Prezentacja programu PowerPoint

TUNELE

Andrzej Wojtaszek

Materiały źródłowe:

S. Gałczyński

, Podstawy budownictwa podziemnego, Ofic. Wyd.PWr 2001

Współczesne technologie podziemnego budownictwa komunikacyjnego. Metody drążenia tuneli

komunikacyjnych

Autorzy:
Dr hab. inż. Cezary Madryas - Profesor PWr., W-ł Budownictwa Lądowego i Wodnego PWr,
Dr inż. Karol Ryż, Wydział Budownictwa Lądowego Politechniki Krakowskiej
Artykuł na podstawie wystąpienia przygotowanego na seminarium Politechniki Krakowskiej i SITK pod
tytułem .Problemy podziemnej komunikacji miejskiej w Krakowie., Kraków, 2002.

Marek Cała –Katedra Geomechaniki, Budownictwa i Geotechniki, AGH KRAKÓW wykłady

Tunel

budowla komunikacyjna w postaci
długiego korytarza - podziemna lub
podwodna, wykonana metodą odkrywkową
lub drążenia. Służy do omijania przeszkód
terenowych. Tunele to najczęściej budowle
geotechniczne mające swoje wyloty na
powierzchni ziemi. Ze względu na
przeznaczenie można je podzielić na:

•tunele kolejowe (dla ruchu pociągów);

•tunele drogowe (dla ruchu
samochodowego);

przejścia podziemne (dla ruchu pieszych).



CIEKAWOSTKI

Najdłuższym tunelem świata jest

"Seikan"

łączący wyspy Honsiu i

Hokkaido

w Japonii

. Powstał kosztem 7

miliardów dolarów i oddano go do użytku
w 1988 roku. Liczy 53,9 kilometra
długości, z czego 1/3 znajduje się pod
dnem morza.
W tunelu porusza się Shinkansen - szybki
pociąg osobowy (300 km/godz.). Do
budowy tunelu zużyto 2800 ton
materiałów wybuchowych i 168 tysięcy
ton stali.

Najgłębszy podwodny: Hitra (1994 rok) Norwegia;
długość 5. 645 m, głębokość: 264 m

NAJDŁUŻSZE TUNELE SAMOCHODOWE NA ŚWIECIE

Data otwarcia

Nazwa

Państwo

Długość

1882

Col de Tende

Francja - Włochy

3. 186 m

1948

Alfonso XIII

Hiszpania

5. 133 m

1964

Św. Bernarda

Szwajcaria - Włochy

5. 854 m

1965

Mont Blanc

Francja - Włochy

11. 600 m

1978

Arlberg

Austria

13. 972 m

1980

Św. Gotharda

Szwajcaria

16. 918 m

2001

Laerdal

Norwegia

24. 510 m

Drążenie wyrobisk podziemnych

WYKONYWANIE TUNELI

Urabianie, odspajanie górotworu w celu wykonania wyrobiska

podziemnego zależy w dużej mierze od właściwości masywu skalnego,
jego zwięzłości, twardości i wytrzymałości. Czynniki te decydują o
wielkości dopuszczalnych odsłonięć drążonych wyrobisk bez
zabezpieczenia obudową tymczasową bądź stałą.

Mamy  tu  pełną  analogię  z  robotami  ziemnymi  przy  wykonaniu  wykopów  pod
fundamenty,  podpiwniczenia  budynków  czy  też  na  potrzeby  budownictwa
podziemnego.  Podobnie  jak  w  robotach  ziemnych  urabianie  górotworu  odbywa  się
mechanicznie  albo  rzadziej  ręcznie  przy  czym  te  ostatnie  służą  głównie  do
ostatecznego,  kosmetycznego  przygotowania  wyrobiska  lub  wykopu    do  wykonania,
montażu  konstrukcji  podziemnej.  Mechanizacja  robót  podziemnych  lub  ziemnych
polega  na  zastosowaniu  ciężkich  maszyn  do  mechanicznego  urabiania  gruntu
względnie, w mniejszym zakresie, masywu skalnego. Skały najczęściej urabiane są za
pomocą  strzelania    materiałami  wybuchowymi.  Podstawowymi  elementami  robót
strzałowych  są  roboty  wiertnicze,  które  decydują  o  postępie  wykonywanego
wyrobiska.
Wydajność robót związanych z drążeniem wyrobiska zależy przede wszystkim od jego
wielkości  i  potrzeb  w  zakresie  jego  zabezpieczenia,  stabilizacji  zabiegami
technicznymi bądź obudową tymczasową.

Im  większe  wyrobisko  i  słabszy  górotwór,  tym  trudniejsze  jest  jego
zabezpieczenie  przed  zawałem.  Jednym  ze  skuteczniejszych  zabiegów  jest
podział  poprzecznego  przekroju  wyrobiska  na  segmenty  i  jego  drążenie
etapami umożliwiającymi eliminację niekontrolowanych  obwałów górotworu.

Podstawową zasadą drążenia wyrobisk są bezpieczne, całkowicie kontrolowane
procesy urabiania górotworu i stabilizacji wykonywanych wyrobisk. Nie
dopuszczalne są jakiekolwiek samorzutne obwały lub nadmierne, niezgodne z
przewidywaniami przemieszczenia górotworu do wyrobiska.

Wyodrębnienie poszczególnych etapów drążenia
wyrobisk podziemnych stanowi podstawę ich
podziału na dwa rodzaje:



wyrobiska

udostępniające

jako

ograniczone

ich

wielkości,

bezpieczne

wyrobiska

danych

warunkach geotechnicznych przy przyjętej
metodzie ich drążenia i zabezpieczenia,



wyrobiska docelowe

jako wyrobiska, w

których

będą

wykonane

budowle

podziemne którąś z metod budowy
obiektów podziemnych.

Przegląd metod wykonania

budowli podziemnych

TUNELE

Wybór właściwej metody wykonania budowli przesądza o dobrej,

ekonomicznie uzasadnionej budowie obiektu lub o złej, ekonomicznie nie trafnej jego
realizacji. Zły wybór metody może też stać się przyczyną awarii, a nawet katastrofy
budowlanej. Można wyróżnić cztery zasadnicze grupy metod wykonania budowli
podziemnych:



metody górnicze przystosowane do drążenia wyrobisk w masywie

skalnym, rzadziej w ustabilizowanym masywie gruntowym



metoda tarczowa przystosowana do drążenia wyrobisk w dowolnym

górotworze,


metody odkrywkowe stosowane w masywach gruntowych na małych

głębokościach,


metody specjalne dotyczące wyjątkowych sytuacji geotechnicznych i

wodnych.

Każda z wymienionych grup jest przystosowana do bardzo zróżnicowanych
czynników decydujących o przebiegu robót podziemnych lub ziemnych. Wśród tych
czynników na plan pierwszy wysuwają się:



głębokość posadowienia budowli,



warunki geologiczne i geotechniczne,



stan wód podziemnych i powierzchniowych,



stopień zagrożenia powierzchni terenu,



techniczne i ekonomiczne możliwości realizacji budowli podziemnej.

Charakterystyczną cechą poszczególnych metod jest dążenie do realizacji budowy z
zachowaniem maksymalnych warunków bezpieczeństwa robót przy minimalnych
kosztach ich prowadzenia

Do powszechnie znanych metod górniczych zalicza

się

[8]:

system angielski

(z końca XVIII w.) stosowany przede

wszystkim w gruntach stabilnych,
-

system belgijski

(pierwsze zastosowanie w 1828 roku

przy budowie tunelu Charleroy) stosowany także w
gruntach rozdrobnionych,
- system niemiecki (z początku XIX w.) służący do
budowy tuneli o dużych przekrojach i przy znacznych
naciskach górotworu,
-

system austriacki

(z początku XIX w.) z urabianiem

górotworu  praktycznie  na  całej  powierzchni  przekroju
poprzecznego  (rozpoczyna  się  od  sztolni  spągowej,  z
której  następuje  wdzierka  pod  strop,  poszerzenie  jej  na
boki i wybieranie warstw ku spągowi),

- system włoski

nadający się do stosowania w słabym

górotworze (rumosz skalny), słabych gruntach (piaski,
żwiry) oraz w gruntach nasypowych.

Metody górnicze

Metody

górnicze

polegają

wykonywaniu

wszystkich robót związanych z drążeniem i
wznoszeniem obudowy pod ziemią.

Są  to  klasyczne  metody  realizacji  tuneli  górskich  i  innych  budowli
podziemnych posadowionych na dużych głębokościach w masywach skalnych
lub  dostatecznie  stabilnych,  nienawodnionych  masywach  gruntowych.  W
terenie  zagospodarowanym  lub  zagrożonym  intensywnym  dopływem  wody
metody  górnicze  nie  mogą  być  stosowane  bez  specjalnych  dodatkowych
zabiegów  stabilizujących  i  uszczelniających  górotwór.  W  zależności  od
zwięzłości  i  stabilności  górotworu  można  wydzielić  następujące  metody
stopniowej rozbudowy wyrobiska:


metoda pełnego przekroju zwana

austriacką

a przystosowana do

ustabilizowanego masywu skalnego (

rys. 9.1),



metoda podpartego sklepienia albo

belgijska

umożliwiająca

realizację budowli podziemnej w górotworze niejednorodnym,
stosunkowo słabym w części stropowej, a dostatecznie mocnym na
wysokości ociosów i spągu wyrobiska

(rys. 9.2),



metoda rdzenia oporowego czyli metoda

niemiecka

przydatna w

warunkach górotworu słabego wymagającego natychmiastowego
lokalnego zabezpieczenia

(rys. 9.3).

Na  rysunkach  ilustrujących  schematy  kolejnych  etapów  rozbudowy  wyrobiska  i
kolejnych  fragmentów  wznoszenia  obudowy  podano  numerację  oznaczającą
kolejność  robót  z  tym,  że  etapy  robót  ziemnych,  drążeniowych  oznaczono  liczbami
arabskimi, a robót budowlanych - rzymskimi.

Charakterystycznymi

elementami

poprzecznego

przekroju

wyrobiska

podziemnego

są

trzy

następujące

fragmenty

(rys. 9.1)



kalota

(A) obejmująca górną część

wyrobiska zasadniczego,


sztrosa (B) jako element rozbudowy

dolnej części wyrobiska zasadniczego,


spąg

ukształtowania

wyrobiska

uwzględnieniem

stabilności

podłoża

fundamentów obudowy i nawierzchni
użytkowej budowli podziemnej,



sztolnia

(D)

jako

wyrobisko

udostępniające rozbudowę kaloty lub
innego fragmentu wyrobiska

W łatwych warunkach hydrogeologicznych
tunele mogą być drążone pełnym
przekrojem,

jednak

większości

przypadków są one wykonywane z
podziałem przekroju na strefy:

kalota, sztrosa i spąg

Przy dalszych podziałach kalotę dzieli
się na sztolnie pilotującą - stropową
oraz sztolnie ociosowe.

W wyjątkowo trudnych warunkach geologicznych lub przy
przejściach pod przeszkodami stosuje się dodatkowe
(wyprzedzające) zabezpieczenia kaloty ekranami prętowymi lub z
dyli, metodą jet-grouting, iniektowanymi ekranami rurowymi lub
tworząc tzw. .parasol z rur. (system Alwag).

Odrębną nowoczesną metodą budowy obiektów
podziemnych jest tak zwana

Nowa Austriacka

Metoda Tunelowania

w skrócie

NATM

która

jest

metodą pełnego przekroju (austriacką),

ale

rozszerzoną na różne rodzaje górotworu dzięki
zastosowaniu

szeregu

dodatkowych

zabiegów

technicznych stabilizujących wyrobisko podziemne.

Zalicza się ją (New Austrian Tunnelling
Method) do metod klasycznych,

której

zasady ogłosił w 1948 roku prof.
Ladislaus von Rabcewicz.

W tabeli 1 przedstawiono przykłady zastosowań

NATM

do budowy tuneli

komunikacyjnych w miastach.

Tabela 1. Wybrane projekty wykonane metodą

NATM.

Projekt

Dane

techniczne

Warunk

gruntow

Kos

Termin

wykon

ania

Tunele

metro -

Frankfurt n.

Menem

2 bliźniacze tunele

o długości 300 m

iły
frankfurc
kie, (muły
i piaski),
wodonoś
ne

mln.

1980-
1983

Stacja City

Place -

metro w

Dallas

2 tunele o długości

17000 stóp i średnicach

21 stóp, 3 tunele klatek

dla ruchomych schodów,

4 tunele wentylacyjne 2

szyby bezpieczeństwa

wapień,

kreda,

tarasy

piaskowe

125

mln.

1992-

1996

Stacja

Waterloo -

metro

w Londynie

perony, tunele szlakowe,

przej.cie dla pasażerów,

tunele wentylacyjne

mady,
osady
rzeczne,
tarasy
żwirowe,
iły
londyński
e

150
mln

1993-

1996

Spośród 21 zasad określonych przez
Rabcewicza

dla

NATM

przełomowe

znaczenie miało przyjęcie założenia, że

górotwór

należy

traktować

jako

element nośny konstrukcji tunelu.

Dopuszczając odkształcenia górotworu (w
pewnych

granicach)

otoczenie

wyrobiska traktuje się tu jako rodzaj
nośnej powłoki. spełniającej rolę
obudowy wstępnej

W  takim  ujęciu  kolejność  robót  polega  na
wykonaniu  wyłomu  w  odcinkach,  montażu
obudowy  wstępnej  (ze  zbrojonego  siatkami
metalowymi betonu natryskowego) o relatywnie
małej  nośności,  konstrukcji  spągowej,  ułożeniu
izolacji oraz wykonaniu obudowy ostatecznej.

Metoda tarczowa

. Tarcza jest specjalnym urządzeniem

służącym  do  budowy  obiektów  podziemnych,  głównie
tuneli  w  bardzo  słabym,  nawodnionym  masywie
gruntowym.  W  metodzie  tarczowej  stosuje  się  szczelną
obudowę  prefabrykowaną  zdolną  do  natychmiastowego
zabezpieczenia  wyrobiska  podziemnego.  Jest  to  metoda
kosztowna,  ale  gwarantująca  całkowite  bezpieczeństwo
robót  nawet  w  wyjątkowo  trudnych  warunkach  budowy
tuneli podwodnych

(rys. 9.4).

Jej

odmianą

jest

metoda

przecisku

wykorzystywana

przy

realizacji

małych,

krótkich

obiektów

typu

tunelowego.

Innym

szczególnym

przypadkiem

metody

tarczowej

są

urządzenia

wykorzystywane do budowy tzw. mikrotuneli czyli
niedostępnych

dla

ludzi

kanałów,

rurociągów

podziemnych, które są wykonywane na zasadach metody
tarczowej przy pełnej robotyzacji całego procesu budowy.

Metody

odkrywkowe

Metodami

odkrywkowymi

wykonujemy

budowle

podziemne posadowione w gruntach na małej
głębokości.  Są  to  roboty  zbieżne  z  robotami
ziemnymi  i  polegają  na  wykonaniu  wykopu,
wzniesieniu konstrukcji i zasypaniu gotowej już
budowli.  Można  to  zrealizować  dwoma
metodami:


w wykopie szerokoprzestrzennym w terenie

niezabudowanym, dostępnym, np. w terenie
specjalnie wydzielonym (rys. 9.5),


wąskich

przekopach

terenie

zabudowanym, mało dostępnym, np. pod
istniejącą ulicą

) rys. 9.6).

Metody specjalne

. Metody specjalne służą do

realizacji  budowli  podziemnych  w  bardzo  trudnych
warunkach  geotechnicznych  i  wodnych,  na  przykład
tuż  pod  dnem  akwenu  lub  w  warunkach  górotworu
upłynnionego.  Metody  specjalne  są  uzupełnieniem
metod  klasycznych  i  służą  do  realizacji  budowli
podziemnych  w  górotworze  nieustabilizowanym  w
warunkach  wyjątkowo  dużego  zagrożenia,  szczególnie
wodnego.  Jako  najważniejsze  metody  specjalne  można
wymienić:


pogrążanie, głównie zatapianie gotowych segmentów

budowli podziemnej

(rys. 9.7),



stabilizacja masywu skalnego lub gruntowego

poprzez iniekcyjne wzmacnianie i uszczelnianie
górotworu w otoczeniu wykopu bądź wyrobiska
podziemnego

(rys. 9.8).

2. Metody górnicze

Podstawową zasadą wykonywania budowli

górniczymi  metodami  podziemnymi  jest  zachowanie
równowagi  stropu  wyrobiska  po  jego  odsłonięciu  w
wyniku  robót  drążeniowych,  np.  strzałowych.  W
żadnym  przypadku  w  otoczeniu  wyrobiska  nie  mogą
wystąpić samorzutne obwały górotworu, które stałyby
się  bezpośrednim  zagrożeniem  dla  załogi  i  sprzętu,  a
pośrednio

doprowadziłyby

zawału

całego

wyrobiska.

Głównymi

środkami

bezpiecznego,

skutecznego

prowadzenia

robót

jest

stopniowa rozbudowa wyrobiska

i jego

natychmiastowa stabilizacja np. obudową
tymczasową

Roboty wykonuje się segmentami o długości 2030 m.

2.1. Obudowa tymczasowa

Obudowa tymczasowa - to kratownice lub łuki

nośne, na których układa się okładzinę jako ciągłą lub
ażurową  osłonę  powierzchni  wyrobiska.  Wyróżniamy
obudowę  drewnianą,  metalową  i  z  ustabilizowanego
płaszcza  górotworu  jako  materiału  miejscowego.  W
przeszłości najczęściej stosowano obudowę drewnianą
i jest ona przykładem ilustrującym zasadę etapowego,
cyklicznego procesu realizacji budowy z zachowaniem
niezbędnego  bezpieczeństwa  robót.  Wykorzystanie
obudowy stalowej umożliwia wdrożenie współczesnej,
szerokiej  mechanizacji  robót.  Natomiast  różnorakie
metody

stabilizacji

górotworu

warunkach

kompleksowej kontroli zachodzących w nim procesów
- to domena najbardziej nowoczesnej, powszechnie
wdrażanej metod górniczej zwanej nową metodą
austriacką (NATM).

Obudowa  drewniana.  wyjściowym  elementem  obudowy  drewnianej  jest  obudowa
sztolni.  Jest  ona  wykonywana  jako  wyrobisko  udostępniające  rozbudowę  kaloty
wyrobiska  docelowego.  Sztolnię  wykonujemy  na  całej  długości  realizowanego
segmentu  budowli  podziemnej.  Po  jej  wykonaniu,  w  narożach  odrzwi  pod  stropnice
podbudowujemy  dwa  podchwyty

(rys. 10.1).

Są to dłużyce, które podstemplowujemy

pierwszymi stemplami przyszłej kratownicy w postaci wachlarza. Stemple oparte na
podwalinach tworzą nowy, trapezowy układ

nośny, który podtrzymuje strop wyrobiska

w  zasięgu  sztolni  udostępniającej.  Stemple  i  spągnice  odrzwi  zabezpieczających
sztolnię  można  więc  zdemontować  i  rozpocząć  poszerzenie  kaloty  na  całej  długości
segmentu.  Rozbudowę  kaloty  wykonujemy  równomiernie  zgodnie  z  zasadą
otwieranego  wachlarza.  Po  poszerzeniu  kaloty  symetrycznie  na  ustaloną  szerokość
ustawiamy  następne  dwie  dłużyce,  które  podstemplowujemy  dodając  następny
element  wachlarza  kratownicy.  Procedurę  powtarzamy  dopóty,  dopóki  kalota  nie
zostanie rozbudowana na całą szerokość

(rys. 10.1).

Pod  osłoną  zabezpieczonej  kaloty  następuje  pogłębienie  wyrobiska  i  rozbudowa  jej
sztrosy.  W  tym  celu  wykonujemy  centralny  przekop  i  poszerzone  studnie  do  spągu
wyrobiska podziemnego. W studniach układamy nowe podwaliny, a na nich ustawiamy
dwa  podwójne  słupy  zwieńczone  oczepem  (rys.

10.1).

Na oczepie ustawiamy nową

kratownicę  wachlarzową  podstemplowując  dłużyce  podtrzymujące  strop  kaloty.
Demontujemy  poprzednią  kratownicę  i  rozbudowujemy  sztrosę  podobnie  jak  kalotę,
poszerzając  ją  wachlarzowo.  Po  pierwszym  poszerzeniu  układamy  następne  dłużyce,
które  podstemplowujemy stemplami  opartymi na podwalinach słupów. Po całkowitym
wydrążeniu wyrobiska dochodzimy do pełnej kratownicy wachlarzowej

(rys. 10.2),

którą

usztywniamy  podłużnie  rozporami.  Na  niej  opierają  się  podłużne,  płatwiowe  lub
poprzeczne, krokwiowe elementy nośne. Na elementach tych w miarę potrzeb układa
się  okładzinę  zabezpieczającą  cały  strop  wyrobiska.  W  bardzo  mocnym  górotworze
drewnianą  obudowę  tymczasową  może  tworzyć  wypukły  wielobok  zamknięty,  dobrze
rozklinowany podkładkami w węzłach połączeń elementów obudowy

(rys. 10.3).

Obudowa  stalowa.  Obudowę  stalową  tworzą  z
reguły  łuki  z  dwuteowników  szerokostopowych.  Łuki
są  wyginane  na  zamówienie  wykonawcy  robót  w
specjalnych  wytwórniach  i  składają  się  z  kilku,
najczęściej czterech elementów:


dwóch łuków stropowych montowanych w kalocie,



dwóch elementów ociosowych montowanych na

wysokości ścian w sztrosie.
Łuki,  zwłaszcza  w  części  stropowej  są  łączone
podłużnymi  belkami,  dzięki  czemu  drążenie  kaloty
może  wyprzedzać  sztrosę,  a  montaż  łuków  odbywać
się  etapami,  najpierw  część  stropowa,  a  później
podbudowa  części  ociosowej

(rys. 10.4).

Najczęstszym

poszyciem łuków stalowych jest siatka rozpięta na
całej powierzchni stropu i w razie konieczności
górnej części ociosów.

Stabilizacja górotworu. W niektórych przypadkach, gdy mamy
do czynienia z bardzo mocnym , zwięzłym masywem skalnym
wyrobisko

podziemne

może

pozostawać

bez

obudowy

tymczasowej. Czasami jest to możliwe, ale tylko w nazbyt krótkim
okresie czasu i trzeba dokonać odpowiednich zabiegów, aby
wydłużyć ten okres do momentu wykonania obudowy stałej.

Do takich zabiegów należy:



kotwienie górotworu,



nakładanie torkretu lub warstwy betonu,



nakładanie mocowanej kołkami siatki,



iniekcyjne zespalanie spękanego górotworu

Zabiegi te są elementem nowej metody austriackiej -

NATM

odpowiednio  posterowane  prowadzą  do  wytworzenia  wokół
wyrobiska  ściskanej  obudowy  nośnej,  zdolnej  zrównoważyć  duże
narastające  ciśnienie  górotworu.  Tworzy  się  więc  obudowa
równoważna  wachlarzowej  kratownicy  drewnianej  czy  łuku
stalowego

(rys. 10.5)

2.2. Charakterystyka robót

Prowadzenie

robót

podziemnych

metodami

górniczymi  jest  związane  z  realizacją  budowli  na
bardzo dużych głębokościach pod powierzchnią terenu
np.  w  górach  lub  bezpośrednio  pod  przeszkodami  np.
pod  istniejącą  budowlą  naziemną.  Są  to  metody
kosztowne  i  należy  je  stosować  w  sytuacjach
przymusowych.  Bywa  jednak  i  tak,  że  metody
podziemne  mogą  być  konkurencyjne  dla  innych
rozwiązań  np.  metod  odkrywkowych,  jeśli  rachunek
ekonomiczny  będzie  obejmował  całokształt  kosztów  z
kosztami  społecznymi  i  ekologicznymi  włącznie.
Metody  podziemne  pozwalają  na  realizację  wielu
przedsięwzięć

techniczno-gospodarczych

bez

uszczerbku dla terenów już zagospodarowanych.
Dobrze zorganizowane i prowadzone roboty podziemne
dają ogromne możliwości rozwoju

wielu przedsięwzięć

gospodarczych, muszą jednak być zgodne z ogólnymi
zasadami bezpieczeństwa i gospodarności.

Metoda pełnego przekroju.

W mocnym, ustabilizowanym masywie skalnym

budowa tunelu lub obiektu komorowego jest prowadzona segmentami, w których
najpierw wykonuje się wyrobisko, a następnie wznosi obudowę stałą.

Drążenie wyrobiska obejmuje budowę sztolni stropowej, poszerzenie
kaloty i rozbudowę sztrosy

Metoda podpartego sklepienia

Belgijska

metoda podpartego sklepienia jest przykładem pełnego rozwinięcia

etapowego  systemu    budowy  obiektów  podziemnych.  Realizacja  obiektu  zaczyna  się
również  od  budowy  sztolni  w  stropie  wyrobiska,  ale  operacja  ta  wyprzedza
systematycznie  następny  etap  w  układzie  podłużnym  na  około  30  m  i  jest
kontynuowana  niezależnie  od  pozostałych  robót.  W  ślad  za  budową  sztolni  postępuje
rozbudowa  kaloty  zgodnie  z  omówionymi  wcześniej  zasadami.  Roboty  w  kalocie  są
prowadzone  niezależnym  systemem  ciągłym  na  podobnej  długości  segmentu
sięgającym 30 m. Po zrealizowaniu kaloty podejmowane są na dalszym odcinku prace
związane  z  wykonaniem  sklepienia  obudowy  stałej.  Długość  tych  odcinków  jest
przystosowywana nie tylko do możliwości  niezależnego prowadzenia robót, ale także
do  niezbędnego  czasu  dojrzewania  konstrukcji  stałej  wykonywanej  na  mokro.  W
procesie  realizacji  obudowy  stałej  usuwa  się  obudowę  tymczasową,  której  rolę
przejmują  najpierw  szalunki  obudowy  stałej,  a  później  sama  obudowa.  Tymczasowe
oparcie  wezgłowi  sklepienia  tej  obudowy  musi  więc  być  dokładnie  przemyślane  i
poprawnie zaprojektowane, aby mogło spełniać rolę stałego fundamentu i umożliwiać
późniejszą  bezpieczną  podbudowę  ścian  obudowy.  Sklepienie  nie  może  ulec
naruszeniu,  dlatego  jego  wezgłowia  są  przeważnie  znacznie  pogrubione,  w
porównaniu  do  grubości  ścian,  aby  pozostawały  oparte  na  caliźnie  w  czasie  ich
podbudowy

(rys. 10.6).

Pod osłoną wykonanej obudowy stałej prowadzone są roboty związane z drążeniem centralnej części sztrosy, a
następnie z jej poszerzaniem i podbudową ścian. Operację poszerzania kaloty i podbudowy ścian prowadzimy
odcinkami 3  4 - krotnie krótszymi niż długość segmentu sklepienia. Roboty wykonujemy systemem mijankowym

zgodnym z ruchem konia szachowego (rys. 10.7). Jest to dodatkowe zabezpieczenie przed narażeniem sklepienia
na jego uszkodzenie. Prace w bezpośrednim sąsiedztwie odcinka podbudowanej ściany możemy rozpoczynać
dopiero w momencie, gdy konstrukcja uzyskała pełną nośność, wytrzymałość. Podbudowane odcinkami ściany są w
końcowym etapie rozpierane sklepieniem odwrotnym lub płytą spągową. Jest to ostateczne zrównoważenie ustroju
nośnego obudowy stałej

Metoda rdzenia oporowego

Niemiecka

metoda rdzenia oporowego zwana również wielosztolniową jest

potokową metodą przystosowaną do budowy obiektów podziemnych

w słabym,

niestabilnym górotworze

. Jej wyprzedzającym, pierwszym etapem jest budowa

dwóch równoległych sztolni w osiach fundamentów i ścian obudowy stałej

(rys. 10.8).

wyprzedzającym  na  30  m  wydrążeniu  sztolni  rozpoczyna  się  budowa  fundamentów  i
dolnej części ścian obudowy. Długość drugiego odcinka robót ustala się na podstawie
niezależności  prowadzenia  robót  i  czasu  dojrzewania  konstrukcji  ścian.  Jest  to  co
najmniej 30-metrowy odcinek. Nad pierwszym poziomem sztolni budujemy następne z
podobnymi  przesunięciami  etapowania,  aż  do  momentu  osiągnięcia  pełnej  wysokości
ścian obudowy stałej. Mając gotowe ściany przyszłej obudowy rozpoczynamy drążenie
kaloty.

Kalotę wykonujemy w porządku opisanym w metodzie belgijskiej i

austriackiej.  Rozpoczynamy  od  sztolni,  która  jest  jednym  z  dalszych  etapów  w
rozwiniętym  systemie  potokowym.  Potem  następuje  rozbudowa  kaloty  i  wykonanie
sklepienia obudowy stałej. przewaga metody niemieckiej nad belgijską polega na tym,
że  wezgłowia  sklepienia  są  tym  razem  oparte  bezpośrednio  na  istniejących  już
ścianach.  Ustrój  nośny  nie  jest  więc  narażony  na  ewentualne  uszkodzenia  w  czasie
realizacji budowy. Pod osłoną kompletnej obudowy stałej wykonuje się roboty ziemne
związane  z  usunięciem  rdzenia  oporowego.  O  ile  budowa  dużej  liczby  sztolni  jest
kosztowną  operacją,  o  tyle  usunięcie  rdzenia  znacznie  pomniejsza  ogólne  koszty
budowy  obiektu  podziemnego.  Im  większe  wyrobisko  i  większy  udział  rdzenia  w
globalnej  objętości  robót  podziemnych,  tym  bardziej  korzystny  będzie  wynik
ekonomiczny  scharakteryzowanej  metody.  Budowa  obiektu  kończy  się  wykonaniem
sklepienia odwrotnego.

wszystkich

omówionych

metodach

górniczych

oprócz

sztolni

przeznaczonych  do  rozbudowy  wyrobisk  docelowych  mogą  być  wykonywane
dodatkowe  sztolnie,  szybiki  czy  studnie,  które  usprawnią  wykonawstwo  robót  i
transport.  W  potokowym  systemie  budowy  obiektu  właśnie  organizacja  transportu
nastręcza wiele problemów, których rozwiązanie wymaga szczególnej uwagi.

2 3.

Nowa metoda austriacka -

NATM

Nazwa

NATM

jest raczej symboliczną nazwą

nowoczesnych zasad realizacji budowli podziemnych
metodami górniczymi. Metody te nawiązują do
wszystkich elementów racjonalnego prowadzenia robót
podziemnych:



zapewnienia pełnego bezpieczeństwa robót,



sygnalizowania wszelkich zagrożeń,



wykorzystania górotworu jako miejscowego

materiału budowlanego o określonej nośności,
sterowania procesem redystrybucji pierwotnych
naprężeń i odprężenia górotworu,


stosowania

wydajnego

sprzętu

zmechanizowanego,


umiejętnego

kierowania

technologią

organizacją robót,


tworzenia efektywnej, taniej produkcji o

wysokiej jakości.

New Austrian Tunnelling Method

Podstawową zasadą

NATM

jest

dążenie do

wykorzystania możliwie w jak największym
stopniu efektu samonośności górotworu

w którym

prowadzone jest wyrobisko.

Obowiązują tutaj dwie reguły.



przy wykonywaniu wyłomu w górotworze jak najmniej

mu szkodzić


aktywizować górotwór w taki sposób, aby jego

odkształcenie osiągnęło wielkość optymalną w
momencie przyjęcia obciążeń przez obudowę
ostateczną

The

NATM

may be defined as a method of producing underground space

using  all  available  means  to  develop  the  maximum  self-supporting
capacity  of  the  rock  or  soil  to  provide  the  stability  of  the  underground
opening.  This  is  achieved  by  the  application  of  a  smooth  and
appropriately  resistant  initial  support  and  a  final  lining  which  should
accept the necessary deformation but guard against the development of
rock  load.  The  initial  lining  may  consist  of  shotcrete,  steel  arches,
androckbolts, either singly or in combination.

New Austrian Tunnelling Method

Koncepcję budowy tuneli tworzy 10 podstawowych zasad:

1.Zasadniczym  elementem  tunelu  jest
otaczający  górotwór  i  dlatego  należy  w
taki  sposób  wykonywać  wyłom,  aby  w
miarę  możliwości  utrzymać  pierwotną
wytrzymałość  skał  otaczających  tunel,  a
po  wykonaniu  wyłomu  nie  dopuścić  do
rozluźnienia  skał,  powstania  szczelin,
spękań.

Należy zatem do minimum ograniczyć strefę zniszczenia
w otoczeniu tunelu. Z tego względu powinno się
wykonywać tunel w kształcie zbliżonym do eliptycznego o
stosunku półosi jak stosunek ciśnień pierwotnych.

zasada 1



= 

= p

+ p







 1

Najodpowiedniejszy

kształt tunelu

na całym obwodzie

tunelu występuje

równomierne

ściskanie o wartości



= 

= p

+ p

- pionowa składowa pierwotnego stanu

naprężenia,
p

–pozioma składowa pierwotnego stanu

naprężenia,
a,b -odpowiednio pionowa i pozioma półoś elipsy

Stosowanie

powinno być ograniczone do niezbędnych

przypadków, a metryka strzałowa określona niezwykle
dokładnie.

Najkorzystniej jest drążyć tunel za pomocą kombajnu
lub tarczy wiertniczej

, a kontur wyrobiska zabezpieczyć

właściwą obudową wstępną.

New Austrian Tunnelling Method

ZASADA 2

2.  Na  konturze  wyrobiska  i  w  jego  pobliżu  należy
wytworzyć  trójosiowy  stan  naprężenia,  ponieważ
skała ma mniejszą wytrzymałość w stanie jedno lub
dwuosiowym  w  porównaniu  do  trójosiowego  stanu
naprężenia.

pierścień

wzmocnionego
górotworu

Strefa odprężona

Można

tego

dokonać

stosując

każdym

etapie

wykonywania

tunelu

aktywną obudowę

wstępną

złożoną głównie

z torkretu i kotwi oraz w
warunkach
zdecydowanie
niekorzystnych

łuków

stalowych

lub

żelbetowych

dużej

podporności

New Austrian Tunnelling Method

CD ZASADA 2

2.  Na  konturze  wyrobiska  i  w  jego  pobliżu  należy
wytworzyć  trójosiowy  stan  naprężenia,  ponieważ
skała  ma  mniejszą  wytrzymałość  w  stanie  jedno
lub  dwuosiowym  w  porównaniu  do  trójosiowego
stanu naprężenia.



W tradycyjnych metodach drążenia tuneli stosowano

obudowy pasywne (drewniana, stalowa). Najczęściej były to
obudowy

tymczasowe

(podczas

zabudowy

obudowy

ostatecznej były rozbierane). W

NATM

stosuje się aktywne

systemy obudowy.



Obudowa

wstępna

aktywnie

przeciwdziałać

przemieszczeniom konturu tunelu natychmiast po jej
zabudowie. Do aktywnych obudów wstępnych można zaliczyć
przede wszystkim torkret i kotwie.


Każdą obudowę, która nie działa aktywnie przeciw

przemieszczeniom konturu tunelu należy traktować jako
pasywną

New Austrian Tunnelling Method

Obudowa  wstępna  i  ostateczna  powinny  posiadać
odpowiednio dobraną sztywność (nie powinny być
ani  zbyt  sztywne  ani  zbyt  podatne)  powiązaną  z
okresem  czasu  jaki  upłynął  pomiędzy  zabudową
obudowy

wstępnej

zabudową

obudowy

ostatecznej•



Zbyt późne założenie obudowy

ostatecznej powoduje, że

w  górotworze  tworzy  się  strefa  zniszczenia  o  znacznych
rozmiarach.  Wzrost  ciężaru  spękanych  skał  wymusza
stosowanie  obudowy  ostatecznej  o  dużej  podporności  co
najczęściej prowadzi do wzrostu jej grubości.



Za wczesne założenie obudowy

ostatecznej jest

niekorzystne

, gdyż nie pozwala ona na dostateczne

odkształcenie  górotworu  i  odkształcenia  te  obciążają
obudowę  ostateczną.  Powstaje  konieczność  zwiększenia
grubości  obudowy  ostatecznej  co  z  kolei  powoduje  wzrost
jej sztywności.

New Austrian Tunnelling Method

ZASADA 4

Należy oszacować odległość pomiędzy przodkiem

tunelu a miejscem założenia obudowy ostatecznej tzw.
okres czasu utrzymywania tunelu w obudowie wstępnej.

Aby tego dokonać trzeba:



znać własności odkształceniowe i wytrzymałościowe ośrodka

w otoczeniu tunelu


dokonać klasyfikacji górotworu wzdłuż trasy prowadzonego

tunelu i na jej podstawie wstępnie określić czas utrzymania
tunelu bez obudowy


podczas drążenia tunelu należy wykonywać pomiary

przemieszczeń i odkształceń w wybranych punktach konturu
tunelu i w jego otoczeniu, pomiary konwergencji ścian tunelu,
pomiary rozwarstwień w głębi górotworu (pomiary prowadzić
zarówno w kalocie jak i w tunelu w obudowie wstępnej a także
ostatecznej),

pomiary

przemieszczeń

konturu

tunelu

powinny  pozwolić na
określenie  czasu  po
którym  za  obudową
wstępną

należy

wznieść

obudowę

ostateczną

New Austrian Tunnelling Method



Jeżeli w otoczeniu tunelu tworzy się niewielka strefa

zniszczenia,

nie

występują

duże

odkształcenia

reologiczne i obudowa wstępna jest w stanie przenieść to
obciążenie pochodzące od górotworu wówczas przyrost
przemieszczeń

upływem

czasu

maleje

przemieszczenia  konturu  tunelu  zdążają  do  poziomej
asymptoty.  W  tym  przypadku  czas  instalacji  obudowy
ostatecznej  nie  ma  znaczenia  nawet  może  być
zabudowana  po  wykonaniu  całego  tunelu  w  obudowie
wstępnej.


Jeżeli obciążenie od górotworu z czasem narasta przez

pewien okres czasu przemieszczenia w przybliżeniu
zwiększają się liniowo a później następuje wzrost
prędkości

przemieszczeń

przekroczenie

nośności

obudowy wstępnej i obudowa wstępna ulega zniszczeniu.
Okres liniowego wzrostu przemieszczeń może być bardzo
krótki i jak się tylko pojawi należy założyć obudowę
ostateczną

znać

własności

odkształceniowe

wytrzymałościowe ośrodka w otoczeniu tunelu

New Austrian Tunnelling

Method

Obudowa

wstępna

powinna

przylegać

górotworu szczelnie i na
całej

powierzchni,

aby

przeciwdziałać powstaniu
lokalnych

znacznych

odkształceń i zmniejszyć
strefy zniszczenia



Najskuteczniej osiąga się to

poprzez stosowanie betonu
natryskowego.

Ponadto

obudowa wstępna musi być w
miarę

cienkościenna,

aby

mogła

poddawać

się

obciążeniom pochodzącym od
górotworu.

praktyki

wiadomo,

że

maksymalna

grubość torkretu nie powinna
przekraczać 20-25 cm.

Obudowa

ostateczna

tunelu

największą

wytrzymałość oraz bardzo korzystnie współpracuje z
górotworem, poprzez obudowę wstępną, jeżeli jest
zamknięta ( pierścień obudowy jest zamknięty).



Kaloty

wykonywane ze znacznym wyprzedzeniem wydłużają

ten czas i narażają wysuniętą do przodu, nie zamkniętą, powłokę
obudowy  na  duże  naprężenia  zginają  wzdłuż  osi  głównej  tunelu.
W  miejscach  posadowienia  obudowy  kaloty,  w  spągu  może
wystąpić  przekroczenie  wytężenia  ośrodka  i  dlatego  aby  nie
pojawiły  się  niekorzystne  strefy  zniszczenia  należy  miejsca  te
odpowiednio zabezpieczyć.


Szczególnie korzystne jest drążenie tunelu pełnym

przekrojem. Dzielenie przekroju i wykonywanie tunelu w kilku
etapach powoduje wiele niekorzystnych zjawisk takich jak:


komplikuje organizację prac w czasie wykonywania tunelu,



tworzą się lokalne miejsca koncentracji naprężeń,



następuje spadek wytrzymałości górotworu w otoczeniu tunelu

na skutek rozluzowania się ośrodka, tworzenia się spękań i
szczelin podczas każdego etapu drążenia i dochodzenia do
kształtu ostatecznego tunelu.

New Austrian Tunnelling Method

7.  Należy  projektować  zaokrąglony  kształt  przekroju
poprzecznego  tunelu  aby  zapobiec  koncentracjom
naprężeń  w  narożach  i  miejscach  załamywania  się
kształtu.

8.Obudowie ostatecznej stawia się następujące
wymagania:



ze względu na występowanie naprężeń zginających i

ścinających a także odpowiednią jej podatność powinna
być możliwie cienka,


wskazane jest aby przylegała szczelnie do obudowy

wstępnej,


nie jest korzystne występowanie sił tarcia pomiędzy

obudową wstępną a ostateczną.

9. Kontrolę poprawności przyjętych założeń
dotyczących wykonywania tunelu oraz przyjętych
wymiarów zarówno obudowy wstępnej jak również
obudowy ostatecznej powinno się prowadzić
sukcesywnie w miarę postępu przodka wykorzystując
w tym celu pomiary.

10.Wodę działającą na obudowę wstępną należy
odprowadzać za pomocą drenów.

Wykonanie obudowy stałej

W metodach górniczych obudowę stałą wykonujemy najczęściej

jako

masywną konstrukcję sklepioną murowaną lub betonową

Deskowanie sklepienia spoczywa na tymczasowych konstrukcjach
nośnych -

krążynach.

Zewnętrzny obrys krążyny musi dokładnie

odpowiadać wewnętrznemu obrysowi obudowy stałej. Wyróżniamy
krążyny drewniane i stalowe przystosowane do przejęcia ciśnienia
górotworu po zdemontowaniu obudowy tymczasowej.

Krążyna

drewniana

składa się z kilku warstw desek obcinanych według szablonu

i zbitych gwoździami (rys. 10.13).

Krążyna stalowa

jest wykonywana z

wyginanych

odpowiednio elementów stali kształtowej np. ceowników .

W procesie realizacji obudowy stałej można wyróżnić następujące
czynności:


wyrównanie wyłomu wyrobiska,



wykonanie wkopów pod fundamenty obudowy w celu wyeliminowania