o serie de factori precum:

- Tipul şi funcţiile lucrărilor considerate;- Localizarea lor: zone urbane, extravilan, masiv muntos, zonă naturală

protejată;- Impactul specific pe care îl are lucrarea prin natura sa asupra mediului

(efecte „externe”);- Nivelul de protecţie necesar ţinând cont de natura şi funcţiile sale, faţă de

anumite riscuri creeate prin propriul mediu;- Constrângerile economice ce condiţionează realizarea şi exploatarea acestor

lucrări;- Rolul pe care realizarea acestor lucrări il are în politicile implementate de

autorităţi la nivel local, regional sau naţional.

Lista avantajelor prezentate este perfectibilă. Ea constituie însă fără îndoială un ajutor înevaluarea avantajelor în cazul concret al unei lucrări. Atunci cănd este vorba de a alegeîntre a face sau nu o amenajare, sau între o soluţie supraterană sau subterană, imediat sepune problema valorificării incidenţei diverşilor factori ce intervin în această analiză.

- Anumiţi factori pot fi valorificaţi sub formă monetară; este cazul costurilorde execuţie, exploatare şi anumite costuri sociale;

- Alţi factori nu pot fi valorificaţi decât sub formă cantitativă ne monetară, deexemplu: zgomot; poluare, timp pierdut din aglomeraţiei în circulaţie, lipsăde spaţiu

- Însfîrşit alţi factori nu pot fi exprimaţi decât sub formă descriptivă este cazulparticular al unor factori cu caracter calitativ ce se referă mai ales la mediulnatural.

LUCRARI SUBTERANE REALIZATE IN ROCA

SPRIJINIREA LUCRARILOR SUBTERANE - Generalităţi

Lucrările de sprijinire sunt cele care intervin în procesul de reechilibrare a rocii,prevenind surpările şi asigurând securitatea lucrării, atât în faza de execuţie a goluluisubteran cât şi în faza de exploatare. Cămăşuielile definitive, cu rol funcţional, dar şi derezistenţă, adaugă o nouă componentă în ansamblul roca-sprijinire-cămăşuială, a căruistabilitate pe durata de viaţă a lucrării este obiectivul prioritar al oricărei lucrăriinginereşti.Termenul de cămăşuilă a galeriilor şi tunelurilor cuprinde concepte, materiale, metode deconstrucţie şi detalii. Orice tip de cămăşuială este caracterizat de câteva trăsături comune:

Procesul premergător excavaţiei, excavarea propriu-zisă a golului şi stabilizareaterenului alterează starea de eforturi din teren înaintea realizarii contactului dintrecămăşuiala si acesta.

Cămăşuiala nu este o structură independentă supusă unor solicitatări bine definiteşi deformarea sa nu este guvernată de propria rezistenţă internă elastică.Încărcările ce acţionează asupra unei lucrări subterane nu sunt bine definite iar

Cursul 1 Construcţii subterane

3

comportarea sa este guvernată de proprietăţile terenului înconjurător. Proiectareaunei cămăşuieli nu este o problemă structurală ci o problemă de interacţiune teren-structură, cu accent pe teren.

Comportarea cămăşuielii este o problemă cu patru dimensiuni. În timpulconstrucţiei, condiţiile terenului din frontul galeriei implică determină atât oboltire transversală cât şi una longitudinală sau dinspre frontul neexcavat. Toateproprietăţile terenului sunt dependente de timp, în special pe intervale scurte detimp ceea ce conduce la fenomenul observat în mod obişnuit de oprire a timpuluifără de care cele mai multe metode practice de construcţie a tunelurilor ar fiimposibile. Instalarea la timp (sincronizarea) a cămăşuielii este foarte importantă.

Cele mai serioase probleme structurale întâmpinate în comportarea reală acămăşuielii sunt legate mai degrabă de absenţa suportului (contactului) – golulinevitabil rămas în spatelele cămăşuielii - decât intensitatea şi distribuţiaîncărcărilor.

În principiu în toate cazurile, rezistenţa la încovoiere şi rigiditatea structurală acămăşuielii sunt mici în comparaţie cu cele ale terenului înconjurător. Proprietăţileterenului sunt cele care determină deformaţia cămăşuielii în timp ce modificari aleproprietăţilor cămăşuelii nu vor afecta semnificativ această deformaţie. Criteriuljust pentru judecarea comportării cămăşuielii este de aceea nu o rezistenţăadecvată pentru eforturile de încovoiere, ci o ductilitate adecvată pentruconformare la deformaţii impuse de masiv. Pe scurt cămăşuiala este un inel fretatelastic.

Geologia amplasmentului, prin structura si caracteristicile sale mecanice, joaca un roldominant in proiectarea si executia lucrarilor subterane. Proprietatile mecanice ale rociidescriu modul in care aceasta se deformeaza si cedeaza sub actiunea incarcarilorintroduse prin excavare. Spre deosebire însă de alte structuri, în cazul construcţiilorsubterane terenul acţionează în acelaşi timp nu doar ca o încărcare asupra construcţiei cişi ca principal suport al acesteia. Dupa realizarea excavaţiei rezistenţa terenului păstreazăgolul deschis până la instalarea sprijinirilor. Chiar şi după montarea acestora, masivulcontinuă să reprezinte un procent insemnat din capacitatea portantă a lucrării. De aceearoca sau pământul ce inconjoară construcţia subterană poate fi considerat ca un materialde construcţie. Caracteristicile sale sunt la fel de importante ca şi cele ale betonului sauoţelului utilizate la realizarea construcţiei.Studierea proprietatilor fizice si mecanice ale rocilor constituie domeniul unei disciplineştiinţifice distincte numita Mecanica rocilor. Aceasta îşi propune tocmai clarificarea uneiserii de probleme ce interesează domeniile construcţiilor subterane şi de suprafaţă,exploatărilor miniere, ale geotehnicii si geologiei structurale.

CLASIFICAREA SISTEMELOR DE SPRIJINIRE

Clasificarea sprijinirilor se poate face în funcţie de mai multe criterii: tehnologice, duratăde exploatare, efect structural, cost, adaptabilitate etc. In cele ce urmează s-a adoptatclasificarea referitoare la efectele structurale ale sprijinirilor, analizate în contextulprocesului de interacţiune rocă-sprijinire. Suportul grafic al clasificării este dat dediagrama convergenţă-fretare (fig. 1).

Cursul 1 Construcţii subterane

4

Fig.1. Clasificarea sprijinirilor în funcţie de diagrama convergenţă-fretare.

Se disting două sisteme:

1) sprijinirea de tip elastic, cu ancore, cu şpriţ-beton sau cu ancore şi şpriţ-beton, caredevine activă din momentul instalării, se deformează odată cu roca şi contribuie lareechilibrarea masivului de rocă; în figura 1 curba caracteristică este ab.

2) sprijinirea rigidă, cu cintre metalice, care devine activă numai după surpareaconturului excavat, când fragmentele de rocă intră în contact direct cu extradosulcintrelor; roca rămasă stabilă este un element pasiv în raport cu sprijinirea şi exercităîncărcări asupra cintrelor, respectiv reacţiuni asupra acestora în zona de contact,atunci când deformarea se face către conturul excavat; în figura 1 curba caracteristicăeste aed .

Sub aspect tehnologic, celor două sisteme de sprijinire le corespund două metode de lucruîn subteran. Sprijinirea elastică are corespondent în noua metodă austriacă NATM.Sprijinirea rigidă, cu cintre metalice, are corespondent în metoda americană de sprijinirecu metal ASSM (American Steel Supported Method).Sub raportul costurilor şi a adaptabilităţii la condiţiile efective de teren, superioritatea noiimetode austriece a fost clar pusă în evidenţă de cazuistica lucrărilor executate în ultimii30 de ani (Hoek şi Kaiser, 1998).

REGULI PENTRU ALEGEREA SISTEMULUI DE SPRIJINIRE

Specificul structurilor de sprijinire a excavaţiilor subterane în rocă, raportat la structurileinginereşti uzuale, este dat în principal de faptul că dimensionarea lor este practic

Cursul 1 Construcţii subterane

5

imposibilă datorită, pe de o parte, complexităţii de comportare a maselor de rocă, iar pede altă parte, de cunoaşterea obiectiv limitată a datelor ce caracterizează roca şicomportarea acesteia la excavare.Transpunerea fenomenelor de interacţiune rocă-sprijinire în forme cuantificabile esteposibilă numai în cazul rocilor omogene şi izotrope, neafectate de discontinuităţi. Inmarea majoritate a cazurilor însă, roca este un mediu discontinuu, a cărui comportare estedefinită de natura, forma, dimensiunile şi orientarea discontinuităţilor. Ca urmare,sistemele de clasificare a masivelor de rocă, se bazează tocmai pe caracterizareadiscontinuităţilor. Experienţa acumulată în domeniul lucrărilor subterane, în special dupăperioada 1965-1970, odată cu aplicarea pe scară largă a sprijinirilor elastice, a permisformularea unor reguli empirice de alegere şi predimensionare a sistemelor de sprijinire,având la bază clasificările uzual folosite pentru masivele de rocă: RQD, RMR, şi Q(King, 1986). Se reaminteşte că cele trei clasificări reflectă mai mult sau mai puţindetaliat gradul de fragmentare a rocii de către discontinuităţi şi gradul de alterare a rocii înzona acestora.

POLITICA SPRIJINIRILOR

Diversitatea situaţiilor efective din teren, dată de neomogeneităţi, anizotropie şi în specialde sistemele de discontinuităţi, impun adaptarea continuă a sprijinirii la condiţiile dinfront. Adaptarea se face pe baza experienţei dar, în egală măsură, şi pe baza măsurăriiefectelor create de sprijinirile propuse. Procesul de predimensionare, adaptare şi corectarea sistemelor de sprijinire poartă denumirea de "politica sprijinirilor".

Pe măsură ce frontul avansează, se echipează anumite secţiuni cu sisteme de monitorizarea deplasărilor rocii şi ale eforturilor de contact între rocă şi sprijinire. În funcţie de zonelecaracteristice depistate (care oferă condiţii geologice similare şi parametri geomecaniciasemănători) numărul de secţiuni de măsură poate fi mai mare sau mai mic. Validareasprijinirii propuse (sau eventual corectarea acesteia) pe baza datelor obţinute într-oanumită secţiune de măsură este extrapolată pentru întreaga zonă caracteristică.

PRINCIPII DE DISPUNERE A SPRIJINIRILOR CU ANCORE

Sprijinirea prin ancorare utilizează de obicei ancore libere pe gaura de foraj, blocate înadâncimea forajului, fie prin despicare, fie prin sistemul conexpan. Acestea prezintăavantajul unei instalări rapide şi nu necesită o tehnologie dificilă. Dacă ancorarea rămâneparte a structurii definitive, ancorele libere pot fi supuse coroziunii şi ca urmare în astfelde cazuri sunt preferate ancorele betonate.La alegerea şi dispunerea ancorelor intervin trei parametri: diametrul, lungimea şi distanţadintre ancore. De obicei, ancorele sunt confecţionate din fier beton cu diametrul de 25 sau30 mm. Lungimea este uzual cuprinsă între 2 şi 4 m, dar cel mai adesea, dacă nu suntcondiţii geologice speciale, se utilizează ancore de 2,50 m lungime. In mod normal,lungimea trebuie să fie proporţională cu deschiderea excavaţiei, pentru a mări grosimeainelului de rocă autoportantă pe măsură ce deschiderea creşte. O recomandare empirică,frecvent utilizată, specifică lungimea ancorei la 1/4-1/3 din deschidere. In ceea ce priveştedistanţa dintre ancore, aceasta rezultă din dispunerea radială în zona cheii, la oechidistanţă unghiulară de 30°.Dispunerea ancorelor şi stabilirea lungimii acestora depinde însă esenţial de situaţiageologică din zona excavării. Nu există reguli precise şi fundamentală este experienţa

Cursul 1 Construcţii subterane

6

executantului. Cu titlul de exemplu, în figurile urmatoare sunt prezentate câteva situaţii deadaptare a ancorării la condiţiile locale, în cazul rocilor stratificate.

Fig. 2. Dispunerea ancorelor în cazul rocilor cu stratificaţie orizontală.

În cazul stratificaţiei orizontale ancorele se dispun numai în zona cheii şi sunt mult maidese (fig. 2). Se utilizează ancore lungi, care leagă 3...4 pachete de rocă. În cazuldeschiderilor mari distanţa dintre ancore se stabileşte prin calcul. Pentru galeriile cudiametre sub 8...10 m, se poate utiliza o relaţie simplificată:

v

tRde3

8 ,

în care:d este grosimea pachetelor de rocă;

tR, - rezistenţa la întindere a rocii; av

v - efortul vertical din masiv.

în cazul stratificaţiei verticale, flambarea coloanelor de rocă din vecinătatea pereţiloi seprevine cu ancore lungi, dispuse normal la perete (fig. 2). Riscul de flambare apare atuncicând efortul tangenţial t , depăşeşte o valoare critică:

22

2

/12 dlEroca

t >

unde l şi d2 sunt notaţiile din figură, iar Er este modulul de elasticitate a rocii.

Cursul 1 Construcţii subterane

7

Fig. 2. Dispunerea ancorelor în cazul rocilor cu stratificatie verticală.

În cazul stratificaţiei cu cădere oblică faţă de axa tunelului, lungimea şi dispunereaancorelor urmăreşte în principal legarea stratelor (fig. 3).

Figura 3 Dispunerea ancorelor în cazul rocilor cu stratificaţie verticală