Μελέτη απόδοσης μηχανήματος ολομέτωπης κοπής με εξισορρόπηση των γεωστατικών πιέσεων κατά την διάνοιξη σήραγγας του μετρό Αθηνών

Εισαγωγή  Εισαγωγικά στοιχεία για το Μετρό Αθηνών  Μέθοδοι διάνοιξης σηράγγων που χρησιμοποιήθηκαν  Κατηγορίες μηχανών διάνοιξης σηράγγων  Κριτήρια επιλογής μηχανής όρυξης  Επέκταση προς Ελληνικό  Γεωλογία – γεωτεχνικά χαρακτηριστικά – μηκοτομές περιοχής μελέτης  Αρχή λειτουργίας μηχανής Εδαφικής Εξισορρόπησης Πίεσης (ΕΡΒ)  Τεχνικά χαρακτηριστικά της Μηχανής ΕΡΒ  Βαθμός χρησιμοποίησης μηχανής ΕΡΒ  Ανάλυση λειτουργικών παραμέτρων το ΕΡΒ ανά σχηματισμό  Συμπεράσματα

Μετρό Αθηνών  Γραμμή 1 : γραμμή ηλεκτρικού σιδηρόδρομου (1869)  Γραμμή 2 : «Ανθούπολη - Ελληνικό» (2000)  Γραμμή 3 : « Αγία Μαρίνα - Δουκίσσης Πλακεντίας - Αεροδρόμιο» (2000)  Ταχύτερες και ασφαλέστερες μετακινήσεις πολιτών  Συνδυάζεται με τα άλλα μέσα μαζικής μεταφοράς  Οφέλη : η λιγότερη κίνηση οχημάτων, μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης και γενικότερη βελτίωση της ποιότητας ζωής  Δυνατότητα εύρεσης σημαντικών αρχαιολογικών έργων

Μέθοδοι διάνοιξης σηράγγων  Εκσκαφή με χρήση μηχανής Ολομέτωπης Κοπής (Tunnel Boring Machine TBM)  Εκσκαφή με χρήση μηχανής Σημειακής Κοπής με Ανοικτή Ασπίδα (Open face Shield)  Εκσκαφή με χρήση μηχανής Εξισορρόπησης Εδαφικής Πίεσης (Earth Pressure Balance)  Συμβατική μέθοδος εκσκαφής σηράγγων (ΝΑΤΜ)  Μέθοδος Ανοιχτού Ορύγματος (Cut and Cover)  Μέθοδος Επικάλυψης - Εκσκαφής (Cover and Cut)

Κατηγορίες μηχανών διάνοιξης σηράγγων Οι μηχανές ΤΒΜ, διακρίνονται σε μηχανές με Ασπίδα (τύπου SM) που εφαρμόζονται σε μαλακό έδαφος και στις μηχανές Διάτρησης Σηράγγων (τύπου ΤΒΜ) που χρησιμοποιούνται σε μαλακό και συμπαγή βράχο Μηχανές τύπου SM  Μηχανές χωρίς στήριξη μετώπου  Μηχανή με μερική υποστήριξη μετώπου  Μηχανή εκσκαφής στήριξης μετώπου με πεπιεσμένο αέρα  Μηχανή μετώπου υποστήριξης με πολφό  Μηχανή ολομέτωπης κοπής εξισορρόπησης εδαφικής πίεσης

Μηχανές Ολομέτωπης Διάνοιξης Σηράγγων ‘ΤΒΜ ’ Με ασπίδα  Μηχανή εξισορρόπησης Εδαφικής Πίεσης (ΕΡΒ)  Μηχανές πολφού  Ασπίδα ΕΡΒ & Πολφού μετατρεπόμενου τρόπου λειτουργιάς  Μηχανές Διπλής Ασπίδας Χωρίς ασπίδα  Μηχανή σκληρού βράχου με πέδιλα ώθησης

Κριτήρια επιλογής μηχανής όρυξης Σε αστικές περιοχές, οπού συνήθως οι σχηματισμοί δεν αποτελούνται από βράχους υψηλών αντοχών οι μηχανές που χρησιμοποιούνται είναι είτε με ασπίδα, είτε ακόμη συχνότερα, μηχανές που εφαρμόζουν πίεση στο μέτωπο (EPB, Slurry, Mixshield )  περατότητα του υλικού εκσκαφής (εμπειρικό όριο λειτουργίας του EPB 10 –5 m/s), έκχυση μπεντονίτη ή άλλων πρόσθετων χημικών ουσιών

Κριτήρια επιλογής μηχανής όρυξης  κοκκομετρική καμπύλη κατανομής του γεωυλικού Τα TBM-EPB καθώς είναι κατάλληλα σε μαλακά συνεκτικά εδάφη κάτω από τον υδροφόρο ορίζοντα, αργιλώδη–ιλυώδη και τα ιλυώδη–αμμώδη εδάφη με πολφώδη έως αραιή σύσταση είναι απόλυτα κατάλληλα για χρήση μηχανής EPB

Επέκταση προς Ελληνικό  Η επέκταση της Γραμμής 2, «ΑΓ. ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ – ΕΛΛΗΝΙΚΟ» ξεκινάει από την χιλιομετρική θέση (Χ.Θ) και εκτείνεται έως την Χ.Θ  Περιοχή μελέτης από το Φρέαρ Υμηττού έως τον σταθμό του Ελληνικού, οι αντίστοιχες Χ.Θ είναι –  Πραγματοποιήθηκαν 150 γεωτρήσεις σε βάθος έως και 40 μέτρα  επί τόπου δοκιμές που περιλάμβαναν την δειγματοληψία των εδαφικών σχηματισμών Προέκυψε ανά σχηματισμό και για κάθε τµήµα του έργου (σταθµό, φρέαρ ή σήραγγα) ένα εύρος τιµών σχεδιασµού των γεωτεχνικών παραµέτρων

Επέκταση προς Ελληνικό

Γεωλογία και γεωτεχνικά δεδομένα περιοχής μελέτης Γεωλογική μηκοτομή Χ.θ αα

Γεωλογία και γεωτεχνικά δεδομένα περιοχής μελέτης Γεωλογική μηκοτομή Χ.θ –

Γεωλογία και γεωτεχνικά δεδομένα περιοχής μελέτης Γεωλογική μηκοτομή Χ.θ –

Γεωλογία και γεωτεχνικά δεδομένα περιοχής μελέτης ΠαράμετροιΣχηματισμός Τεχ. Επιχ α9.2.β9.2.γ Συντελεστής ωθήσεων ko Γωνία τριβής φ (º) Μέτρο Ελαστικότητας Εm (MΡa) Μοναδιαίο βάρος γ (kN/m 3 ) Συνοχή c (KΡa) Λόγος Poisson ν

Γεωλογία και γεωτεχνικά δεδομένα περιοχής μελέτης Σχηματισμός α10.2.β10.2.γ10.3.β10.3.γ Συντελεστής ωθήσεων ko Γωνία τριβής φ (º) Μέτρο Ελαστικότητας Εm (MΡa) Μοναδιαίο βάρος γ (kN/m 3 )2023 Συνοχή c (KΡa) Λόγος Poisson ν0.3

Αρχή λειτουργίας μηχανής ΕΡΒ  η ελαχιστοποίηση των επιφανειακών καθιζήσεων μέσω του ελέγχου της φυσικής εδαφικής πίεσης  η πίεση εξισορρόπησης του εδάφους πρέπει να είναι ισοδύναμη ή ελάχιστα υψηλότερη από την επικρατούσα πίεση του περιβάλλοντος εδάφους, για να αντιστέκεται στις μετακινήσεις και στη δυναμική εισροή νερού  το εξορυσσόμενο υλικό αποσπάται μέσω του μεταφορικού ατέρμονα κοχλία μαζί με τους ρυθμιστικούς παράγοντες, από το θάλαμο της κοπτικής κεφαλής  για την βελτίωση του εξορυχθέν υλικού χρησιμοποιούνται υγρά πρόσθετα  το εξορυσσόμενο υλικό απομακρύνεται με την χρήση μεταφορικής ταινίας

Αρχή λειτουργίας μηχανής ΕΡΒ

Τεχνικά χαρακτηριστικά της μηχανής ΕΡΒ  Κοπτική κεφαλή : περιστρεφόμενη κοπτική κεφαλή βρίσκεται στην πρόσθια ασπίδα είναι εφοδιασμένη με κοπτικούς δίσκους ή σιαγώνες σύνθλιψης ή ένα συνδυασμό και των δύο, το πλήθος και η διάταξη των οποίων εξαρτώνται από την ποιότητα του πετρώματος  Πρόσθια και Οπίσθια ασπίδα : πρόσθια ασπίδα είναι ουσιαστικά ανεξάρτητη από τη υπόλοιπη ασπίδα και συνδέεται με την οπίσθια με 28 έμβολα ώθησης, τα οποία λειτουργούν με πίεση 250 bar. Ο στόχος της οπίσθιας ασπίδας είναι να εφοδιάζει συνεχώς με ένεμα το κενό μεταξύ του προκατασκευασμένου δακτυλίου της σήραγγας και του εδάφους  Ατέρμων κοχλίας : μεταφέρει το εκσκαφθέν υλικό στην πρώτη μεταφορική ταινία, η ταχύτητα περιστροφής του κοχλία καθορίζει το ρυθμό εκσκαφής  Προκατασκευασμένα στοιχεία: δακτύλιοι από οπλισμένο σκυρόδεμα για την ενίσχυση ενίσχυση των τοιχωμάτων της σήραγγας  Κέντρο ελέγχου του ΕΡΒ  Σύστημα υποστήριξης του ΕΡΒ

Δύναμη ώθησης Για την εκτίμηση της απαιτούμενης δύναμης ώθησης ενός TBM πρέπει να υπολογιστούν, η τριβή μεταξύ της ασπίδας και της βραχομάζας και η πίεση υποστήριξης στο μέτωπο. Η συνολική απαιτούμενη δύναμη ώθησης του μηχανήματος Fth σχεδιάζεται λαμβάνοντας υπόψη την τριβή μεταξύ εδάφους και ασπίδας, την κατά μήκος κλίση 4% της σήραγγας Fth = Συν. δύναμη ώθησης Fc = Δύναμη διείσδυσης κοπτικών Fs = Δύναμη πίεσης υποστήριξης μετώπου FF = Δύναμη τριβής μεταξύ ασπίδας TBM και εδάφους Fg = Δύναμη έλξης του συστήματος υποστήριξης ΔF = Περιθώριο ασφαλείας

Ροπή στρέψης Η κινητήρια ροπή που είναι αναγκαία για να προκαλέσει μια περιστροφή της κοπτικής κεφαλής πρέπει να είναι τουλάχιστον ίση με το άθροισμα των ροπών αντίστασης που προκύπτουν από τα εργαλεία εκσκαφής και την εδαφική λάσπη. MD : Απαιτούμενη ροπή στρέψης Mc : Ροπή αντίστασης οφειλόμενη της περιστροφής των κοπτικών εργαλείων Μs: Ροπή αντίστασης οφειλόμενη στην περιστροφή της κοπτικής κεφαλής τον εδαφικό πολφό ΔΜ : Περιθώριο ασφαλείας MD ≥ Mc + Μs

Σχεδιασμός κεφαλής Τεχνική περιγραφήΠοσότητα Μέγιστη εδαφική πίεση 4 bar Εξωτερική διάμετρος εκσκαφής9460 mm Εσωτερική διάμετρος εκσκαφής8480 mm Συνολικό μήκος ΕΡΒ με υποστήριξη90 m Δύναμη ώθησης23000 kN Εγκατεστημένη ισχύς3580 kW Διάμετρος κοπτικής κεφαλής9470 mm Μήκος κοπτικής κεφαλής460 mm Βάρος κοπτικής κεφαλής120 tons Εγκατεστημένη ισχύς κοπτικής κεφαλής2400 kW Ταχύτητα περιστροφής κοπτικής κεφαλής rpm Ροπή κοπτικής κεφαλής24452 kNm Αριθμός κοπτικών εργαλείων σύνθλιψης190 Αριθμός κοπτικών δίσκων22 Κοπτικοί δίσκοι υπερεκσκαφής2

Βαθμός χρησιμοποίησης μηχανής

Καταγραφές ΤΒΜ

Ανάλυση λειτουργικών παραμέτρων ανά σχηματισμό Μέσες τιμές παραμέτρων ανά σχηματισμό Παράμετροι 9.2α-β- γ 9.2α-β-γ- 10.3α-β-γ 10.2β-γ -10.3β-γ 10.2α-β- γ 10.2β 10.2β -γ 10.2β Δύναμη ώθησης (MN) Ροπή στρέψης (MNm) Ρυθμός διείσδυσης (m/h) Εδαφική πίεση (bar) Ισχύς (MW) Ταχύτητα περιστροφής (rpm) Συντελεστής κοπής

Δύναμη ώθησης

Ροπή στρέψης

Ρυθμός διείσδυσης

Εδαφική πίεση

Ταχύτητα περιστροφής (ω)

Ισχύς

Ειδική ενέργεια

Συντελεστής κοπής

Ειδική ενέργεια – Ρυθμός διείσδυσης

Συμπεράσματα - Προτάσεις  Ο σχεδιασμός της μηχανής είναι προσαρμοσμένος στις προβλεπόμενες γεωλογικές συνθήκες  Οι λειτουργικές παράμετροι που αναλύθηκαν φαίνονται ότι επηρεάζονται άμεσα από τους γεωλογικούς σχηματισμούς και τις ιδιότητες τους  Παρατηρήθηκαν περιπτώσεις όπου οι τιμές των λειτουργικών παραμέτρων παρουσιάζουν αποκλίσεις από τις αναμενόμενες  Οι τιμές τις ειδικής ενεργείας παρουσιάζουν μια αύξηση κατά την διάνοιξη σε σχηματισμούς με χαρακτηριστικά εδάφους και εδάφους – βράχου, ενώ σε βραχώδεις σχηματισμούς δεν απαιτήθηκε τόσο μεγάλη ισχύς  Συσχετισμός των λειτουργικών παραμέτρων μεταξύ τους  Προσδιορισμός δυνάμεων τριβής που δαπανάται στην ανάδευσης του πολφού για ακριβέστερο υπολογισμό της ειδικής ενέργειας κοπής  Υπολογισμός καθιζήσεων