Problematika primárního ocelobetonového ostění podzemních děl

Marek Mohyla

Doctoral thesis

Contribution to Design of Primary Tunnel Lining from Steel-Shotrete Structure

Abstract:

Práce představuje alternativní postup, který dovoluje při návrhu primárního ostění realizovaného pomocí numerického modelování zohlednit jeho specifické vlastnosti. Primární ostění, tak, jak je konstrukčně chápáno dle základních principů Nové rakouské tunelovací metody (NRTM) se vyznačuje časově závislou pracovně-deformační charakteristikou, která je daná jeho konstrukcí. Hlavním konstrukčním prvkem je stříkaný beton, který již krátce po aplikaci zajišťuje statické spolupůsobení s obklopujícím masivem, které se během ražby díla vyvíjí do doby dosažení rovnovážného napěťo-deformačního stavu systému „hornina – ostění“. Během této doby se zmíněné statické spolupůsobení mění v závislosti na tuhnutí stříkaného betonu, reologických vlastnostech masivu a dalších okolnostech. Způsob vyztužení primárního ostění je specifický rozložením ocelové výztuže v ploše průřezu. Kromě výztužných sítí, které jsou v průřezu ostění rozloženy rovnoměrně, se používají také výztužné obloukové nosníky. Tyto nosníky jsou osazovány s osovou vzdáleností většinou totožnou s délkou zabírky, následkem čehož dojde k nerovnoměrnému vyztužení průřezu. Takovouto konstrukci pak není možné, v případě nutnosti zohlednění výztužných ocelových oblouků, posoudit jako konstrukci železobetonovou běžným postupem dle EC2. Situace je alternativně řešena užitím principů využívaných při návrhu spřažených ocelobetonových konstrukcí, nebo jinými alternativními postupy. Postup představený v práci dovoluje zohlednění výše zmíněných specifik primárního ostění uživatelsky přívětivou alternativou. V rámci řešení je využíván software Homogenizace, který vznikl na půdě Fakulty stavební, Katedry geotechniky a podzemního stavitelství. Tento software dovoluje zohlednění heterogenní struktury ostění formou jeho nahrazení průřezem homogenním. Do numerických modelů tak vstupují parametry primárního ostění homogenního, ve kterém je zohledněna přítomnost ocelové výztuže a časově závislých vlastností stříkaného betonu.

Abstract:

The paper presents an alternative procedure that allows the specific characteristics of primary lining implemented using numerical modelling to be taken into account during its design. Primary lining, as it is structurally construed in accordance with the fundamental principles of the New Austrian Tunneling Method (NATM), is characterized by a time-dependent deformation property, which is determined by its design. The main design element is shotcrete, which, shortly after its application, provides structural interaction with the surrounding rock mass, which develops during the excavation until reaching the equilibrium stress-strain state of “rock mass – tunnel lining”. During this time, the structural interaction varies depending on the hardening of shotcrete, the rheological properties of rock mass, and other circumstances. The method to reinforce the primary lining is specific due to the distribution of steel reinforcement over the cross-sectional area. In addition to reinforcement meshes, which are evenly distributed in the cross-section of the lining, use is also made of reinforcing arched beams. These beams are fitted with an axial distance which is generally identical to the length of the burden, which consequently leads to uneven reinforcement of the cross-section. If it is necessary to take account of the reinforcing steel arches, such a structure then cannot be assessed as a reinforced concrete structure under the common Eurocode 2 procedure. As an alternative solution, use is made of the principles applied in the design of composite steel and concrete structures, or other alternative procedures. The procedure introduced in the paper provides a user-friendly alternative to take account of the above specific properties of primary lining. The solution uses the software Homogenization, developed by the Faculty of Civil Engineering, Department of Geotechnics and Underground Engineering. This software allows taking account of the heterogeneous structure of the lining by its replacement with a homogenous cross section. As a result, the parameters of homogeneous primary lining, which takes account of the presence of steel reinforcements and the time-dependent property of shotcrete, are included in numerical models.

Keywords

Tunelové stavby, primární ostění, stříkaný beton, homogenizace průřezu, numerické modelování

Keywords

Tunnel construction, tunnel lining, shotcrete, homogenization of cross-section, numerical modelling

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 9. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 16. 3. 2017
• Supervisor: Karel Vojtasík
• Reader: Vladislav Horák, Jan Pruška, Petr Janas

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta stavební

Doctoral programme / field:
Stavební inženýrství / Geotechnika