GEOSTUD: Comportarea rocilor argiloase-marnoase in timpul excavatiilor subterane [II]

(continuare din nr. 214, iunie 2024)

STUDIU DE CAZ: PREZENTAREA RISCURILOR GEOTEHNICE CE SE POT IDENTIFICA PE TRASEELE DE TUNELURI

Programul national de executie a autostrazilor si cel de reabilitare a liniilor de cale ferata, la care s-au adaugat recent si liniile de metrou, prevad executia de tuneluri care de regula trec prin roci argiloase sau marnoase a caror comportare in timpul executiei s-a descris anterior.

In continuare se prezinta riscurile geotehnice ce pot apa­rea atunci cand se excaveaza in aceste roci. In prealabil se prezinta o serie de caracteristici fizice si mecanice ale acestor roci, cu exemplificari concrete din baza de date GEOSTUD.

1. Clasa argilelor marnoase si marnelor argiloase

In tabelul de mai jos se prezinta principalii indici geotehnici.

Tabel 1: Tabel centralizator cu principalii indici geotehnici si pamanturile marnoase (dupa continutul de carbonati – CaCO3)

Din analiza datelor din tabel, se constata urmatoarele:

Argilele avand un continut important de carbonati se incadreaza in clasa argilelelor marnoase (CaCo₃=5-20%) si marnelor argiloase (CaCO₃=21-35%).

Pamanturile sunt dispuse alternativ atat pe directie orizontala cat si pe adancime. Caracteristicile fizice si geomecanice sunt diferite de la un strat la altul. Pamanturile sunt cu compresibilitate mare si foarte mare, practic saturate, active si foarte active in raport cu apa (U_L=55-310%). In consecinta, pot exista presiuni foarte mari care vor solicita sprijinirile.

In fig. 4 se prezinta un extras din fi.a fotografica a unui foraj, pe zona de adancime a tunelului.

Fig 4: Extras din fisa forajului Fs 15

2. Clasa marnelor

Pe traseul metroului clujean s-au intalnit trei tipuri de marne, asa cum rezulta din descrierea petrografica ilustrata in fig. 5.

Fig. 5: Descrierea petrografica a rocilor interceptate in forajul F2.5 (conform raportului de incercare Nr. 125/02.04.2021 intocmit de UTCB)

Se constata, din fig. 5, ca roca este neomogena si se fragmenteaza la actiuni mecanice, cum sunt cele din timpul saparii tunelurilor. In consecinta, s-a considerat util sa se verifice principalele caracteristici fizice si mecanice cat si calitatea rocii ca mediu de fundare si de construire dupa indicele RQD*, dupa cum se poate observa in Tabelul 2.

Tabel 2

___________

*Indicele RQD (Rock Quality Designation) reprezinta comportarea masivelor de roca ca mediu de fundare si de construire a lucrarilor ingineresti exprimata global prin deformabilitate, permeabilitate, stabilitate si capacitate portanta si depinde esential de gradul de faramitare a rocii.

Din analiza datelor din Tabelul 2 se constata ca rocile interceptate in acest foraj (marna siltica prezenta sub cele trei forme) sunt neomogene din puctul de vedere al calitatii ca mediu pentru fundatii si constructii, iar pe ansamblu se incadreaza in clasa acceptabila (RQD=64,1%) cand sunt in masiv si nu sunt sapate.

Insa aceste roci, odata cu crearea golului prin excavare, se destind si se fisureaza. Raza de influenta a fisurilor poate ajunge pana la 6 m distanta fata de axul tunelului si, practic, in aceasta zona roca nu preia niciun fel de efort sau preia cel mult unul minim. In consecinta, sunt necesare sprijiniri cu spraituri metalice sau cintre si consolidarea cu ancore pasive, deoarece, prin cimentarea gaurilor de foraj si o dispunere adecvata de interspatii intre ancore, se creeaza o consolidare a rocii, care va putea prelua astfel eforturi. De o deosebita importanta este cunoasterea lungimii razei de influenta a destinderii, pentru ca ancorele sa se incastreze in roca neafectata de destindere. Lungimea de incastrare depinde in principal de: rezistenta la rupere a otelului, diametrul ancorei etc. Uzual, din practica, lungimea de incastrare la tuneluri este de 1/4 ‒ 1/3 din deschidere.

De asemenea, ca metoda alternativa pentru consolidarea peretilor tunelului, se pot face injectii din interior.

3. Concluzii si recomandari

Pe baza datelor obtinute in urma cercetarii geotehnice, putem concluziona ca in mediul geologic in care se executa excavatiile subterane, in zona rocilor argiloase-marnoase, se pot induce o serie de riscuri geotehnice, dupa cum urmeaza:

• Riscuri legate de terenurile de fundare sau excavate

→ Sapaturile pentru tuneluri (excavatii subterane) traverseaza zone cu pamanturi argiloase foarte active in raport cu apa si care intra in contact cu apa (apa subterana sau cea necesara in procesul de racire a dispozitivelor de sapat) si pot dezvolta presiuni de umflare foarte mari, care vor actiona ca forte suplimentare asupra tunelului in timpul executiei cat si in timpul exploatarii.

De asemenea, tot la traversarea rocilor argiloase, apare fenomenul de «destindere» sau «decomprimare», datorat modificarii starii de eforturi din masiv prin micsorarea solicitarilor date de sarcina geologica. Conform literaturii de specialitate, «decomprimarea» poate ajunge la valori importante, ce conduc la modificari ale parametrilor geotehnici;

→ In procesul de excavare a tunelurilor, starea de eforturi preexistenta este perturbata. Astfel, in zona golului creat de excavare apar concentrari de eforturi ce conduc la instabilitate si la faramitarea rocii. Sub actiunea gravitatiei, roca astfel faramitata se poate surpa, creandu-se efectul «boltii de surpare». Acest fenomen poate fi cu atat mai mult posibil si amplificat de prezenta rocilor friabile si cu discontinuitati.

• Riscuri legate de prezenta apei subterane

→ In sapaturile efectuate sub nivelul apei subterane vor fi necesare epuizmente care pot fi exceptionale. De asemenea, apa subterana este agresiva chimic fata de betoane si betoane armate, cat si coroziva fata de armaturile din betonul armat.

Un caz aparte il constituie efectul drenant al excavatiilor subterane, indeosebi in tunelurile sapate in roci argiloase, avand in vedere ca galeria insasi este un dren. Odata cu coborarea nivelului apei subterane care se scurge in galerie, presiunea in stratele de deasupra scade, si astfel se pot antrena tasari de consolidare (tasari de subsistenta) ce conduc la degradarea eventualelor constructii de deasupra. Interventiile ulterioare sunt greu de facut, si de aceea sunt necesare preinjectii mai ales in cazul lucrarilor de metrou.

Pe baza acestor riscuri, relatia viitoarelor structuri geotehnice apartinand metroului cu mediul geologic se poate incadra in categoria geotehnica 3, respectiv risc geotehnic major.

Plecand de la toate informatiile obtinute in urma cercetarii geotehnice, putem face urmatoarele recomandari, de care trebuie sa se tina cont la proiectarea si stabilirea tehnologiei de executie a tunelurilor:

⇒ Stabilitatea excavatiilor subterane

Pentru stabilitatea excavatiilor subterane trebuie avute in vedere urmatoarele:

• Orientarea axei longitudinale a galeriei in raport cu directia dominanta a planurilor de discontinuitate (stratificatie, sistuozitate, sisteme de fisuri);
• Calitatea masivului ca mediu de fundare si de construire (indicele RQD);
• Monitorizarea deplasarilor rocii si a eforturilor de contact intre roca si sprijinire pe masura ce frontul inainteaza. In baza monitorizarii, se poate face o adaptare corecta la conditiile locale;
• Metoda de excavare, avansul, grosimea stratului de sprit-beton si lungimea ancorelor se vor stabili prin proiectare pe baza rezultatelor masuratorilor in situ. In 6 este prezentat un model de sapare in trepte. Este recomandabil ca saparea tunelului sa se faca in uscat si cu racire cu aer.

Fig. 6: Etapele de realizare a excavatiei in trepte

• Estimarea limitelor zonelor plastice care iau nastere in jurul golului format de sapatura;
• Experienta in domeniu a echipei de proiectare si a unitatii de construire.

⇒ Amenajarea patului tunelului

Avand in vedere diversitatea pamanturilor in care se sapa tunelul, cat si pentru uniformizarea presiunilor pe terenul de fundare si pentru preintampinarea ridicarii vetrei, patul tunelului se va amenaja astfel:

• Excavarea terenului de fundare pe cel putin 1,00 m adancime si perimetral 1 m mai mult decat latimea fundatiei;
• Inlocuirea pamantului excavat cu material granular asezat pe un geotextil cu rol de separare, filtrare si drenare (perna de balast invelita in geotextil si armata cu doua randuri de geogrile biaxiale). Proiectarea si executia unui sistem de drenaj prin pompare pentru scoaterea apei din vatra in cazul in care aceasta patrunde.

Materialul granular (amestec optimal) utilizat va fi compactat in straturi de 30,00 cm grosime (afanat) pana se obtine un grad de compactare D=98 – 100% Proctor modificat.

• Alte recomandari:

In afara recomandarilor prevazute in studii si in cele de mai sus, sunt necesare si urmatoarele, avand in vedere ca asupra peretilor sapaturii se exercita presiuni foarte mari (impingeri) date in principal de fenomenul de destindere, descarcari si de umflare:

• Forare numai cu scuturi si cu viteza mare de inaintare;
• Cartarea galeriilor pe parcursul executiei si inventarierea tuturor fenomenelor geologice, structurale, mineralogice, litologice, geotehnice si hidrogeologice pentru dimensionarea suplimentara a sustinerii provizorii si definitive;
• Executia de foraje de explorare in avans, indeosebi in zonele cu lucrari subterane vechi sau parasite cat si in zonele cu vestigii istorice cunoscute. Aceste foraje se executa din frontul de excavatie orizontal si lateral cu lungimi de 30-50 m si pot avea si rol de drenare;
• La terminarea unui sector de tunel, toate datele inregistrate se pot grupa intr-un profil care va servi la controlul modului de comportare a masivului in perioada exploatarii. 7 ilustreaza un model de astfel de profil.

Fig. 7: Profil de tip reprezentare a situatiei geologo-tehnice dupa excavatie (extras din BANCILA, Vol. II – Cap. Constructii subterane)

• Depistarea fenomenului de curgere lenta a rocii si urmarirea in timp a acestuia pana la stabilizare;
• Alegerea tipului de sprijinire si a metodei de lucru, in functie de conditiile din teren (impingerea maxima si sistemul de discontinuitati, apa subterana etc.); aceasta poate fi elastica (cu sprit-beton) sau rigida (cu cintre metalice).

Avand in vedere ca in general mediul inconjurator este agresiv chimic fata de betoane si betoane armate, este strict necesar ca la elaborarea retetei pentru prepararea betonului si la preparare sa se ia toate masurile prevazute de urmatoarele norme:

• NEO12/1.2022: Normativ pentru producerea betonului si executarea lucrarilor din beton, beton armat si beton precomprimat, Partea 1: Producerea betonului;
• SR EN 206+A2 2021: Specificatie, performanta, productie si conformitate.

De asemenea, intrucat apa subterana este coroziva fata de armaturile din betonul armat, este necesar ca pentru protectia acestora sa se respecte masurile prevazute de norma PD165/2012 Subcapitolul II 6.4.

MONITORIZAREA IN TIMPUL EXECUTIEI SI EXPLOATARII TUNELURILOR

Monitorizarea se va face atat in timpul executiei cat si in timpul exploatarii, prin inspectii vizuale si prin masuratori.

Monitorizarea in timpul executiei este foarte importanta, intrucat le furnizeaza proiectantului si constructorului elemente pentru adaptarea proiectului din mers («metoda observationala», conform SR EN 1997-1:2004/AC:2009 ‒ Eurocod 7: Proiectarea geotehnica. Partea 1)

Monitorizarea trebuie facuta atat asupra structurilor aferente tunelului cat si asupra constructiilor de la suprafata aflate in zona de influenta a acestuia.

Prin masuratori este strict necesara urmarirea parametrilor de mai jos, lista acestora nefiind insa exhaustiva:

• Deplasarea conturului excavatiei;
• Presiunea exercitata de roca asupra sprijinirii si a camasuielii definitive, «presiunea muntelui»;
• Deformatiile rocii in interiorul masivului;
• Presiunea apei din pori;
• Temperatura in tunel;
• Nivelul zgomotului in tunel;
• Emisiile de gaze in tunel;
• Debitul apelor care eventual se infiltreaza in tunel.

Pentru monitorizarea executiei si a exploatarii tunelurilor mai sunt necesare si urmatoarele observatii si masuratori:

• Starea de aderenta a fundatiei la roca de baza;
• Depistarea si urmarirea evolutiei fisurilor in roci si beton;
• Urmarirea fenomenelor de eroziune a peretilor si a tavanului;
• Comportarea sustinerilor provizorii si definitive;
• Actiunea apei subterane asupra materialelor folosite la construirea tunelurilor (urmarile agresivitatii si coroziunii asupra betonului armat etc.).

De asemenea, se vor lua masuri de prevenire a unor eventuale avarii, inundatii, cutremure etc. Toate aceste masuri trebuie trecute intr-un proiect de monitorizare.

Proiectul de monitorizare geotehnica complexa se va face de catre proiectantul de specialitate, la solicitarea Beneficiarului, si trebuie sa stabileasca valorile parametrilor masurati ce caracterizeaza starea normala de exploatare si valorile limita de «atentie», «avertizare» si «alarma».

Este bine ca aceasta monitorizare geotehnica si structurala sa se faca automatizat, avand urmatoarele avantaje:

• Inlaturarea erorilor umane in procesul de achizitie si de interpretare a datelor;
• Punerea unor date de inalta precizie la dispozitia specialistilor, intr-un timp scurt sau chiar in timp real, facilitand o interventie rapida, daca este necesar;
• Modelarea si planificarea unor incidente posibile si implementarea unor actiuni de interventie.

BIBLIOGRAFIE:

[1] Studii geotehnice elaborate de SC GEOSTUD pentru exe­cutia autostrazilor, reabilitarea liniilor de cale ferata si executia metrourilor;

[2] S. ANDREI, Apa in pamanturi nesaturate, Editura Tehnica, Bucuresti, 1967;

[3] S. ANDREI, Mecanica rocilor. Curs si aplicatii, I.C.B, 1983;

[4] A. CHIRICA (1991), Contributii referitoare la influenta macrostructurii pamanturilor coezive asupra tasarii si cedarii terenului de fundare, Teza de doctorat, ICB;

[5] D. P. GEORGESCU si A. C. APOSTU, Evaluarea rezistentei si durabilitatii betonului in laborator, Editura Standardizarea, Bucuresti, 2022;

[6] D. STEMATIU, Mecanica rocilor pentru constructori, Editura Conspress, Bucuresti, 2008;

[7] J. M. HVROSLEV, F. ASCE (1960), Research conference on shear strenght of cohesive soils, ASCI, University of Colorado Boulder (pp. 169-273);

[8] Ion BANCILA s.a., Geologie inginereasca, vol. I si II, Editura Tehnica, Bucuresti, 1981;

[9] M. SANDULESCU, Geotectonica Romaniei, Editura Tehnica, Bucuresti, 1984;

[10] Anghel STANCIU, Florin ROMAN, Fundatii, Vol. 3, Editura Tehnica, Bucuresti, 2020;

[11] A. STANCIU, I. LUNGU, Fundatii, Vol. 1 – Fizica si mecanica pamanturilor, Editura Tehnica, Bucuresti, 2006;

[12] V. ARAD, Mecanica rocilor. Monografie, Editura AGIR, Bucuresti, 2022;

[13] F. ZAMFIRESCU, R. COMSA, L. MATEI, Rocile argiloase in practica inginereasca, Editura Tehnica, Bucuresti, 1985;

[14] P.M. CASHMAN and M. PREENE, Groundwater Lowering in Construction, Editura Spon Press, 2012.

Autori:

ing. Sebastian MUSTATEA, sef department geotehnica II – SC GEOSTUD SRL

dr. ing. Aurel BARARIU, consilier pe probleme de geotehnica si mediu – SC GEOSTUD SRL

 www.geostud.ro

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 215 – iulie 2024, pag. 54-57