VAŽNI ASPEKTI ANALIZE DVA PARALELNA BLISKA TUNELSKA OBJEKTA U POGLEDU SEIZMIČKIH UTICAJA Elefterija Zlatanović 1 Rezime: Tendencija stalnog porasta populacije velikih gradova, gustina saobraćaja i potreba za skladišnim kapacitetima doveli su nesumnjivo do povećanog iskorišćenja podzemnog prostora u vidu tunela na podzemnim železnicama i autoputevima, zatim podzemnih objekata za skladištenje materijala i otpada, kao i hidrotehničkih tunela za transport vode. Pored toga, 50 % svetske populacije živi u urbanim zonama, dok 70 % ove urbane populacije živi u trusnim područjima. Grad Niš, teritorija Srbije, kao i čitav prostor Balkana nalaze se u seizmički aktivnom području. Cilj ovog rada je da ukaže na važnost doskora zanemarivane, a zapravo veoma uske povezanosti dveju oblasti tunelogradnje i zemljotresnog inženjerstva, sa posebnim osvrtom na tunelske objekte sa dva paralelna bliska tunelska iskopa. Ključne reči: tuneli, seizmički uticaji, dva paralelna bliska tunela, važni aspekti analize Summary: Ever increasing population of large cities, density of transportation and need for storage capacity have led, inevitably, to an increased use of underground facilities, such as tunnels for subways, highways, material storage and sewage, and water transport. Besides, 50 % of the world s population lives in urban areas, and 70 % of that population lives in earthquake prone areas. The city of Nis, Serbia, and Balkan region are in the seismic active area. This paper emphasizes recently neglected, but in fact very tight link of two fields tunneling and earthquake engineering, with special survey of twintunnels. Keywords: tunnels, seismic impact, twin-tunnels, important aspects of analysis 1 dipl. inž. građ., asistent, Građevinsko-arhitektonski fakultet Niš, elefterija@gaf.ni.ac.yu 1 UVOD Tuneli kao objekti koji su ukopani u stenu ili tlo, veoma dugo su tretirani kao građevine sa dobrim antiseizmičkim svojstvima. Stoga, jedno izvesno vreme, oštećenjima na tunelskim objektima nije posvećivano dovoljno pažnje, kao što je to bio slučaj sa objektima iznad površine terena. Kako je broj tunelskih objekata i njihovih zemljotresom izazvanih oštećenja rastao, a posebno nakon nekoliko veoma snažnih zemljotresa novijeg datuma, ovaj problem je privukao pažnju stručne javnosti iz celog sveta, čime je pojačano interesovanje za utemeljenje sveobuhvatne seizmičke analize i metoda projektovanja tunelskih objekata. U zemljotresu Kanto u Japanu 1923. god, kada je preko 80 % od oko stotine tunela pretrpelo oštećenja, na jednom od objekata pomeranje tunelske obloge je iznosilo 25 cm, bubrenje tla u tunelu dostizalo je i do 1 m, dok je suženje poprečnog preseka tunela dostiglo veličinu od 50 cm. U zemljotresu St. Fernando u SAD 1971. god, po prvi put su oštećenja tunela izazvana zemljotresom dovedena u vezu sa naglim pomeranjima tla 252
svojstvenim područjima u neposrednoj blizini rasednih zona. Jedan od tunela u blizini raseda Sylmor bio je izložen vertikalnim pomeranjima i do 2.29 m. Osaka-Kobe zemljotres 1995. godine prvi je u nizu zemljotresa tokom koga su savremene podzemne građevine pretrpele veoma teška oštećenja, a što je podstaklo jačanje svesti o seizmičkom hazardu za tunelske objekte u urbanim zonama. Posle Chi-Chi zemljotresa u Taiwanu u 1999. godini, došlo se do saznanja da je stepen oštećenja tunelskih objekata veoma usko povezan sa starošću objekta. Naime, analize su pokazale da je u ovom zemljotresu 44 % oštećenih tunela sagrađeno pre 1980. godine, a da je bilo 14 % oštećenih tunelskih objekata koji su sagrađeni nakon 1980. U Duzce zemljotresu u Turskoj 2001. godine, deonica u dužini od 400 m Bolu tunela, koji je bio u fazi izgradnje, kompletno se srušila. 1952. Kern County zemljotres (slika 1) izazvao je podizanje tunelskog zida debljine 46 cm i savijanje šina koje su uklizale ispod tunelske obloge. 2 ODGOVOR TUNELSKE KONSTRUKCIJE NA SEIZMIČKE TALASE Odgovor tunela, i uopšte podzemnih objekata, na seizmičke uticaje u značajnoj meri se razlikuje od konstrukcija na površini terena, pre svega po tome što je masa objekta zanemarljivo mala u poređenju sa masom okolnog tla. Stoga se može reći da se odgovor podzemnih građevina na seizmičke uticaje bazira na odgovoru (deformaciji) okolnog tla usled zemljotresa, kao i na dinamičkoj interakciji konstrukcije i tla, a ne na inercijalnim svojstvima same konstrukcije, kao u slučaju ostalih građevina [16]. Slika 1 Savijene šine pruge ispod 46 cm masivnog tunelskog zida 1998. Mid North Iwate zemljotres (slika 2) ispusni tunel hidroelektrane je ispucao i odvojio se na nekoliko blokova, od kojih se jedan kompletno srušio i time izazvao prodiranje zemlje i ogromnih kamenih blokova (30-50 cm) u unutrašnjost tunela. Slika 2 Prodiranje zemlje i blokova kroz naprsli tunelski zid 1970. Off Izu Oshima zemljotres primer ilustrovan na slici 3 predstavlja svojevrstan fenomen i pokazuje slučaj tunela koji je, uprkos velikim pomeranjima uslovljenih aktiviranjem raseda čija su kretanja iznosila i do 1 m, uspeo da ostane gotovo netaknut. Naime, duž tunela, poprečni preseci su samo u neznatnoj meri bili izobličeni. Slika 3 Mestimično blago izobličen poprečni presek tunela Slika 4 Deformacije tunela usled dejstva zemljotresa [1] Sa inženjerskog aspekta, razlikuju se tri tipa deformacija podzemnih objekata (Owen and Scholl, 1981), ilustrovanih na slici 4: - pritisak / zatezanje, - podužno savijanje (izazvano seizmičkim talasima u pravcu ose tunela); - distorzija poprečnog preseka (usled seizmičkih talasa koji se pružaju poprečno u odnosu na osu tunela) što je najkritičniji vid deformacije izazvan dejstvom zemljotresa. 3 TUNELSKI OBJEKTI SA DVA PARALELNA BLISKA TUNELSKA ISKOPA Najnovije naučne studije u oblasti tunelogradnje i zemljotresnog inženjerstva ukazuju na sve veću važnost razvoja podzemne saobraćajne mreže. U slučaju jedinstvenog tunelskog profila potrebna je velika površina poprečnog preseka, i u tom slučaju velika količina iskopanog materijala, širina zone zahvaćene uticajima kao i tehničko-tehnološki zahtevi bili bi daleko veći nego u slučaju tunelskih objekata sa 253
dva paralelna bliska tunelska iskopa. Upravo iz tih razloga danas u svetu je sve češća praksa izgradnja dva paralelna tunelska objekta čije su prednosti višestruke: smanjenje prečnika tunelskog profila, a samim tim i veličine pomeranja tla izazvanog konstrukcijom tunela. U urbanim zonama geotehnički uslovi su takvi da je u najvećem broju slučajeva neophodna izgradnja novog tunela u neposrednoj blizini postojećeg. Slika 5 Tunelski objekti sa više tunelskih profila U novije vreme, izgradnja trećeg tunela kao prateće konstrukcije između dva glavna tunelska pravca postala je praksa, u cilju zaštite od požara (slika 5b) ili povezivanja objekata na velikim dubinama sa površinom terena (slika 6) [4]. 4 VAŽNI ASPEKTI SEIZMIČKE ANALIZE DVA PARALELNA BLISKA TUNELSKA OBJEKTA 1. Analitička rešenja za pomeranja tla izazvanih izgradnjom tunela od velikog su značaja. Međutim, ovim rešenjima ne mogu biti uključeni svi relevantni faktori, poput složenih naponsko-deformacijskih karakteristika tla, konstrukcijskih detalja i geoloških uslova. Zato je u savremenom naučnoistraživačkom pristupu veoma uputno sprovesti numeričku analizu problema i uporediti dobijene rezultate sa postojećim analitičkim rešenjima [2]. U cilju sveobuhvatnog razumevanja pojava izazvanih izgradnjom tunela ili delovanjem zemljotresa, istraživanje bi trebalo da predstavlja kombinaciju numeričke i eksperimentalne analize (slika 7). Slika 8 Poređenje 2D i 3D analize Slika 7 Eksperimentalna analiza tunelskih objekata [3] Slika 6 Pomoćni tunelski objekat u ulozi rampe Jedan od najinteresantnijih primera više paralelnih tunelskih objekata u savremenoj svetskoj praksi predstavlja Wushaoling Tunel, koga čine četiri tunelska objekta. Dužina ovih tunela je 22 km zbog čega Wushaoling tunel prestavlja najduži tunel u Kini, koji se duž svog pravca ukršta sa više regionalnih rasednih zona. Do današnjih dana, naime, veoma mali broj naučnoistraživačkih radova se bavio odgovorom dva paralelna tunelska iskopa na seizmičke uticaje. Imajuči u vidu sve gore navedene činjenice, cilj autora ovog rada je da se ukaže na neophodnost usavršavanja dostignuća u oblasti projektovanja i građenja više paralelnih tunelskih objekata, naročito u pogledu njihovog najmanjeg međusobnog rastojanja, koje je od velikog značaja posebno tokom zemljotresa. Ukoliko su dva tunelska iskopa na veoma bliskom međusobnom rastojanju, njihova interakcija (tj. preklapanje zona uticaja pojedinačnih tunela) ne može biti zanemarena. Interakcija predstavlja veoma važan faktor koji utiče na veličinu pomeranja tla. Kada je reč o izboru analize (2D ili 3D), treba istaći da postoje velike nepodudarnosti između rezultata dobijenih na osnovu ove dve analize. Naime, rezultati 2D i 3D analize se ne podudaraju u slučaju slabonosivog tla, takođe, veličine pomeranja dostižu svoj maksimum za različite vrednosti koraka vremena, a i u slučaju 2D analize dobijene veličine pomeranja su potcenjene (slika 8). Jedno od pomirljivih rešenja bi moglo da bude sagledavanje problema sa aspekta ravnog stanja deformacija, ali uz uslov da se dimenzije modela, granični uslovi i analitičke konstante budu uzeti identično onima u 3D studiji [4]. 2. U analizi mogu biti razmatrane tri različite konfiguracije položaja dva tunelska objekta: slučaj kada su tuneli paralelni u vertikalnom smislu, zatim u horizontalnom smislu, ili pod nekim uglom. Najveće vrednosti pomeranja se dobijaju za slučaj vertikalnog paralelnog položaja dva tunela,dok njihov horizontalni položaj rezultuje najmanjim pomeranjima [5]. Slika 9 Moguće pozicije dva paralelna bliska tunelska objekta 254
3. U pogledu okolnog medijuma, mogućnosti za analizu su brojne: - pojava velikih pomeranja usled izgradnje tunela u slabonosivom tlu svojstvena je urbanim područjima, što za posledicu može imati značajna oštećenja postojećih površinskih objekata [6], [15]; - analitička i numerička rešenja multi-tunelskih iskopa u poroelastičnim zasićenim formacijama gotovo da nisu prisutna u literaturi [7]; - slojevita struktura tla sa različitim karakteristikama materijala veoma je često prisutna u gradskim zonama [8]; - sredina sa pukotinskim sistemom, jer pukotine ne samo da reflektuju seizmičku energiju, već su i izvor interferencije seizmičkih talasa što za posledicu ima formiranje talasa koji propagira na većim daljinama i sa daleko manjim slabljenjem u poređenju sa direktnim talasima. 4. Predmet analize mogu biti nepodgrađeni tunelski iskopi, ili iskopi sa tunelskom oblogom, u čijem slučaju razlikujemo monolitni i montažnu oblogu. U projektovanju tunelskih objekata sa aspekta seizmičkih uticaja, ključni problem jeste utvrđivanje unutrašnjih sila u tunelskoj oblozi, što će omogućiti bolje razumevanje dinamičke interakcije tunelske obloge i okolnog medijuma. Tokom proteklih godina primena savremene tunelske mehanizacije u fazi gradnje uslovila je sve veću primenu montažnih tunelskih obloga, među kojima se razlikuju prstenovi sa vezom na sučeljavanje (spojnica na spojnicu), ili sa smaknutim spojnicama (slika 10). Prisustvo spojnica može rezultovati redukcijom momenata i do 50 % [9]. 6. Seizmička analiza tunelskih objekata obuhvata tri različite vrste opterećenja: a) Primarni naponi (in situ naponi, koji prethode tunelskom iskopu) koji obuhvataju težinu tla, pritisak zemlje i eventualno pritisak vode. Uticaj primarnog naponskog stanja na zonu oštećenja oko tunelskog iskopa prvi put je analiziran tek nedavno. U slučaju čvrstog tla, zona oštećenja oko tunelskog iskopa je daleko manja (slika 12, levo), a u slučaju ravnomernih pritisaka (K 1) ova zona je simetrična (slika 12, desno); Slika 12 Uticaj primarnih napona na zonu oštećenja oko tunelskih iskopa [8] b) Sekundarni naponi u vidu degradirane zone oko tunelskog iskopa (slika 13a) kao posledica izgradnje tunela i poremećaja primarnog naponskog stanja [10]. Posebno interesantan problem može biti seizmička analiza tunela u fazi izgradnje, uzimajući u obzir i opterećenje od iskopne mehanizacije (slika 13 b,c) [11], gde bi postojale dve uporedne varijante slučaj simultane eskavacije dva tunela i slučaj iskopa novog tunelskog objekta u neposrednoj blizini postojećeg [14]; Slika 10 Montažne tunelske obloge sa različitim tipovima spojnica 5. Kako je na velikim dubinama interakcija paralelnih tunelskih iskopa mala, u cilju bezbedne gradnje u urbanim zonama, posebno mesto zauzima analiza plitko položenih tunelskih objekata [13], [15]. Slika 11 Opadanje faktora interakcije dva paralelna tunela sa dubinom [6] Slika 13 Degradirana zona oko tunelskog iskopa i analiza opterećenja od tunelske mehanizacije c) Incidentna (specijalna) opterećenja od seizmičkih talasa i raseda. Odgovor tunelske konstrukcije može biti analiziran na uticaje primarnih P i sekundarnih S seizmičkih talasa (odvojeno ili kombinovano) [7]. U slučaju plitko položenih tunela R talasi (Rayleigh) takođe moraju biti uvršteni u analizu, jer izazivaju pomeranja i napone u tlu i konstrukciji koji se u velikoj meri razlikuju od istih koji su izazvani drugim vrstama seizmičkih talasa. Uprkos vidljivom napretku u razumevanju seizmičkog ponašanja podzemnih građevina, veoma je malo poznatih činjenica vezanih 255
za odgovor konstrukcije usled propagacije R talasa. U slučaju ovih talasa deformacije konstrukcije su daleko veće, i među njima deformacije savijanja kao najizraženije [12]. Sveobuhvatnom analizom oštećenja na tunelskim objektima došlo se do zaključka da je najveći deo ovih oštećenja usko povezan sa blizinom raseda. U takvim uslovima polje sekundarnih napona veoma je kompleksno i karakteriše se veoma snažnim intenzitetom i relativno kratkim trajanjem (poput kretanja izazvanih dejstvom impulsa). Osim istraživanja problema širenja seizmičkih talasa, u analizi dveju paralelnih bliskih tunelskih konstrukcija veoma značajan može biti i problem rasednih zona, čiji su najznačajniji faktori mehanizam nastanka talasa, pravac pružanja raseda u odnosu na lokaciju i permanentno kretanje tla kao posledica klizanja rasednih površina. Tom prilikom od naučnog značaja može biti slučaj kada je jedan od tunelskih objekata sa jedne, a drugi sa suprotne strane rasedne pukotine [14]. Slika 15 Mehanizmi formiranja raseda Slika 14 Vrste seizmičkih talasa (P, S, L i R-talasi) 5 ZAKLJUČAK Analiza tunela na seizmičke uticaje predstavlja kompleksan zadatak, jer obuhvata nekoliko naučnih disciplina uključujući dinamiku tla, stena i konstrukcija, zatim geologiju, seizmotektoniku i inženjersku seizmologiju. Takođe, tunelski objekti su od krucijalnog značaja u saobraćajnoj mreži, i pojava zemljotresa pored toga što bi dovela do gubitka ljudskih života, izazvala bi i teška oštećenja infrastrukture, a što bi zadalo težak udarac ekonomiji regiona, jer obnavljanje funkcionalnosti saobraćajne mreže zahteva određeno vreme. Stoga, nalaženje optimalnog rešenja za aseizmičko projektovanje i građenje dva paralelna bliska tunela može se shvatiti kao ozbiljan poduhvat, naročito zbog činjenice da projektni principi za tunelske objekte još uvek nisu uvršteni u Evrokod 8 (EN 1998-5, 2003). LITERATURA [1] Članak Hashash Y. et al. (2001): Seismic Design and Analysis of Underground Structures, Tunneling and Underground Space Technology 16, str. 210-214 [2] Članak Fotieva NN. (1980): Determination of the minimum seismically safe distance between two parallel tunnels, Osnovania, Fundamenti i Mehanika Gruntov [3] Konferencija Wang Z.Z. at al. (2008): Seismic response analysis of a tunnel with accumulated damage and crack effect in shaking table test, World Conference on Earthquake Engineering., Beijing,China [4] Konferencija Dobashi H. et al. (2008): Full 3D seismic response analysis of underground ramp tunnel using large-scale numerical computation, World Conference on Earthquake Engineering, Beijing, China [5] Članak Hage Chehade, Shahrour (2008): Numerical analysis of the interaction between twin tunnels: Influence of the relative position and construction procedure, Tunneling and Underground Space Technology 23, str. 210-214 [6] Konferencija Wang et al.( 2003): Twin tunnels-induced ground settlement in soft soils, Sino-Japanese Symposium on Geotechnical Engineering, Beijing, China [7] Članak Seyyed Hasheminejad M., Avazmohammandi R. (2007): Harmonic wave diffraction by two circular cavities in a poroelastic formation, Soil Dynamics and Earthquake Engineering 27, str. 29-41 [8] Članak Bin-Lin Chu et al. (2007): Mechanical behavior of a twin-tunnel in multilayered formations, Tunneling and Underground Space Technology 22, str. 351-362 [9] Konferencija Mizuno, Koizumi (2006): Dynamic behavior of shield tunnels in the transverse direction considering the effects of secondary lining, European Conference on Earthquake Engineering, Geneva, Switzerland [10] Članak Hany El Naggar et al. (2008): Simplified analysis of seismic in-plane stresses in composite and jointed tunnel linings, Soil Dynamics and Earthquake Engineering 28, str. 1063-1077 [11] Članak Kasper T., Meschke G. (2006): On the influence of face pressure, grouting pressure and TBM design in soft ground tunneling, Tunneling and Underground Space Technology 21, str. 160-171 [12] Konferencija Yue Q.X., Li J. (2008): Dynamic response of utility tunnel during the passage of Rayleigh waves, World Conference on Earthquake Engineering, Beijing, China [13] Članak Zlatanović E., Lukić D. (2007): Seizmičko opterećenje na plitko položene podzemne objekte, Zbornik radova Građevinskog fakulteta, Subotica, str. 377-382 [14] Konferencija Zlatanović E. (2008): Tunnels and underground structures from the aspect of seismic influences, 1 st German South East European Conference on Civil and Environmental Engineering Sciences, Bochum, Germany [15] Članak Zlatanovic E. (2008): Influence of Earthquakes on the Stress and Strain State of the Shallow Tunnel Structures in Saturated Soil of Low Bearing Capacity, Facta Universitatis, Series: Architecture and Civil Engineering, GAF Nis, Vol.6, No 2, str. 221-227 [16] Članak Zlatanović E. (2009): Analiza na seizmička dejstva i kriterijumi aseizmičkog projektovanja i građenja tunelskih konstrukcija, Izgradnja, Beograd, br. 3-4, str. 123-130 256