MATEMATICKÉ MODELOVÁNÍ A SKUTEČNÉ CHOVÁNÍ TUNELŮ REALIZOVANÝCH PODLE PROJEKTŮ IKP Consulting Engineers, s.r.o.

MOŽNOSTI A ÚSPĚŠNOST NUMERICKÉHO MODELOVÁNÍ PODZEMNÍCH STAVEB (JEDNODUŠE I PRO LAIKY) MATEMATICKÉ MODELOVÁNÍ A SKUTEČNÉ CHOVÁNÍ TUNELŮ REALIZOVANÝCH PODLE PROJEKTŮ IKP Consulting Engineers, s.r.o. Ing. Jiří Hořejší, Ing. Libor Mařík IKP Consulting Engineers, s. r. o. TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE CzTA PRAHA 26.3.2014

OBSAH PREZENTACE 1. Cíle matematického modelování MKP 2. Způsoby modelování tunelových ostění (NRTM) 3. Modely průběhu ražby a primárního ostění ve 2D 4. Úspěšnost modelu, porovnání se skutečností 5. Faktory ovlivňující chování modelu MKP 6. Shrnutí problematiky modelování MKP 7. Numerické modelování a varovné stavy OBSAH PREZENTACE TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 2CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 2

CÍLE MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ MKP Statický návrh podzemního díla vyhovuje v daných podmínkách s předepsanou mírou bezpečnosti dle MSÚ, resp. MSP v souladu s EC dílčí součinitelé spolehlivosti materiálů, zatížení Ověření vstupních předpokladů - zpětná analýza ověření skutečných GT parametrů, zatížení, pro další fázi návrhu podzemního díla ověření skutečných podmínek např. v případech havárií CÍLE MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 3CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 3

Statický návrh podzemního díla návrh dle MSÚ, resp. MSP v souladu s EC dílčí součinitelé spolehlivosti materiálů, zatížení MSÚ E d = E (γ F F rep ; X kr /γ kr ; X kc /γ kc ; Y m ; a d ) (1) E d = γ E E (F rep ; X kr /γ kr ; X kc /γ kc ; Y m ; a k ) (2) E d = γ E E (F rep ; X kr ; X kc ; Y m ; a k ) (3) MSP E d = E (F rep ; X kr ; X kc ; Y m ; a k ) (4) CÍLE MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 4CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 4

Zpětná analýza (ověření vstupních předpokladů) hledání podmínek modelu, aby chování odpovídalo hodnotám veličin (deformací) naměřeným in situ vliv na výsledky nemají pouze GT parametry zemních, resp. horninových materiálů, které především hledáme, ale i jiné další podmínky těmto podmínkám bude věnována pozornost v další části příspěvku CÍLE MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 5CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 5

ZBŮSOBY MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ Statický návrh podzemního díla (NRTM) komplexní návrh tunelového ostění (PO + DO) návrh primárního ostění, definitivní ostění řešeno samostatně ZPŮSOBY MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 6CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 6

Olbramovický tunel, zajištění v TM 403 TTV6 ZPŮSOBY MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 7CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 7

ZBŮSOBY MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ Statický návrh podzemního díla (NRTM) komplexní návrh tunelového ostění (PO + DO) návrh primárního ostění, definitivní ostění řešeno samostatně Modely 2D vers. 3D 2D - pro liniové stavby, kde jsou splněny podmínky rovinné deformace. Stejné podmínky před i za profilem 3D - v případech, kdy nelze zanedbat 3D účinky, např. křížení, rozplety, atd. Tento příspěvek se zaměřuje na 2D (rovinná deformace) ve fázi ražby a zřizování primárního ostění součástí nosného systému je i horninový masiv!!! ZPŮSOBY MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 8CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 8

Olbramovický tunel, čelba v TM 403 ZPŮSOBY MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 9CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 9

Olbramovický tunel, zajištění v TM 403 TTV6 ZPŮSOBY MATEMATICKÉHO MODELOVÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 10 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 10

MODELY RAŽBY A PRIMÁRNÍHO OSTĚNÍ VE 2D Liniové dílo => model 2D ve stavu rovinné deformace Reálný 3D efekt během ražby je převeden na 2D model prostřednictvím relaxace masivu Řeší se systém ostění (včetně kotvení) - hornina (neřeší se např. čelba) Modelování skutečného tvaru a výšky nadloží vers. části nadloží + přitížení 2D MODELY RAŽBY A PRIMÁRNÍHO OSTĚNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 11 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 11

Výpočetní model 2D, síť MKP 2D MODELY RAŽBY A PRIMÁRNÍHO OSTĚNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 12 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 12

Výpočetní model 2D, zobrazení materiálů Kvarter a eluvium R6 Granitoidy R5 Granitoidy R4 2D MODELY RAŽBY A PRIMÁRNÍHO OSTĚNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 13 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 13

Kvartér a eluvium R6 Granitoidy R5 Granitoidy R4 Výpočetní model 2D, fáze ražby Kalota stav relaxace masivu 2D MODELY RAŽBY A PRIMÁRNÍHO OSTĚNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 14 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 14

Výpočetní model 2D, fáze ražby Kalota osazení ostění + kotvení 2D MODELY RAŽBY A PRIMÁRNÍHO OSTĚNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 15 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 15

Výpočetní model 2D, fáze ražby Opěří stav relaxace masivu 2D MODELY RAŽBY A PRIMÁRNÍHO OSTĚNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 16 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 16

Výpočetní model 2D, fáze ražby Opěří osazení ostění + kotvení 2D MODELY RAŽBY A PRIMÁRNÍHO OSTĚNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 17 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 17

Výpočetní model 2D, fáze ražby Dno stav relaxace masivu 2D MODELY RAŽBY A PRIMÁRNÍHO OSTĚNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 18 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 18

Výpočetní model 2D, fáze ražby Dno osazení ostění 2D MODELY RAŽBY A PRIMÁRNÍHO OSTĚNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 19 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 19

Úspěšnost modelu MSÚ bez poruch a nadměrných deformací Porovnání modelového a skutečného chování v rámci MSP, případně ZA Prostředky ke zjištění skutečného chování horninového masivu s tunelovým výrubem: GT monitoring měření napětí (méně časté): ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ SE SKUTEČNOSTÍ např. tlaky na ostění ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 20 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 20

Výsledky výpočtu Průběh kontaktních napětí na ostění (kn/m 2 ) -160-129 -125-122 -126-134 -157 ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 21 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 21

ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ SE SKUTEČNOSTÍ Úspěšnost modelu MSÚ bez poruch a nadměrných deformací Porovnání modelového a skutečného chování v rámci MSP, případně ZA GT monitoring měření napětí (méně časté) GT monitoring nejčastěji měření deformací: deformace výrubu, resp. členěného výrubu (konvergence) extenzometrická měření z povrchu měření poklesů terénu (poklesová kotlina) inklinometrická měření (např. blízkosti stavební jámy) ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 22 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 22

Dokumentace čelby ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 23 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 23

Výsledky konvergenčního měření Deformace výrubu vektory posuvů (mm) ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 24 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 24

Výsledky měření deformací Průběh svislých posuvů v bodech výrubu v čase (mm) ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 25 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 25

ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ SE SKUTEČNOSTÍ GT monitoring: Měření deformace výrubu (konvergence): možnost zpoždění v osazení měřicích bodů a nultého měření, část deformace výrubu proběhne nezachycena měřením. Skutečné posuvy mohou být větší než naměřené důležitý je sledovaný trend ustalování / neustalování deformací Další druhy měření (extenzometrická, inklinometrická, poklesy terénu) nejsou zatížena tímto možným nedostatkem. Měřicí profily instalovány před zahájením ražby ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 26 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 26

Výsledky extenzometrických měření ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 27 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 27

Výsledky výpočtu Průběh svislých deformací na povrchu terénu (mm) -21 ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 28 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 28

Výsledky výpočtu Průběh svislých posuvů v nadloží na vertikálním řezu v ose díla (mm) -21-41 -23 ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 29 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 29

Porovnání modelového chování a skutečnosti: ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ SE SKUTEČNOSTÍ porovnatelnost uvedených druhů měření s výsledky ideální je vzájemné doplnění druhů měření (možné jen u tunelů s nízkým či středním nadložím) ÚSPĚŠNOST MODELU A POROVNÁNÍ TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 30 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 30

FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU MKP Umístění hranic (velikost) modelu MKP Nastavení geostatické napjatosti více možností Přiřazení GT parametrů zemin a hornin Přiřazení parametrů ostění Zavedení časových předpokladů o postupu ražby Pro pružnoplastické výpočty materiálové modely - kontinuum vers. diskontinuum Míra relaxace masivu pro 2D výpočty FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 31 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 31

Umístění hranic (velikost) modelu MKP Model nemá být FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU MKP příliš mělký (významné změny způsobené výrubem nesmí být ovlivněny hranicemi modelu), ale ani příliš hluboký (mohou být zkresleny vypočítané veličiny, např. větší zdvih počvy, menší pokles vrcholu klenby, menší pokles terénu) FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 32 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 32

Umístění hranic (velikost) modelu MKP šířka výrubu D = 13 m šířka výrubu D = 13 m hloubka modelu cca 65 m (5D) hloubka modelu cca 115 m TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 33 CzTA PRAHA 26.3.2014 FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU Strana 33

Umístění hranic (velikost) modelu MKP hloubka modelu cca 65 m (5D) svislé posuvy svislé posuvy -21 mm -18 mm -23 mm -21 mm +23 mm hloubka modelu cca 115 m 25 mm +25 mm TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 34 CzTA PRAHA 26.3.2014 FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU Strana 34

FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU MKP Nastavení geostatické napjatosti Modelové určení geostatické (primární) napjatosti od počátku ovlivňuje všechny následující fáze výpočtu. Jeden z klíčových faktorů Některé možnosti stanovení vodorovných napětí pro GN z Poissonovy konstanty - konstantní v dalších fázích z Poissonovy konstanty odlišná pro GN zavedením bočních tlaků na modelu FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 35 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 35

Přiřazení GT parametrů zemin a hornin Přetvárné a pevnostní charakteristiky na základě GTP často velké rozpětí hodnot důležitá správná interpretace údajů a přiřazení vstupních hodnot do modelu. Spolupráce se zpracovatelem GTP Přiřazení parametrů ostění Zavedení časových předpokladů o postupu ražby FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU MKP pro primární ostění ze SC modul pružnosti E v závislosti na stáří betonu v modelovaných fázích. Pro fázi osazení ostění hodnota závisí na rychlosti postupu, často se uvažuje stáří 2 3 dny FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 36 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 36

Materiálové modely pro pružnoplastické výpočty nejčastěji a běžně používaný model je Mohr- Coulomb dostupné vstupní údaje - pevnostní parametry (PHI, c) FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU MKP některé modely sofistikovanější a v různých situacích vhodnější, avšak potíž spočívá v reálném zjištění vstupních parametrů kontinuum vers. diskontinuum řešení úloh kontinua pomocí MKP, kde převažujícím prostředím je hornina jakožto diskontunuum nutnost stanovení GT parametrů pro masiv - odlišnost od parametrů neporušeného horninového materiálu!! FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 37 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 37

FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU MKP Míra relaxace masivu pro 2D výpočty Pomocí součinitele relaxace je zprostředkován přechod ze 3D skutečnosti do 2D modelových podmínek pro NRTM běžně zaváděn hodnotou BETA=0,3, tj. ostění v další fázi je namáháno zatížením odpovídající 70% napjatosti v předchozí výpočetní fázi např. pro ražbu TBM by součinitel BETA byl stanoven jiným způsobem pokusy vyčíslit součinitel BETA na modelech 3D FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 38 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 38

Výsledky výpočtu Složky posuvů v bodech ostění ve fázi kalota (mm) FAKTORY OVLIVŇUJÍCÍ CHOVÁNÍ MODELU TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 39 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 39

SHRNUTÍ PROBLEMATIKY MODELOVÁNÍ MKP Při srovnávání neopomenout, pro jaký účel je model sestavován Srovnávat porovnatelné Pro návrh podzemního díla (MSÚ) a fázi srovnávání modelu se skutečností (MSP, ZA) nevystačí jeden model Sledovat nejen absolutní hodnoty posuvů, ale i jejich proporcionalitu. Během ražby sledovat jejich vývoj Soustředit se pokud možno na více míst modelu a ve více fázích (nejen ostění, ale i masiv či povrch terénu) Uvědomit si faktory ovlivňující výsledky výpočtu, ale i skutečnosti, které mohou zkreslit měření Správná interpretace výsledků (MSP a zejména ZA) SHRNUTÍ PROBLEMATIKY A ZÁVĚR TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 42 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 42

NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ A VAROVNÉ STAVY Vyhláška 55/1996 Sb (265/2012 Sb) Varovný stav je projektem definovaná hodnota deformace horninového masivu nebo jiná měřitelná veličina závislá na projevu ražby na horninový masiv, při jejímž dosažení je nutno vyhodnotit vzniklou situaci a případně stanovit opatření k zajištění požadované stability výrubu, objektů v nadloží a bezpečnosti práce. 16a vyhlášky 55/1996 Sb, odstavec 5 Součástí projektové dokumentace je výpočet, který modeluje chování horninového masivu při ražbě v daném kvazihomogenním celku s navrženým způsobem zajištění stability výrubu. MOŽNOSTI MODELOVÁNÍ A VAROVNÉ STAVY TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 43 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 43

28 vyhlášky 55/1996 Sb, použití observačních metod Technologická třída výrubu určí zejména varovné stavy z hlediska: zajištění stability výrubu, únosnosti systému ostění-hornina přípustných deformací výrubu zajištění stability objektů v nadloží. Varovný stav může být kromě hodnoty určen i předpokládaným vývojem sledované veličiny v čase a doporučením pro provádění doprovodných opatření při dosažení varovného stavu. Původní znění: Pokud vyhodnocené výsledky bezpečnostního měření překračují hodnoty určené projektem, musí projekt upravit další postup. Do té doby nesmí ražení pokračovat. MOŽNOSTI MODELOVÁNÍ A VAROVNÉ STAVY TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 44 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 44

PŘEVÁŽNÁ VĚTŠINA NUMERICKÝCH MODELŮ SE V PRAXI ZABÝVÁ ÚNOSNOSTÍ PRIMÁRNÍHO OSTĚNÍ (NIKOLI SYSTÉMU OSTĚNÍ HORNINA) A PŘÍPADNĚ DEFORMACEMI VÝRUBU ČI NADLOŽÍ. NENÍ ŘEŠENA STABILITA ČELBY A OBNAŽENÉHO LÍCE VÝRUBU PŘED PROVEDENÍM PRIMÁRNÍHO OSTĚNÍ MOŽNOSTI MODELOVÁNÍ A VAROVNÉ STAVY TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 45 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 45

Stav vysoké míry bezpečnosti 60% A A 125% A Stav přípustných změn Stav mezní přijatelnosti Kritický stav ČBÚ Havarijní stav Progresivní růst deformací Ztráta stability MOŽNOSTI MODELOVÁNÍ A VAROVNÉ STAVY TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 46 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 46

Výsledky měření deformací Průběh svislých posuvů v bodech výrubu v čase (mm) Sledování jedné hodnoty varovného stavu Varovný stav 30 mm TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 47 CzTA PRAHA 26.3.2014 MOŽNOSTI MODELOVÁNÍ A VAROVNÉ STAVY Strana 47

NESTABILITA ČELBY PŘI RAŽBĚ TUNELU MOŽNOSTI MODELOVÁNÍ A VAROVNÉ STAVY TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 50 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 50

NESTABILITA ČELBY PŘI RAŽBĚ TUNELU MOŽNOSTI MODELOVÁNÍ A VAROVNÉ STAVY TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 51 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 51

STRUKTURNÍ ANALÝZA HORNINOVÉHO MASIVU Po zadání geometrických a fyzikálních parametrů získaných z měření na čelbě vyhodnotí program z kombinací průsečíků ploch odlučnosti v okolí výrubu ty, které vymezují kritické bloky. V úrovni zpracování projektové dokumentace lez řešit programy řešícími horninový masiv jako diskontinuum. Problematické je získání vstupních hodnot pro výpočty z IG průzkumu. Funkce tunelového geologa (geotechnika) na stavbě je nezastupitelná, není však v předpisech definována a nejsou určeny kompetence. MOŽNOSTI MODELOVÁNÍ A VAROVNÉ STAVY TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 52 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 52

KOMPETENCE ÚČASTNÍKŮ VÝSTAVBY GRAFICKÉ ZNÁZORNĚNÍ VÝSLEDKŮ POMOCI ZABEZPEČENÉ SEKCE WEBU TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 53 CzTA PRAHA 26.3.2014 MOŽNOSTI MODELOVÁNÍ A VAROVNÉ STAVY Strana 53

DĚKUJEME ZA POZORNOST ZÁVĚR TUNELÁŘSKÉ ODPOLEDNE Seite 54 CzTA PRAHA 26.3.2014 Strana 54