Akademia Górniczo-Hutnicza

Im. Stanisława Staszica w Krakowie

WYKONYWANIE PRZEKOPÓW I TUNELI

PROJEKT (nr.9)

„Ocena jakości górotworu w rejonie tunelu

wraz ze wstępną propozycją obudowy”

Jawornicka Agnieszka

Wydz. GiG

Kier. IŚ

Spec. RIwKŚ

Rok IV

Cel projektu:

Ocena jakości górotworu w rejonie tunelu (komory) wraz ze wstępną propozycją obudowy

Zadania projektu:

1. Określenie wskaźników jakości górotworu RMR (wg Bieniawskiego) oraz Q (według Bartona, Liena i Lunde) i zaliczenie górotworu do odpowiednich klas.

2. Porównanie wskaźników RMR i Q oraz dyskusja oceny jakości górotworu w aspekcie znanych korelacji pomiędzy nimi.

3. Propozycja wstępnej obudowy wyrobiska na podstawie wskaźnika jakości górotworu Q

Dane do projektu:

L.p.	Parametr	Wartość lub opis
1.	Kształt, wymiary i przeznaczenie tunelu (komory).	tunel wodny (hydrotechniczny) o przekroju kołowym i promieniu 3.5 m
2.	Średnia głębokość, m.	80
3.	Ogólna charakterystyka górotworu w rejonie drążenia tunelu (komory).	górotwór pofałdowany i pocięty uskokami, pojedyncza strefa o małej wytrzymałości
4.	Średnia wytrzymałość skał otaczających na ściskanie, MPa.	25
5.	Średnia wytrzymałość skał otaczających na rozciąganie, MPa.	3
6.	RQD, %, średnic rdzenia 55 mm	jak na rysunku
7.	Ilość i średnia odległość sieci nieciągłości.	dwie sieci nieciągłości o średniej odległości 1.5 m
8.	Charakterystyka nieciągłości.	gładkie, płaskie ścianki szczelin z wypełnieniem ilastym o rozwarciu powyżej 10 mm
9.	Zawodnienie.	duży dopływ wody - powyżej 30 l/min
10.	Orientacja sieci spękań w stosunku do kierunku drążenia tunelu (komory).	rozciągłość równoległa do dłuższej osi tunelu, upad 10^o
11.	Sposób drążenia.	Drążenie mechaniczne

I . Określenie wskaźnika jakości górotworu RMR oraz Q i zaliczenie górotworu do odpowiednich klas

A. Określenie wskaźnika jakości górotworu RMR

Obliczenie wartości wskaźnika RQD (wskaźnik podzielności rdzenia wiertniczego)

gdzie:

- suma długości kawałków rdzenia większych od podwojonej średnicy rdzenia

- długość rdzenia.

Średnica rdzenia wynosi ø=55 [mm] = 5,5 [cm]

Długość rdzenia wynosi L=100 [cm]

W przypadku danego rdzenia mamy do czynienia tylko z jednym kawałkiem o długości przekraczającej 11[cm], wskaźnik stopnia spękania masywu skalnego wynosi:

Klasyfikacja Bieniawskiego

- uzyskany wskaźnik RMR_BASIC = 19

Lp	Parametr		Wartość	Nota punktowa	Uwagi
1	Wytrzymałość nienaruszonego materiału skalnego		25 MPa	2 pkt.	Interpolowane liniowo
2	RQD		18%	3 pkt.	Masyw jest silnie spękany i zwietrzały
3	Odległości nieciągłości		1,5m	12 ptk	Nieciągłości są w dość korzystnej odległości od siebie, im odległości miedzy nieciągłościami większe, tym lepszej jakości jest górotwór
4,	Charakterystyka nieciągłości	długość nieciągłości	3-10 m	2 pkt.	Dłuższe sieci spękań są zjawiskiem niekorzystnym, zakładamy, że sieci spękań nie powiększą widocznie swej długości po założeniu obudowy
				odsunięcie (szczeliny)	>5mm	0 pkt.	Małe naprężenia nie wywołują dociskania się bloków skalnych
				chropowatość	Wypolerowane	0 pkt	Gładkie powierzchnie nieciągłości są bardzo niekorzystnym cechą masywu, bloki skalne mogą łatwo się obsunąć do wnętrza wyrobiska
				wypełnienie	Miękkie wypełnienie >5mm	0pkt.	Wypełnienie miękkie, zwiększa prawdopodobieństwo osunięcia się bloków masywu
				zwietrzelina	Silne zwietrzenia	1 pkt.	Miękkie wypełnienie szczelin i dość duży dopływ wody powodują powstawanie dużej ilości zwietrzeń
5	Zawodnienie		Wykraplający, sączący się	4 pkt	Dość duży dopływ wody - występują wykroplenia
6.	Rozciągłość i orientacja upadu		Rozciągłość równoległa do dłuższej osi komory, upadu warstw pod kątem 10^o	-5 pkt.	Interpolowane liniowo, dla upadów 0-20° i kopalń oraz tuneli

Współczynnik RMR zmodyfikowany

Współczynnik	Ocena	Uwagi
AB Współczynnik związany ze sposobem drążenia wyrobiska	1,0	Wyrobisko urabiane jest mechanicznie, nie ma to dużego wpływu na ogólny stan górotworu
AS Współczynnik związany ze stanem naprężeń w górotworze	0,9	W górotworze występuje pojedyńcza strefa osłabienia oraz uskoki
S Współczynnik związany ze stanem górotworu (spękania)	0,8	Górotwór pofałdowany, pocięty uskokami, z dwoma sieciami spękań, pojedyńcza strefa osłabień o małej wytrzymałości.

RMR_adjusted=13,68

Ocena:

Na podstawie obliczonego wskaźnika RMR zaliczymy górotwór do grupy V określającej górotwór jako bardzo słaby.

Przeciętne utrzymanie dla 1 m rozpiętości nieodpartego stropu wyrobiska to zaledwie 30min, wynosi kohezja<100, a kąt tarcia<15.

B. Oszacowanie modułu odkształcenia przy wykorzystaniu wartości RMR

oraz modułu Younge'a lub modułu sprężystości

E_m moduł odkształcenia masywu skalnego

• Bieniawski (1978) oraz Serafim i Pereira (1983)

• Verman (1993)

- R_crm wytrzymałość na jednoosiowe ściskanie masywu:

• Hoek (1994)

Rc=25 [MPa]

• Aydan & Kawamoto (2000)

Przyjmujemy tą wartość.

• Kalamaras & Bieniawski (1995)

II. Obliczenie wskaźnika jakości górotworu Q wg Bartona, Liena i Lunde

gdzie:

RQD - procentowy wskaźnik stopnia spękania masywu skalnego

J_n - liczba systemów spękań

J_r - liczba określająca chropowatość powierzchni spękań

J_a - liczba określająca przeobrażenie płaszczyzn nieciągłości

J_w - współczynnik dopływu wody

SRF - współczynnik stanu naprężeń.

Klasyfikacja parametrów
Lp.	Wskaźnik	Wartość	Uwagi
1.	RQD	19 pkt.	Górotwór bardzo słaby
2.	Wskaźnik liczby systemów spękań Jn	4 pkt.	Dwa systemy nieciągłości
3.	Wskaźnik chropowatości szczelin Jr	1 pkt.	Powierzchnia szczelin jest gładka i płaska ( niekorzystne, mogą spowodować obsunięcie się bloku skalnego do wewnątrz wyrobiska)
4.	Wskaźnik zwietrzenia ścianek szczelin Ja	3 pkt.	Płaszczyzny zwietrzałe, pocięte uskokami, pofałdowane, miękkie, iłowe wypełnienia szczelin
5.	Wskaźnik zawodnienia Jw	0,33 pkt.	Wykroplenia, duży dopływ wody (powyżej 30 l/min)
6.	Wskaźnik odprężenia górotworu SRF	2,5 pkt.	Wystąpienie dwóch sieci spękań, pojedyńcza strefa o małej wytrzymałości, głębokość drążenia powyżej 50m

Q = 0,21

Q	Jakość górotworu
400 - 1000	Wyjątkowo bardzo dobry
100 - 400	Niezwykle bardzo dobry
40 - 100	Bardzo dobry
10 - 40	Dobry
4 - 10	Średni (dostateczny)
1 - 4	Słaby
0.1 - 1.0	Bardzo słaby
0.01 - 0.1	Niezwykle słaby
0.001 - 0.001	Wyjątkowo słaby

Ocena: Obliczony wskaźnik jakości górotworu Q wg. Klasyfikacji Bartona Liena i Lunde

wynosi 0.21, mieści się w przedziale 0.1-1, jakość górotworu określimy jako bardzo słabą.

Moduł Younge'a

Q=0,21

Rc=25 [MPa]

III. Korelacje pomiędzy klasyfikacjami RMR i Q

Korelacja	WYNIKI	Źródło badań	Budowle
RMR = 13.5 logQ +43	33,85	Nowa Zelandia	Tunel cywilny
RMR = 9 lnQ +44	29,95	Inne źródła	Tunel cywilny
RMR = 12.5 logQ +55.2	46,72	Hiszpania	Tunel cywilny
RMR = 5 lnQ +60.8	52,99	RPA	Tunel cywilny
RMR = 43.89 - 9.19 lnQ	58,23	Hiszpania	Tunel górniczy, miękki górotwór
RMR = 10.5 lnQ +41.8	25,41	Hiszpania	Tunel górniczy, miękki górotwór
RMR = 12.11 logQ +50.81	42,6	Kanada	Tunel górniczy, miękka skała
RMR = 8.7 lnQ +38	24,42	Kanada	Tunel cywilny, skała osadowa
RMR = 10 lnQ +39	23,39	Kanada	Tunel górniczy, mocny górotwór
RMR = 21.8 logQ +31	16,22	Indie	Kopalnia węgla, tunel cywilny

Na podstawie znanych korelacji między korelacji między wskaźnikami jakości górotworu RMR i Q badany górotwór przyjmuje korelacje typu

RMR = 21.8 logQ +31

13.68≈16.22

Ocena końcowa:

Zarówno obliczony wskaźnik RMR wg. klasyfikacji Bieniawskiego ( RMR=13,68)

jak i wskaźnik Q (Q=0.21) wg. Klasyfikacji Bartona Liena i Lunde, określa badany górotwór jako skałę bardzo słabą

Jest to górotwór bardzo nietrwały, utrzymanie stabilności wyrobiska wymaga wiele pracy, oraz odpowiedniej obudowy. Niesie to za z sobą duże niebezpieczeństwo w czasie prac, gdyż w każdym momencie może dość do osunięcia się bloku, lub całkowitego zawalenia wyrobiska.

Otrzymana wartość korelacji jest charakterystyczna dla górotworów zlokalizowanych w Indiach.

IV. Propozycja wstępnej obudowy wyrobiska na podstawie

wskaźnika jakości górotworu Q.

• Znając wartość wskaźnika jakości Q można obliczyć tzw. średnicę równoznaczną tunelu

D_eq ze wzoru:

(8.18)

gdzie:

B - rozpiętość wyrobiska, m,

ESR - współczynnik uwzględniający przeznaczenie wyrobiska i czas jego istnienia.

Wartości współczynnika ESR podano w tabeli. Znając wartość D_eq oraz wartość wskaźnika Q jesteśmy w stanie zaprojektować obudowę tunelu z torkretu (lub torkretu zbrojonego) i kotwi

Określenie współczynnika ESR w zależności od przeznaczenia wyrobiska.

Kategoria wyrobisk		ESR
A	Tymczasowe otwarte górnicze wyrobiska	3-5
B	Stałe górnicze otwarte wyrobiska, wodne sztolnie, sztolnie dla elektrowni wodnych, drążenie i przodowanie dla długich wyrobisk	1.6
C	Magazyny, małe tunele drogowe i tunele kolejowe, komory, dojścia tunelowe	1.3
D	Siłownie, tunele dla głównych dróg i kolejnictwa, schrony cywilne, portale skrzyżowań	1.0
E	Podziemne siłownie nuklearne, stacje kolejowe, sportowe i publiczne obiekty podziemne, fabryki	0.8

Ponieważ projektowane wyrobisko komorowe może służyć jako tunel wodny hydrotechniczny, zakładam współczynnik ESR = 1,6. Zatem biorąc wysokość komory wynoszącą 7 [m] otrzymamy:

ESR - 1.6 ( tunel wodny, hydrotechniczny)

B -7 [m] ( przekrój kołowy o promieniu 3,5m)

Długość kotwi w stropie

Długość kotwi w ociosach

R=3,5 [m]

H=s= 7 [m]

Dane do określenia wstępnej obudowy z diagramu:

Wskaźnik jakości górotworu Q	0,21
Współczynnik ESR	1,6
Klasa górotworu	Bardzo Słaby
Wymiary wyrobiska kołowego	R= 3,5 [m]

Dobierając obudowę dla powyższych parametrów otrzymujemy następujące wytyczne:

• Fibro beton o grubości od 5 do 9 cm - zalecane 9 cm

• Kotwie o długości 1,9 [m]

• Długość kotwi dla ESR=1 wynosi 2,3 [m]

• Przy zastosowaniu obudowy betonowej rozstawienie kotwi w stropie, co 1,4 [m]

• Rozstaw kotwi bez obudowy, co 0,5 [m]

Wyniki obu klasyfikacji (RMR i Q) są zgodne, określając stan górotworu jako bardzo słaby. Zwietrzenia, duży dopływ wody, oraz miękkie wypełnienie gładkich, płaskich szczelin powodują, iż jest to masyw bardzo kłopotliwy do wszelkich prac wyrobiskowych. Utrzymanie nie podpartego stropu nie przekracza 30 min, tak więc odpowiednie dobranie obudowy jest kluczową sprawą do wykonania planowego tunelu hydrotechnicznego. Podczas wykonywania budowy budowli podziemnych należy stosować szereg porównań różnych klasyfikacji, aby otrzymać jak najbardziej przybliżony wynik do warunków rzeczywistych.

---