Projektiranje predorov

Likar, J.: Use Eurocodes in the design of tunnels

Uporaba Eurokodov pri projektiranju predorov

Izr.prof.dr. Jakob Likar Univerza v Ljubljani, Naravoslovnotehniška fakulteta

Izvle�ek

Upoštevanje koncepta varnosti konstrukcij v geotehni�nem inženirstvu je vezano na upo-rabo Eurokodov (EC) predvsem EC7 namenjenega geotehni�nemu projektiranju. Nadrobnejši pregled zasnove EC7 skozi podporne konstrukcije do neke mere omogo�a geostati�no preverjan-je stabilnosti predorskih oblog plitvih predorov v zemljinah v razli�nih konsisten�nih stanjih in razli�nih zrnavosti. Pri tem se odpira vprašanje uporabe principov ra�unanja ob upoštevanju mejnega stanja nosilnosti in mejnega stanja uporabnosti pri globokih podzemnih objektih z veli-kim nadkritjem v zapletenih primarnih napetostnih geoloških in hidrogeoloških razmerah. Obde-lana je primerjava med razli�nimi projektnimi principi, ki so v uporabi v razli�nih državah EU s poudarkom na dimenzioniranju primarne in notranje obloge za katero se uporablja EC2. V stro-kovni literaturi so prisotne razli�ne ocene primernosti EC za projektiranje oz. ugotavljanje sto-pnje varnosti konstrukcij podzemnih objektov, kar vzbuja in omogo�a možnost kriti�ne presoje posameznih interpretacij ob upoštevanju povratnih informacij, pridobljenih z geometri�nimi in geotehni�nimi meritvami. Posebej je na kratko prikazana možnost konkretne uporabe opazovalne metode pri projektiranju in gradnji podzemnih objektov v ve�jih globinah ob upoštevanju neza-nesljivosti na podro�ju geološke zgradbe, geomehanskih parametrov in možnem vplivu drugih nepredvidenih dejavnikov. V okviru analize prakti�nih ra�unskih primerov bodo podane dolo�e-ne ugotovitve in priporo�ila za nadaljnje delo na tem podro�ju.

Abstract

Taking into account the concept of safety in geotechnical engineering structures is bound to use Eurocodes (EC) is primarily devoted to design in geotechnical engineering. EC7 detailed review of the design through the support structure to some extent allows geostatic tests of the tunnel lining to check the stability of shallow tunnels in soils in different situations and different physical properties of natural materials. This raises the question of the calculation taking into account the principles of Ultimate Limit States (ULS) and Serviceability Limit States (SLS) in deep underground utility facilities with a thick rock cover, primary stress state in complex geolo-gical and hydro geological conditions. Worked a comparison between the different design prin-ciples, which are used in different EU countries, with primary emphasis on the designing and internal surfaces to which the EC2. In the literature the presence of different grades or EC designs determining the level of security structures of underground facilities, which raises and provides an opportunity to critically evaluate various interpretations on the feedback obtained from geometric and geotechnical measurements. Especially on short displays the actual applica-tion of observational methods in the design and construction of underground facilities in the gre-ater depths at the uncertainty in the geological structure, geotechnical parameters determination and the possible impact of other unforeseen factors. In the analysis of the practical application which was done, the calculation will be made certain findings and recommendations for further work in this area.

Likar, J.: Uporaba Eurokodov pri projektiranju predorov

10. SLOVENSKI KONGRES O CESTAH IN PROMETU, Portorož, 20. – 22. oktobra 2010 ��

1 Uvod Uporaba Eurokoda 7 (EC7) je z dolo�e-

nimi predpostavkami možna v smislu obrav-nave medsebojnih odnosov hribina – podpor-je. Tu je predvsem pomembno dejstvo, da je prisoten nelinearen odnos med reaktivnimi tlaki podporja oz. samonosilnostjo hribine ter radialnimi pomiki ostenja podzemnega pros-tora, medtem ko velja za podporje na�eloma princip delovanja v obmo�ju elasti�nosti,

razen v nekaterih primerih podpiranja v iztis-ljivih in/ali nabrekljivih hribinah. V poenos-tavljeni obliki je ta odnos prikazan na Sliki 1 v obliki Fenner-Pacherjeve sovisnice, ki dejansko predstavlja osnovo za inženirsko razumevanje sistema delovanja hribina – podporje. Pri tem je treba dodatno pojasniti, da EC7 kakor tudi ostali Eurokodi slonijo na preverjanju mejnega stanja nosilnosti in mej-nega stanja uporabnosti dolo�ene analizirane gradbene konstrukcije.

Slika 1. Posodobljen na�in predstavitve odnosa med samonosilnostjo hribine oz. reaktivnimi tlaki podpor-

ja in radialnimi pomiki ostenja podzemnega prostora v obliki Fenner-Pacherjeve sovisnice

Nekaj primerov razli�nih ocen uporabe EC7 in EC2 pri projektiranju predorov

Za tehni�no obravnavo vplivov obtežb v obliki u�inkovanja na konstrukcijo v povezavi z geotehni�nimi vplivi, se uporabi povezava med EC2 in EC7. Na osnovi navedenega for-malno ne obstaja noben razlog, da pri uporabi treh priporo�enih projektnih geotehni�nih pri-stopov na�rtovanja, ne bi dolo�ili zasnovne vrednosti u�inkov obtežb ali vplivov u�inkov

obtežb v sami konstrukciji za potrebe STR verifikacije, ki mora biti prav tako v skladu z EC2. Pri verifikaciji mejnih stanj v konstruk-cijah (STR) in geotehni�nih mejnih stanj (GEO) je obstojnost materialov predorske obloge prav tako v skladu z EC2.

Ker se pri na�rtovanju predorov v Repu-bliki Sloveniji predvsem naslanjamo na avs-trijske standarde in smernice, se pri navedenih verifikacijah pojavi problem, da ONORM B 1997-1-1 za skupini A (ukrepi), M (parametri tal) ali za skupino R (odpornost, t.j. tal, sider,

ri – polmer izkopa predora G – strižni modul hribine po – primarno napetostno

stanje

�i – radialni pomiki ostenja

predora



pasivnih sider ), niso definirani delni faktorji, je v nadaljevanju povzeto razmišljanje avs-trijskih avtorjev (Hofmann, R., Suda, J., Poisel, R., 2010). V splošnem je treba naves-ti, da je ONORM 1997-1-1 v glavnem namen-jen za na�rtovanje temeljenja, podpornih kon-strukcij ter brežin povezanih z nagnjenimi pobo�ji, in da ne upošteva dovolj posebnih zahtev v zvezi z na�rtovanjem konstrukcije predora. Poleg tega delni faktorji v dodatku EN 1997-1 niso navedeni za na�rtovanje ob upoštevanju projektnih pristopov DS1, DS2 in DS3. To pomeni, da v standardih za na�rto-vanje prehodnega stanja ni navedenih parcial-nih varnostnih faktorjev. Rešitev problema je podana v RVS smernicah, kjer so predori obravnavani kot podporni objekti. Prav tako so za ta primer dolo�eni parcialni faktorji. Pri tem je pomembno dejstvo, da konstrukcij-ski elementi predorov še vedno niso upoš-tevani v pripravi mednarodnega dodatka k EC 7 (ONORM B 1997-1). Za dosledno upo-rabo EC koncepta je treba navesti velikost in obseg parcialnih faktorjev vplivov, ki so odvisni od na�rtovanega stanja pri izbrani verifikaciji. Obseg in/ali velikost parcialnih varnostnih faktorjev, bi bilo treba umeriti na tehni�no sprejemljivo in razumno mero. Zah-teve v RVS v dodatku B bi v principu lahko ustrezala pri zasnovi oz. na�rtovanju ob upoš-tevanju projektnega pristopa 2 (DS2) in manj projektnemu pristopu 1 (DS1) z najmanj dvema izra�unoma. Pri kombinaciji 1 (glede na EC7 – dodatek B) so parcialni varnostni faktorji � 1 pri upoštevanju vplivov obtežb, medtem ko so pri vplivih u�inkov obtežb v konstrukciji oz. ukrepov parcialni varnostni faktorji enaki 1. Ker trenutno ni na voljo nobene metode, ki bi obravnavala parcialne varnostne faktorje za odpornost tal �R , kakor tudi ni verifikacije za dolo�itev nosilnosti temeljnih tal, se lahko izvede verifikacija z GEO – geotehni�nih mejnih stanj. Natan�no gledano se GEO verifikacija za dolo�anje meje nosilnosti temeljnih tal izvaja samo v primeru, ko je uporabljen projektni pristop DS1 in projektni pristop DS3, medtem ko je projektni pristop DS2 omejen na verifikacijo STR, ki temelji samo na razpoložljivih parci-alnih faktorjih. Tlak vode lahko povzro�i dvi-govanje predorske cevi, zato je v takšnih pri-merih treba presoditi ali je potrebna tudi ta verifikacija. Isto vprašanje se pojavi tudi v primeru verifikacije proti hidravli�ni porušitvi brežin ter ne nazadnje v primeru erozije.

�e bi bila uporaba EN 1992-1 in EN 1997-1 pri gradnji predorov pri projektiranju predorov dovolj dobro utemeljena, potem bi morali biti nacionalni dokumenti (nacionalni dodatki) izdelani tako, da bi bile izpostavljene posebne zahteve. Te so vezane na projektiran-je, stati�ne izra�une ob smiselnem ter gospo-darnem na�rtovanju oz. oblikovanju predor-skih konstrukcij, v skladu z veljavnimi kon-cepti ocen tveganja z upoštevanjem teorije verjetnosti in varnosti v soglasju z ustreznimi nacionalnimi standardi. To bi zahtevalo natan�nejšo opredelitev projektnih pristopov, delnih varnostnih faktorjev in preverjanje �asovne obstojnosti uporabljenih materialov ter dolgoro�ne mehanske stabilnosti predor-skih konstrukcij. V enem od naslednjih poglavij tega prispevka podajamo primer tovrstnega izra�una, ki je podan kot ra�unski model z upoštevanjem znatnega vpliva na izra�unane vplive obtežb in u�inke vplivov obtežb oz. ukrepov na v predorski konstrukci-ji. Da bi se izognili težavam pri vrednotenju in dokazovanju stabilnosti gradbenih konstru-kcij, morajo biti dokumenti, v katerih so obdelani postopki izra�unov, opremljeni z razlago o uporabljenem ra�unskem modelu ter navedene vrednosti parcialnih varnostnih faktorjev.

Pri poglobljeni analizi uporabnosti EC pri projektiranju predorov se pojavijo med drugimi tudi naslednja vprašanja oz. dileme:

� Ali je z njihovo uporabo mo� dose�i višjo stopnjo varnosti podzemnega objekta proti porušitvi?

� Ali je predorska konstrukcija cenejše na�rtovana v primerjavi s predhodnimi ustaljenimi postopki?

� Ali njihova uporaba posebej zahteva izdelavo zapletenih in kompleksnih izra�unov?

� Ali je koncept, ki sledi filozofiji euro-kodov, preprostejši za inženirsko upo-rabo?

� Al je koncept na�rtovanja z uporabo EC v osnovi boljši od starejših in ali zagotavlja dovolj visoko konsistent-nost?

� Ali je dovolj prilagodljiv specifi�nim zahtevam poveazanih z gradnjo predo-rov?

� Ali je mo� uporabiti analize gradbenih konstrukcij predorov enotno, tako da veljajo za celo Evropo?

V nadaljevanju podajamo nekaj mnenj glede uporabnosti EC za projektiranje predo-



rov. Glede na trenutno situacijo je odgovor na nekatera vprašanja žal negativen. Koli�ina vloženega dela v izra�une je v primerjavi s starejšimi koncepti znatno ve�je. Prav tako je sporna/vprašljiva kakovost koncepta. Po mnenju avtorja predhodnih navedb (Walter, H. 2010) se lahko koncept EC izvaja splošno ali pa fleksibilno, navkljub vsem omejitvam, ki so postavljena in ne nazadnje na žalost niso še po vsej Evropi postavljena enotna meri-la/pravila za stati�ne analize konstrukcij v geotehniki. Kljub temu EC7 zagotavlja skupni delovni okvir, ki se lahko opredeli kot prvi korak k bodo�i usklajenosti. V nadaljevanju isti avtor (Walter, H. 2010) meni, da so Evrokodi novo delovno orodje, ki se še mora izkazati v praksi ob dejstvu, da se bodo mora-li v prihodnje zagotovo izboljšati v nekaterih elementih. Evrokodi imajo zasnovane cilje na preverjanju enotne zanesljivosti delovanja celotnih gradbenih konstrukcij in posebej na preverjanju konstrukcijskih elementov. To pa še ne pomeni, da morajo biti vsi parcialni fak-torji varnosti obravnavani oziroma uporablje-ni v celoti, saj bi to lahko pri na�rtovanju povzro�ilo dokazovanje pretiranih dimenzij konstrukcij. Dosedanje analize varnosti delo-vanja gradbenih konstrukcij omogo�ajo, da se napake in pomanjkljivosti, ki so se že zgodile, sistemati�no obravnava, meri in registrira. Konstrukcijski elementi, ki so bili do sedaj brez resnih pomanjkljivosti in napak, bi bili lahko bolj ekonomi�no dimenzionirani, med-tem ko bi v primerih pojavljanja pogostih napak bilo potrebno uvesti bolj konservativne predpise. V primeru nadaljnje poglobljene analize možnosti uporabe EC, je mo� postop-no dose�i optimalne kombinacije varnosti in ekonomi�nosti in ravno v tem pogledu so Evrokodi prava priložnost.

Mnenje k uporabnosti EC7 je glede na izkušnje v Združenem kraljestvu (UK) bolj prijazno (Cheung, K., Yeow, H., Simpson, B., 2010), saj je ne nazadnje eden od avtorjev prispevka tudi vodilni avtor tega Eurokoda. Navedeni avtorji zaklju�ujejo, da so pristopi k omejitvam v Evrokodu jasno dolo�eni in vklju�eni v veljavne predpise. Evrokodi vodi-jo projektante pri delu skozi vse ve�inoma verjetne na�ine možnih porušitev podporja pri izkopu in primarnem podpiranju predorov. Evrokodi prav tako ponujajo navodila za upo-rabo faktorjev varnosti pri dolo�anju podpor-nih ukrepov in upoštevajo lastnosti uporablje-nih materialov. To so izredno dobrodošli atri-buti, ki so direktno uporabni pri projektiranju

gradnje predorov. Posebej je izpostavljena trditev, da EC7 omogo�a uporabo jasno dolo-�enih smernic pri projektiranju na osnovi enovitih osnov ukrepov z maksimalno vero-dostojnimi podatki o vrednostih obtežb, ki jih povzro�ajo napetosti v temeljnih tleh. Ta izvorni na�in podajanja ukrepov odpravlja potrebo o dolo�anju ugodnih in neugodnih razmer v temeljnih tleh ter razli�nih vplivov talne oz. hribinske vode na obnašanje predor-skih konstrukcij. Trdnostni faktorji temeljnih tal v splošnem prispevajo nižjo kriti�no osno-vo na�rtovanja v primerjavi s faktorji ukrepov oz. obtežb ali faktorji vplivov ukrepov oz. obtežb pri na�rtovanju predorov. V primeru tunelov z nizkim nadkritjem (H � 5D) ali ko je za dejansko izvedbo potreben 3D FE model predora so lahko trdnostni faktorji kriti�ni. Na�rtovanje gradnje predorov, ki temelji na geotehni�ni analizi z uporabo metode kon�nih elementov (MKE), v primer-javi s konvencionalnim na�rtovanjem tunela, ki je izdelan z uporabo analiti�ne metode ali metode okvirja z vzmetmi, v splošnem poka-že nižje vrednosti notranjih sil in pripadajo�ih dvojic v primarni oblogi. Iz navedenega je mo� sklepati, da se lahko zbir standardov, ki temeljijo na enotnih principih, uporabi v kombinaciji s široko izbiro specifi�nih na�r-tov za predore, kar bi bilo ugodno za pripravo mednarodnih razpisov oz. ugodno za pove�a-nje konkuren�nosti na podro�ju gradnje pod-zemnih objektov. Standardi prav tako nudijo enotno in kakovostno razumevanje skupnih problemov, ki se pojavijo pri izdelavi ustrez-nega in dobrega vodilnega modela.

Primerjava med trivialnimi rezultati upo-rabe parcialnih varnostnih koli�nikov in t.i. globalnih varnostnih koli�nikov, ki so bili uporabljenih v klasi�nih na�inih dimenzioni-ranja primarne in notranje obloge pri predorih so podane v nadaljevanju (Stading, A., Kro-cker, T., 2010). Gre za primere in prakti�ne izkušnje v Republiki Nem�iji. Prva taka ugo-tovitev je, da je vsebnost upogibne in strižne armature v oblogi predorske cevi za nizek procent manjša v primerjavi z izra�uni, kjer se uporabijo globalni varnostni koli�niki. �e se želi korektno upoštevati konstanten oz. trajen vpliv lastne teže, zemeljskega pritiska in vod-nega tlaka se lahko, kot smatrajo navedeni avtorji, to doseže z ustrezno uporabo parcial-nih varnostnih faktorjev. Nižji parcialni var-nostni faktorji so opravi�ljivi takrat kadar je predorska konstrukcija obravnavana z upošte-vanjem verjetnostnega varnostnega koncepta.



Pri tem je treba izpostaviti, da je zemeljski pritisk dolo�ljiv v dolo�enih mejah zaneslji-vosti z nižjo stopnjo zaupanja, kar ustreza uporabi konservativnih vrednosti za preverja-nje stati�ne odpornosti konstrukcije ob upoš-tevanju nižjih parcialnih varnostnih faktorjev. Nadalje je v splošnem možna verifikacija nas-tanka in širjenja razpoke v oblogi, ki dejansko omogo�a dolo�itev zahteve za upogibno armaturo v konstrukciji. Primerjava pokaže da se rezultata izra�una po eni ali drugi metodi med seboj bistveno ne razlikujeta. Dolo�itev vsebnosti strižne armature po novem kon-ceptu (EC) ob upoštevanju dejstva, da je osna obremenitev osnova za izra�un striž-nih obtežb, je osnova za dolo�itev vitkejše konstrukcije predorske obloge.

Za nelinearne analize je priporo�ljivo, da se dolo�i notranje sile s karakteristi�nimi vplivi in se jih pomnoži z ustreznimi parcial-nimi varnostnimi koli�niki. Splošna ocena je, da so v EC vklju�eni parcialni varnostni koli-�niki ustrezni za aplikacijo pri projektiranju predorskih konstrukcij. Ta ocena velja za pli-tve predore.

Podobno ugotavljajo tudi strokovnjaki za numeri�ne metode (Schweiger, H.F., Mar-cher, t., in Nasekhian, A., 2010) v smislu raziskave uporabnosti projektnih pristopov za tunele z nizkim nadkritjem, ki so dolo�ene v EC7. Sklepati je mogo�e, da so v praksi vsi pristopi na�rtovanja lahko uporabljeni v kom-binaciji z numeri�nim modelom, pod pogo-jem, da je projektni pristop DA2 obravnavan kot DA2*, t.j. da so delni faktorji uporabljeni tudi pri dolo�anju vplivov obtežb in ne samo pri dolo�anju u�inkov vpliva obtežb v predor-ski konstrukciji. Težava se lahko pojavi, zara-di nelinearnega obnašanja obloge iz brizgane-ga betona, ker ni v sedanjih dostopnih pravilih v EC7, nobenih navodil, ki bi dolo�evala na�ine obravnave izrazitih nelinearnih kons-trukcijskih elementov. Kakorkoli že, ko se izvaja numeri�na analiza mehanskega obna-šanja obloge iz brizganega betona, se v sploš-nem obravnava nelinearen model. Zato ravno ob predpostavki, da je obloga iz brizganega betona elasti�en material, to lahko vodi v zelo konzervativno na�rtovanje. V ta namen so bile prou�ene razli�ne možnosti, ki so pokazale, da je razlika med DS2* in DS3 lah-ko v nekaterih primerih bolj pomembna in v drugih manj, odvisno od problema. Iz nareje-nih primerjav je mogo�e sklepati, da je upo-raba parcialnih varnostnih faktorjev pri dolo-�anju trdnosti brizganega betona v nelinearnih

modelih možno izvesti in s tem se posledi�no izogniti nerealisti�ni oceni vrednosti notranjih sil in pripadajo�ih dvojic v predorski konstru-kciji.

Glede uporabe EC7 pri projektiranju globokih predorov v sedanji praksi, se aplika-cija opazovalne metode razlikuje v ve� pogledih v primerjavi s klasi�nim geoinženir-stvom. Kot ugotavlja (Schubert, P., 2010) se v zelo posplošeni interpretaciji EC7 lahko sedanja praksa šteje kot skladna. Kakorkoli že, v primeru globokih tunelov ni enotnega razumevanja omejitev sprejemljivega obnaša-nja materialov. Zato je v takih primerih potre-bno stalno izpopolnjevanje geotehni�nega modela in izdelava kakovostnih kvantitativnih povratnih analiz obnašanja sistema hribina – podporje z uporabo preproste metode. Anali-ze, ki so izdelane za reševanje prakti�nih pri-merov v okviru gradnje globokih predorov jasno izpostavljajo, da obstaja trenutno velik problem pri pravilni oceni parametrov kam-nin. In navsezadnje bi morala biti spremenje-na razli�ica opazovalne metode, ki bi ustreza-la specifi�nim zahtevam, povezanih z globo-kimi predori, �im prej pripravljena.

Pomembnejše ugotovitve na podro�ju uporabe EC7 pri projektiranju predorov

Projektni parametri, ki se nanašajo na stati�ni odpor podporja Rk oz. stati�ni odpor tal Rd ali so zajeti v geotehni�nemu parametru Xd, so dolo�eni z upoštevanjem ustreznih oz. predpisanih parcialnih varnostnih koli�nikov �M � 1.0 kot sledi:

kd

R

RR

γ= ali k

dM

XX

γ=

Projektne vrednosti vplivov Projektno vrednost vpliva je treba dolo-

�iti v skladu z SIST EN 1990:2004. Projektno vrednost vpliva (Fd) je treba dolo�iti neposre-dno ali pa iz reprezentativnih vrednosti z upo-rabo ena�be:

d F repF Fγ= ⋅ (2.1a)

kjer je

rep kF Fψ= ⋅ (2.1b)

Ustrezne vrednosti ψ je potrebno vzeti iz SIST EN 1990:2004. V ena�bi (2.1a) moramo



uporabiti vrednosti delnega faktorja γF za traj-na in spremenljiva stanja iz Dodatka A (SIST EN 1997-1:2005). Vrednosti delnih faktorjev se lahko dolo�ijo z upoštevanjem Nacional-

nega dodatka. V dodatku A priporo�ene vred-nosti izkazujejo ustrezen nivo varnosti za obi-�ajne projekte.

Slika 2. Shematski prikaz vplivov obtežb na podporno konstrukcijo in njen odziv v hribinskem okolju �e projektne vrednosti geotehni�nih

vplivov dolo�amo neposredno, je treba pripo-ro�ene vrednosti delnih faktorjev iz dodatka A uporabiti kot smernice za dokazovanje zah-tevanega nivoja varnosti.

Posebno pozornost je treba posvetiti primerom, ko tlaki talne oz. hribinske vode pri preverjanih mejnih stanjih predstavljajo možne resne posledice na dolgoro�no stabil-nost konstrukcije predvsem v smislu izpol-njevanja pogoja mejnega stanja nosilnosti konstrukcije. V takih primerih se upoštevajo projektne vrednosti, ki izhajajo iz najbolj neugodnih vrednosti v povezavi z možnostjo pojavljanja med projektno življenjsko dobo dolo�ene gradbene konstrukcije. Za mejna stanja z manj nevarnimi posledicami, v sploš-nem so to mejna stanja uporabnosti, morajo biti uporabljene najbolj neugodne projektne vrednosti, ki se lahko zgodijo v normalnih razmerah obratovanja.

V nekaterih primerih se lahko ekstremni tlaki podzemne vode skladno z SIST EN

1990:2004 obravnavajo kot nezgodni vplivi. Projektne vrednosti tlakov talne oz. hribinske vode se lahko dolo�ijo ali z uporabo delnih faktorjev na karakteristi�ne tlake vode ali z uporabo varnostne meje pri karakteristi�nem nivoju vode.

Upoštevati je treba naslednje parametre, ki lahko vplivajo na vodne tlake, kot so:

� nivo gladine proste vode ali nivo talne vode;

� ugodne in neugodne u�inke drenaž, tako naravnih kot umetnih, z upošteva-njem njihovega bodo�ega vzdrževanja;

� dotok vode zaradi dežja, poplav, po�e-ne vodovodne cevi ali iz drugih virov;

� spremembe vodnega tlaka zaradi rasti ali odstranitve vegetacije.

Upoštevati je treba neugodne nivoje vode, ki jih lahko povzro�ijo spremembe v vodnih zajetjih in slabše dreniranje zaradi zamašitve, zmrzovanja ali drugih vzrokov. �e ni mogo�e dokazati, da je drenažni sistem

Q – pre�na sila �r – radialni pomiki Ek – elasti�ni modul hribine

N – normalna sila pi – reaktivni tlak podporJA



ustrezen in da je zagotovljeno njegovo vzdr-ževanja, je potrebno kot projektni nivo talne vode privzeti najvišji možni nivo, kar je lahko površje tal.

Delni faktorji za preverjanje mejnih stanj v konstrukcijah (STR) in geotehni�nih mejnih stanj (GEO) Delni faktorji za vplive(γγγγF) ali u�inke vplivov (γγγγE)

Pri preverjanju mejnih stanj v konstruk-cijah (STR) in geotehni�nih mejnih stanj (GEO) je treba uporabiti nabor delnih faktor-

jev A1 ali A2 za vplive (γF) ali u�inke vplivov (γE):

� γG za trajne neugodne ali ugodne vplive;

� γQ za spremenljive neugodne ali ugodne vplive.

OPOMBA: Vrednosti delnih faktorjev γG in γQ so za uporabo v posamezni državi lahko dolo�ene v nacionalnem dodatku k SIST EN 1990:2004. Priporo�ene vrednosti za konstru-kcije iz SIST EN 1990:2004 so za nabora A1 in A2 podane v Preglednici 1.

Preglednica 1. Delni faktorji za vplive (γF) ali u�inke vplivov (γE)

Nabor Vpliv Oznaka

A1 A2

Neugodni 1,35 1,0 Stalni

Ugodni γG

1,0 1,0

Neugodni 1,5 1,3 Spremenljivi

Ugodni γQ

0 0

Delni faktorji za parametre zemljin (γγγγM)

Pri preverjanju mejnih stanj v konstrukcijah (STR) in geotehni�nih mejnih stanj (GEO) je treba uporabiti nabor M1 ali M2 naslednjih delnih faktorjev za parametre zemljin γM:

� γϕ’ za tangens kota strižne odpornosti;

� γc’ za efektivno vrednost kohezije;

� γcu za nedrenirano strižno trdnost; � γqu za enoosno tla�no trdnost; � γγ za prostorninsko težo.

OPOMBA: Vrednosti delnih faktorjev γϕ’, γc’, γcu, γqu, in γγ so za uporabo v posamezni državi lahko dolo�ene v nacionalnem dodatku k temu standardu. Priporo�ene vrednosti za nabora M1 in M2 so podane v Preglednici 2.

Preglednica 2 - Delni faktorji za parametre zemljin (γM)

Nabor Parameter zemljine Oznaka M1 M2

Kot strižne odpornostia γϕ’ 1,0 1,25

Efektivna kohezija γc′ 1,0 1,25

Nedrenirana strižna trdnost γcu 1,0 1,4 Enoosna tla�na trdnost γqu 1,0 1,4 Prostorninska teža γ� 1,0 1,0 a Faktor se uporabi za tan ϕ'



Na�ini upoštevanja razli-�nih obtežb na plitve predore

Ker v splošnem veljavni standardi niso direktno aplikativni za dimenzioniranje pri-marne in notranje obloge v predorih, so v nas-lednji Preglednici 3 podane osnove vrste obtežb skladno z RVS 9.32 .

�e se upošteva linearne odnose med obtežbami in reakcijami na obtežbe potem velja, da je �E = �F, kjer pomeni, da so parcialni varnostni faktorji vezani na obtežbe enaki parcialnim varnostnim faktorjem vplivov na plitvo predorsko konstrukcijo. Pri tem je pomembno to, da je dolo�itev notranjih sil in pripadajo�ih dvojic v prerezu predorske oblo-ge vezana na nelinearne metode, ki obravna-vajo vzajemno delovanje hribine in predorske konstrukcije.

Preglednica 3. Obtežni vplivi na plitve predore po RVS 9.32

primarna (zunanja) obloga notranja obloga zemeljski tlak zemeljski tlak koristna obtežba koristna obtežba stalna obtežba, lastna obtežba objektov na površi-ni

stalna obtežba, lastna obtežba objektov na površi-ni

tlak vode pritisk vode nabrekalni tlak nabrekalni tlak dodatne obtežbe udarne obtežbe1

potresna obtežba1 potresna obtežba1

obtežba zaradi požara obtežba zaradi požara 1 ni aplicirana za normalne razmere, skladno z RVS

V Preglednici 4 so podani parcialni var-

nostni koli�niki za potrebe na�rtovanja sklad-no z EC in glede na razlago RVS smernic. Pomembno je, da se ohranja osnovni koncept EC, kar se da za plitve predore tudi vsaj na�e-loma utemeljiti. V navedeni preglednici 4 je

podan predlog, ki so ga pripravili R. Hofmann et.al. (2010) ob upoštevanju projektnega pris-topa 2 (DS2) in projektnega pristopa 1 (DS1). Pristopa za potrebe preveritve zahtevane var-nosti konstrukcije (STR), kot je to zahtevano v RVS smernicah.

Preglednica 4. Parcialni varnostni koli�niki za na�rtovanje skladno z EC in glede na razlago RVS smer-

nic Mejno stanje nosilnosti

Stalno, prehodno projektno stanje

Naklju�no nep-redvideno

projektno stan-je

Konstrukcijski element

DS1 DS2 DS3

Mejno stanje uporabnosti

� E 1.35 1.2 1.00 / �M 1.00 1.00 1.00 /

U�inek vpliva na primarno oblogo predora

�R 1.00 1.00 1.00 /

� E 1.35 1.35 1.00 1.00 �M 1.00 1.00 1.00 1.00 U�inek vpliva na notranjo

oblogo predora �R 1.00 1.00 1.00 1.00

Prakti�na primera Primerjalno so bili izdelani štirje geosta-

ti�ni izra�uni in sicer po dva za nizko nadkrit-je ter visoko nadkritje.

Prvi izra�un za obe nadkritji je bil izde-lan brez uporabe parcialnih varnostnih faktor-jev za vplive oziroma u�inke vplivov, pri dimenzioniranju obloge sta bila uporabljena varnostna faktorja za beton ( 1,5Mbγ = ) in



armaturo ( 1,15Msγ = ). Sam izra�un je pred-nastavljen za kontrolo po modificiranem DS2, kjer je treba ob upoštevanju karakteristi�nih vrednosti trdnostnih parametrov hribinskih materialov, u�inke vplivov v oblogi faktorirati s parcialnimi varnostnimi faktorji, ki so nave-deni v Preglednici 1. Modifikacija originalne-ga DS2 je v tem, da privzamemo R2=1.

Drugi izra�un je bil za obe nadkritji izde-lan skladno z modificiranim projektnim pris-topom 3 (DS3). Trdnostni parametri hribin-skih materialov so bili reducirani z naborom parcialnih varnostnih faktorjev iz nabora »M2«, ki so navedeni preglednici 2. Uporab-ljeni so bili nefaktorirani vplivi oziroma u�in-ki vplivov na primarno oblogo. Pri dimenzio-niranju obloge sta bila uporabljena varnostna faktorja za beton ( 1,5Mbγ = ) in armaturo

( 1,15Msγ = ). Modifikacija originalnega DS3 pomeni, da je privzet R3=1. Za analizo je bil izbran Mohr-Coulombov kriterij porušitve hribinskih materialov. Izbran je bil trdnostni razred betona C20/25 in armatura kvalitete S500. Cilj izdelave prakti�nih primerov je primerjava velikostnega reda notranjih sil v primarni predorski oblogi ob upoštevanju raz-li�nih na�inov uporabe parcialnih varnostnih faktorjev.

Preglednica 5. Karakteristi�ne vrednosti geolo-ških plasti zemljin za podro�je nizkega nadkritja.

Parametri Enota GT1 GT2 GT5

� [kN/m3] 19 24 24

ck [MPa] 0 0,006 0,005

�k [°] 26 38 36

E [MPa] 8 440 718

Preglednica 6. Karakteristi�ne vrednosti geolo-ških plasti zemljin za podro�je visokega nadkritja.

Parametri Enota GT1 GT2 GT6

� [kN/m3] 19 24 24

ck [MPa] 0 0,006 0,413

�k [°] 26 38 44

E [MPa] 8 440 3506

Primer nizkega nadkritja (hn=5 m, K=1, debelina primarne obge d=20 cm)

Izkaže se, da obstaja pri analizi predora v podro�ju nizkega nadkritja velika razlika v rezultirajo�ih u�inkih geotehni�nih vplivov na primarno oblogo iz brizganega betona pri uporabi razli�nih projektnih pristopov. V pri-meru, da analiziramo problem s karakteristi�-nimi vrednostmi trdnostnih parametrov hri-binskih materialov (DS2), dobimo veliko nižje vrednosti notranjih sil v oblogi kot v primeru, ko reduciramo kot notranjega trenja in kohezijo (DS3). Takšen rezultat je povsem razumen, saj je v podro�ju zelo nizkega nad-kritja razporejanje napetosti v okolico prakti-�no nemogo�e, kar ima za posledico prenos obremenitev zaradi izkopa neposredno na predorski podporni sistem. Pod vprašaj se postavlja smotrnost takšne redukcije, poveza-ne z zanesljivostjo velikostnega reda trdnost-nih parametrov hribinskih materialov, pridob-ljenih iz razli�nih terenskih in laboratorijskih raziskav. Ne glede na ugotovljeno se je potre-bno zavedati, da že redukcija trdnosti brizga-nega betona za 50% doprinese relativno velik delež k varnemu na�rtovanju predorske oblo-ge pri plitvih predorih.

Primer visokega nadkritja (hn=130 m, K=2, debelina pri-marne obloge d=20 cm)

Tako kot za nizko nadkritje je bila izde-lana primerjalna analiza tudi za primer izkopa predora v primeru visokega nadkritja. V slu-�aju uporabe karakteristi�nih vrednosti trdno-stnih parametrov hribinskih materialov (DS2) in faktoriranih u�inkov geotehni�nih vplivov na oblogo iz brizganega betona ugotovimo, da je kvalitativna obravnava izkopa in vgradnje primarnega podporja relativno dovolj dobra. Takšne trditve ne moremo postaviti pri upo-rabi DS3, saj takšen pristop zastira najnovejša smernice za na�rtovanje predorov pri visokih nadkritjih, ki so plod dolgoletne interakcije med pridobljenimi prakti�nimi izkušnjami in teoreti�no-empiri�nimi dognanji. Uporaba DS3 pomeni v inženirski praksi umetno ustvarjanje veliko slabših geotehni�nih pogo-jev, kar ima za posledico uporabo razli�nih dodatnih podpornih ukrepov in nenazadnje manjšanje izkopnih sekvenc ter v kon�ni fazi nesmotrno in neupravi�eno dražitev same gradnje predora. Izra�un je pokazal, da je pri analizi po DS3 ob upoštevanju enakih sek-venc (kot pri DS2) izgradnje predorske cevi,



potrebna 20x ve�ja koli�ina armature v pri-merjavi z DS2 pri enaki debelini primarne predorske obloge. Takšno koli�ino armature je nemogo�e vgraditi v primarno oblogo debeline d=20 cm. Pridobljen rezultat služi le za prikaz primerjave uporabe razli�nih pro-jektnih pristopov pri uporabi enakih izkopnih sekvenc predora.

Povzetek Uporaba Eurokodov (EC) pri projekti-

ranju geotehni�nih gradenj je mo�no spreme-nila na�in dokazovanja stabilnosti, saj je kon-cept parcialnih varnostnih faktorjev bistveno druga�en od t.i. koncepta globalne stabilnosti dolo�enega objekta.

To dejansko pomeni, da nedore�enost oz. negotovost geotehni�nih in numeri�nih mode-lov lahko vpliva na razli�ne parcialne faktorje v okviru dokazovanja stabilnosti dolo�ene konstrukcije tako za mejno stanje nosilnosti, kot za mejno stanje uporabnosti.

Pri tem je omogo�ena dolo�ena svoboda pri dolo�itvi parcialnih faktorjev v okviru t.i. nacionalnih dodatkov. Pri tem je treba pouda-riti, da so v EC7 dolo�eni trije na�ini projekti-ranja, ki v razli�nih kombinacijah upoštevajo parcialne varnostne koli�nike. Kakorkoli že predori, kot zahtevne gradbene konstrukcije v EC7, niso posebej dolo�eni oz. izpostavljeni. To se delno navezuje na opazovalne metode brez katerih je vprašljiva kakovostna in gos-podarna gradnja globokih predorov.

Po drugi strani so v predorogradnji zah-teve investitorjev oz. naro�nikov usmerjene v zagotavljanje konsistentnega nivoja uporab-ljenih varnostnih koli�nikov, ki veljajo za ostale geotehni�ne gradnje. To je glede na ob�utne razlike med globokimi izkopi in pre-dori, posebej globokimi, kjer je cela konstru-kcija zgrajena v hribinskem okolju, treba posebej izpostaviti. V vseh navedenih prime-rih je sodelovanje z Eurokodom 2 (EC2) pri-poro�ljivo, �e že ne nujno.

Na splošno je mo� ugotoviti, da je upo-raba EC7 primerna za projektiranje plitvih

predorov (H<50 m), �eprav se pojavi vprašan-je uporabe nelinearnih lastnosti konstrukcij-skih elementov v sklopu interakcije z okoliš-kimi hribinami. Preden bo prišlo do boljših in racionalnejših rešitev, bo treba opraviti še precej dodatnega dela.

Vsekakor je projektiranje globokih pre-dorov v razli�nih hribinah lahko problemati�-no glede uporabe EC7 predvsem v na�inu preverjanja ustreznosti na�rtovanih podpornih elementov tako v pogledu intenzivnosti kot prilagodljivosti realnim hribinskim razmeram.

Literatura

1. Hofmann, R., Suda, J. and Poisel, R., 2010.

Interaction of EC7 with EC2 in tunneling, Geomechanics and Tunneling, Vol. 3, No. 1, Ernst & Sohn, Berlin, pp. 11-23.

2. Herbert, W., 2010. Safety concepts in geotec-hnical engineering then and now – how the Eurocodes affect tunneling?, Geomechanics and Tunneling, Vol. 3, No. 1, Ernst & Sohn, Berlin, pp. 24-33.

3. Schweiger, H.F., Marcher, T. and Nasekhian, A., 2010. Nonlinear FE-analysis of tunnel excavation – comparison of EC7 design appro-aches, Geomechanics and Tunneling, Vol. 3, No. 1, Ernst & Sohn, Berlin, pp. 61-67.

4. Schubert, P., 2010. Requirements for the observational approach in deep tunneling, Geomechanics and Tunneling, Vol. 3, No. 1, Ernst & Sohn, Berlin, pp. 68-72.

5. Schubert, W., 2010. Is the OeGG guidline for geotechnical design compatible with EC7?, Geomechanics and Tunneling, Vol. 3, No. 1, Ernst & Sohn, Berlin, pp. 73-76.

6. SIST EN 1990:2004 - Eurocode – Osnove pro-jektiranja - Eurocode - Basis of structural design

7. SIST EN 1992-1-1:2005 - Evrokod 2: Projekti-ranje betonskih konstrukcij - 1-1. del: Splošna pravila in pravila za stavbe - Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: Gene-ral rules and rules for buildings

8. SIST EN 1997-1:2005 - Evrokod 7: Geotehni-�no projektiranje - 1. del: Splošna pravila - Eurocode 7: Geotechnical design - Part 1: General rules

Documents

Projektiranje predorov