? Í 361 FJELLSPRENGN NG STEKN KK BERGM EKAN KGEOTEKN KK 999 Qr rr - EN \ -Y METODE FR FR WRDERNG Av FREMDRFT VED TBM-BORNG f Nick Bartn g Fredrik Løset, Nrges getekniske institutt, NG SAMMENDRAG En ny metde fr å vurdere penetrasjnshastighef (Penetratin rate, pr) g inndrifi (Advance rate, AR) ved TBM-bring er utviklet. Den er basert på et utvidet e-system g en gjennmsnittlig matekraft (kraft per kutter) i frhld til antatt bergmassestyrke. denteãngen av sprekker g andre strukturer er tatt med i beregningen sammen med tryickstyrke eller punktlasstyrke fr bergarten. Bergartens sliteevne er tatt inn via NTNU's kutterlevetid-indeks (Cutter life index, CLf. Spenningsnivået er det gså tatt hensyn til. Verdien til det nye parameteret Qr r'a kan anslas ved frundersøkelser, men kan gså etterberegnes ut fra breresultatene. SUMMARY A new methd fr predictinepenetratin rate (PR) and advance røfe (AR) has been develped fr TBM tunnelling. t is based n an expanded Q-system f rck mass classificatin and n average cutter frce in relatin t the appipriate rck mass süength. Orientatin f fabric r jint structure is accunted fr, tgether with the cmpressive ór pint lad (tensile) strength f the rck. The abrasive r nn-abiasive nature f the ick is incqprated via the University f Trndheim cutter life index (CLD. Rck st ess level is als cnsidered. The new parameter Qrsùr can be estimated during feasibility studies, and can als be back-calculated frm TBM perfrmance during tunnelling. NYLEDYNG Tunnelbring med TBM kan gi ekstreme inndriftsresultater alt fra 15 km/år ned til 15 m/å, i nen tilfeller enda nænnere null. Når bergfrhldene er rimelig gde, kan inndriften (AR) med TBM være t til fue ganger raskere enn ved knvensjnell sprengning. prblemene ppstar ved ekstreme bergmassekvaliteter. Både fr dårlig (se frg. l) g f* gd kvalitet (ingen sprekker) kan medføre at alternative drivemåter.i å rretrette. En str urfrdring er å kunne vurdere sammenhengen mellm bergmasseegenskapene g de vesentlige egenskapene til brmaskinen slik sm matekraft g kuttenlitas J. Uea innsikt i denne sammrcnhengen kan man unngå verraskelser med heniyn til inndriften. en TBMtunnel i skifer drevet i 1'967 (Rbbins 1982) ble det rapprtert m en framdrift på 7,5 km i løpet av fire rek dartede måneder. Tidligere ved def samme prsjektet, hadde 270 m med, bregrus tatt nær sju maneder å kmme gjennm. nndrifter fenl frã 2,5 mltimetil 0,05 m/time ved det samme prsjektet må kunne frkla es på gnrnnlag av en kvantitativ et (PR) på l0 m/time i krre perider er så al frkastning på 0,005 m/time at det trengs en meteret Q sy spenner ver en skala på 12 rhldene svært ugunstige fr inndrift g prsjektpknmi na det gjelder TBM-bring, Q g Qrrv Q-systement ble utviklet_i 1974 med utgangspunkt i eksempler fra sprengte tunneler, g det innehlder nå ttalt.1250 eksempler (Grimsrad g Bartn, lssl. e-ìuln strekker r"--g u", 6 tieqptenser' Kntinuerlige sner av skvisebergg leirsner kan Èa en q-verdi på 0,0õ1, mens harde, massive bergarter uten sprekker kan ha en Q-verdi pp til 1000. Begge disse
36.2 Þ tln 3 fieur t. Frkastninger er stadig en ufrdring ved TBM-bring g frårsaker stre frsinkelser. En kvantifrsering er ngdvendig. Rbbins, Lgg2. É.. c' t! ø u, (Ì' t- À 0,001 EXSEPSJONELT OÀRUG EKSTREMT DARLG ",." On n'unn 0,01 0,'l TUNNELSTABLTET wærf DARUG PR v sikring 1,0 ]ARUG AR Mtù DETS F er ls{ff] rpætb' l lng"n "&rl lg EKS]REM GODT 100 1000 cl 7 - l-r! x LJN J,' J" Figur 2. Fr å beskrive frhldet mellm Q, PR g AR trengs der en del maskinelle parametere.
T t l 36.3 frhld vil vanligvis være svært ugunstige fr TBM-bring. Ved de lavegte Q-verdiene kan rnaskinen bli stppet fr lengre p.iid.ris det trengs mfattende frueiran ting av kan en risikere en inndrift så lav bergmassene g tung sikring. Ved de hpyeste Q-verdiene sm 0,2 m /time i flere måneder, på grunn av stadig behv fr kutterskifte. Den vanlige t enden fr penetrasjnshastighet (PR) ved uavbrutt bring g inndrift (AR) ver lengre perider er vist på fig. 2. Q-verdien kan langt på vei frklare størrelsen av PR g AR, men det er her nþdvendig med visse mdifikasjner, g i tillegg trengs det nen parametre sm kan besk ive frbindelsen mellm maskinen g bergmassene. Det er nylig utviklet en ny metde fr å anslå PR g AR ved bruk av Q-verdien g en ny parameter Qreùr (En nænnere presentasjn av metden vil bli gitt hs Bartn, 2000). Metden er særlig basert på de kjente Q-parameterne, men har i tillegg parametre sm beskriver frbindelsen mellm maskinen g bergmassene. Tilsammen gir dette en skala sm ptensielt spenner ver 12 tierptenser. De eksakte verdiene fr QasM er sterkt avhengig av matekraften. Fig. 3 kan brukes til å illustrere fire klasser fr bergmassefrhld sm trênger en kvantitativ beskrivelse: l. Oppsprukket, svakt berg, lett å bre, ne sikring. 2. Ha dt massivt berg, tungt å bre, hyppige kutterskift, ingen sikring. 3. Hgye spenninger, skvising, maskinen kan bli sittende fast, nødvendig med verbring, tung sikring. 4. Frkastninger, vennasser, ersjn av småpartikler, stre frsinkelser på gnrnn av behv fr drenering, injeksjn, frelgpig sikring med stålbuer, tilbakefylling med betng. Den nye verdien Qmr,r innehlder parametere sm tar hensyn til frskjellige bergfrhld g de viktigste måtene en TBM reagerer på ved ulike frhld. Den knvensjnelle Q-verdien sam.men med kutterlevetidindeksen ( Jhannessen et al. NTH, 1994) gkvartsinnhldet kan frklare nen av de frsinkelsene sm kan ppstå. Q-verdien kan gså benyttes til å bestemme sikring, men en må da ta hensyn til at i den sentrale delen av Q-diagrammet, kan lgging i TBM - tunneler gi hpyere Q-verdier enn i en tilsva ende sprengt tunnel (Bartn 2000). En dehnisjn av Qasy er gitt på fig. 4, g adjektivene på tppen av denne figwen antyder frhldene fr bring. (*gg merke til frskjellen fra adjektivene på det vanlige Q-skjemaet sm er vist på fig.2 g sm beskriver bergmassestabilitet g behv fr sikring). Kmpnenetene i Qr,r er fglgende: e*{=y-*,.sk,.ffi.#-å.? (1) Hvr: RQD = RQD (V) beregnet langs tunnelretningen. RQD blir gså brukt nå Q-verdien benyttes til anslag av bergmassestyrken (ligning 2 g3). Jn, Jr, J4 J,, g SRF er ufrandrede Q-parametre, men J, B J" refererer til det sprekkesettet sm har størst betydning fr bringen (gunstig eller ugunstig).
36.4 Figur 3 Fire klasser fr en grvklassifikasjn av tunnelfrhld @tter Bradley, lg7g) RELATV VANSKELGHET FOR TBM PR (ntt) 10 7 Þ 5 J 2 gripper prblemer, fastkiling, skvising, versvømmelse, sv. AR (m/t) 10 7 6 4 J 2 1 0 001 0.003 3 10 30 SGMA 20 q lrñ^cu*z 100 300,gul sj 1 000 Figur 4-Freslått f'rbindelse mellm PR, AR teksten) B QrsNr (Frklaring av symblene er gitt i
36. 5 ['= gjennmsnittlig matek aft pe.r^kutter (tnð i den aktuelle snen, nrmalisert med 20 tnf scm enhet. De høye verdiene ift2o') skyldes at dette er en dminerende'faktr, se glå ligning (7). SGMA = Anslått bergmassestyrke (MPa) i den aktuelle snen (se ligning 2 g3). CL = kutterlevetid-indeks (fr eksempel 4 fr kvartsitt g ca. 90 fr kalkstein) fra Jhannessen et al, NTH, 1994. q = kva tsinnhld i Prsent 6e = indusert tdimensjnal spenning i tunnelstuffen (mtrentlig, i MPa) i den aktuelle snen, nrmalisert med en enhesdybde på 100 m. En versikt ver de frskjellige parameterverdiene kan f. eks. angis på et gelgisk lengdesnin langs den aktuelle tunneltraseen. Vurderingen av bergmassestyrken (SGMA) baserer seg på Q-verdien, (men med rientert RQD.) sartmen med bergartens egenvekt (fra en ide framsatt av Singh, 1993)' Q-verdien (eì eíer ej er i dene tiffãllet nrmalisert ved enaksial trykkstyrke (.) med 100 MPa sm entret rtypisk hardt berg) eller nrmalisert ved punktlasstyrke (5s) med 4 MPa sm enhet' Frhldet./s er her-frenklet til å være ntrent 25. Relevant 5s anisfpi i frhld til tunnel etningen bør undersøkes ved punktlastester i tilfeller med sterkt flierte eller skifrige bergarter. valget mellm SGMA., g SGMA n vil avhenge av rienteringen @artn 2000)' SGMA".' = 5'T'Q"tÆ SGMA6 = S'T'Q,t (2) (3) Hvr: Q. - Q'./100, Q, = Q'5d4 g T = egenvekt (kg/m3) Eksempel: Skifer Q=Z(dårlig stabilitet), c= 50 MPa,5s = 0,5 MPa, ^l=2,8 kg/.', Qc = l, Qt = 0,25' Derfr btir SGMA"m= 14 MPa g SGMAÍ' = 8,8 MPa' Skiferen er bret i en gunstig retning g RQD = 15' Vi anta en gjennmsnittlig matekraft på 15 tnf per kutter, CL = 20, q=20v gcs= l5mpa (mtrentlig dy6e ã*. Kløvsprekkene har JJ,- 1/l (glatt, plane, umvandlet). QrsÀ{ blir ut fra dette: ^ 15 0,66 8-8 20 2O_*15 Qnu =ir1,, xg;'n*^ =3g s følge fig. 4, skulle QrsN{ = 39 gí en mderat penetrasjnshastighet (mkring 2,4 mltime). gvis matetraften ble frdblet til 30 tnf, vil Qrsl,r bli redusert til den langt gunstigqre verdien 0,04 g pr vil da øke med en faktr pä2', dvs. 4, g bli 9,6 m/time. Den virkelige inndriften vil imiãlertid avhenge av sikringsbehv g transprtbåndets kapasitet'
36. 6 m/t É, - fl q, -ct) * (u 10 5 4 3 2 e,_odels v.-rekrd 5 4 3 F - Fō. ōru l- +, tr 0-1.5,4.3,2,,l reè;: ô:-,i-- tdle/s 1.5.4.3 '2 r.1 år 2 \ ì Ja. ì ä Þ n J Īt rl f,+i, ^a + tr = Skifer g bregrus (Rbbins 1982) = Gjennmsnitt g beste resultat fra Merfüer (Jhannesen g Askilsrud, 1993) = Frkastninger fra frskjellige gelgiske reginer = Tunneler med behv fr systematisk frinjeksjn (Garshl 1983) - Gjennmsnitt g beste resultat fr tunnelen under den engelske kanal fr ett å flmarren et al. 1996) Fig. 5. Synkende gjennmsnittlig inndrift med pkende tidsintervall g tunnellengde, basert på 145 TBM tunneler med ttal lengde > 1000km.
36.7 ANALYSE AV EKSEVTPLER L!. F Fig. 5 er en lgg-lggpltt av PR g AR sm viser utviklingen av gjennmsnittlig PR nå en går fra times bring uten stpp ver til gjennmsnittlig AR per dag, per uke g i nen iitf.ll". per år. hvert tilfelle er hastigheten angitt i m/time. Figuren er basert på data fra 145 TBM- tunneler, ttalt mer enn 1000 km g inkluderer harde bergarter, myke bergarter, frkastningssner g mange spesielle tilfeller. Referanser til mkring 100 artikler sm beskriver disse tunnelene blir gitt hs Bartn (2000). Det vanlige frhldet mellm AR g PR er via en utnyttelsesfaktr (U) hvr: J AR = PR'U (4) Den synkende trenden med tiden i alle dataene kan bli uttrykt i et alternativt g mer praktisk frmat: AR= PR'T' (5) hvr den negative gradienten (m) med verdi LT2 (retardasjnsgradient) ha følgende verdier nfu T er tid i timer (Tallene fra til 4 nedenfr viser til trendlinjer i fig. 5): WR (beste resultater) m = -0,13 til -O,17 (variabel) t (gd) m=-0,17 2 (middels) m=-0,19 3 (darlig) m=-0,21 4 (svært dårlig) m = -0,25 Verdien av (-) m har en svak frbindelse med Q-verdien når bergfrhldene er gdc, g en sterkt frbindelse med Q-verdien når bergfrhldene er dårlige. De mtrentlige Q-verdier; 0,1 = svært dårlig, 0,01 = ekst em dårlig, 0,001 = eksepsjnell darlig er vist blant de uventete hendelser på fig 5. Tabell viser mtrentlige verdie av (-) m i frhld til Q-verdiene. Denne sammenhengen kan bli justert i fremtiden når det blir mer vanlig å lgge Q-verdier under TBM-fremdrift. Tabell Retardasjnsgradient (-) m g dens relasjn til Q-verdien Q= 0.001 0,01 0-l 10 100 1000 fll = -0,9 = _0,,1 = _0,5-0,22-0,17-0,19-0,27 Uventede hendelser eller ventede dårlige frhld. Mange frsinkelser på grunn av darlig stabilitet g sikringsarbeid, gripperprblemer. Operatlren reduserer PR. Dette Øker Q1gt Merk: lndeksen (l) er tilføyd Ç) m fr beregninger med ligning (6). Den største variasjnen i (-)m kan skyldes bergartenes slitevene, det vil si at kutterlevetid-indeks CL, kvartsinnhld g prgsitet er viktig. PR avheneer av Ornt. L
36. 8 KUTTERSLTÄSJE Den endelige gradienten G) m blir mdifisef av bergartens sliteevne sm er basert på en nmalisert verdi av CL, kutterlevetid (Jhannessen et al., NTH, 1994). Verdier mindre enn 20 gú en hutig reduksjn av kutterlevetiden, men verdier ver 20 gn lengre levetid. En typisk verdi fr kvaruitt kan være 4 gfr skifer 80. På grunn av påvirkningen av kvartsinnhld (qv) g prøsitet (n7) sm kan øke kutterslitasjen, er gså disse inkludert fr å gi en mer nøy aktig avstemning av gradienten. Til slutt må en vu dere tunnelens stø[else g behv fr sikring. Selv m stre tunneler nesten kan drives like raskt sm (eller til g med raskere) enn små tunneler i de samme bergmassene (e.g. Daltn et al. 1993), så vil det vanligvis bli mer frsinkelse på grunn av sikring hvis bergmassene et av dårlig kvalitet i stre tunneler. Derfr er den nrmalise te tunneldiameteren (D) satt til 5 m fr å mdifisere gradienten {m). (Qrsl,r er allerede delvis justert fr tunnelstørrelse ved bruk av den gjennmsnittlige matekraft). Den finjusterte gradienten (-) m blir anslått päfglgende måte (6): H = il,(+ï' (#) " [#)''[;) " (6) Fr å unngå null-prblemer er både (q) g (n) fr enkelhets skyld san ril ) 0,5v. Fr å vise hvrdan tiden g (-) m har betydning fr en reduksjn av utnyttelsesgrad g hastigheten, gis fplgende eksempel: Tabell 2. Eksempel på avtagende inndrift (AR) fr PR = 3m/time g m = (-)0,2. Malisimum antall timer (= virkelig tid) er anslått her. Peride PR skift 1 dag uke l maned 3 1år måneder Timer l0 24 168 720 2160 8760 U 1,0 0,63 0,53 0.36 0,27 0,22 0,16 AR (m/time) 3.0 1,9 1.6 1.1 0,8 0.6 0,5 Nen ganger kan PR bli så str at det blir prblemer med transprtbåndet, frlengelse av kabler gfir etc. Det vil da bli en Økning i gradienten fra time til dag siden det pptrer en raskere reduksjn i AR. PENETRASJONSHASTGHET OG NNDRFT RELATERT TL Q-rgil Sammenhengen mellm penetrasjnshastighet PR g QrsÀa ble utledet ved bruk av frskjellige eksempler ved prgving g feiling. Utviklingen blir besk ever hs Ba rn (2000). Fr å få det enklest ïttt, g ved å sløyfe desimaler, km en fram til følgende relasjn: PR = 5(QrsÌ,a)-'z ('7) Fra ligning 5 kan vi derfr urslå AR på følgende måte:
-{ 36.9 AR = 5(Qrsu)-'2'T' (8) Vi kan gså sjekke den "perativ" QrnM- verdien ved å tilbakeberegne penetrasj nshastigheteten : QrsNr = (s/pr)s (9) En ide m det stre numeriske mfanget av Qlsy - skalaen kan en få ved fglgende verdier: Tabell 3 QrsM estimert ut fra PR verdier, ved bruk av ligning (9) PR (m/time) 0,1 0.5 1,0 5 t0 GsN,r 3.1x10 10' 3125 0.03 Vi kan gså tilbakeregne QrsÀ,r fra inndrift hvis reta dasjnsgradienten (-)m er anslått ut fra tabell g tigning (6). En gjennmsnittlig Q-verdi fr den relevante strekningen i tunnelen skulle være adekvat fr dette anslaget. QrsÀ,r = (5.T'/AR)5 Fr eksempel: Hvis det ukentlige gjennmsnitt er 220 m, der uke = 110 timer, vil dette gi AR = 2mltime, g T = 110. Meã m - (-)0,2, vil T' (=U) bli 0,39, g QBM vil bli mkring 0,9, det vil si ne sm er ideelt fr hurtig penetrasjn, g i dette tilfellet PR = 5,1 m/time. Dette eksemplet følger mtfent linje på fig. 6 g er åpenbart et gdt resultat. Der må giøres ppmerksm på at stiplede linjer er brukt fr PR g AR estimat på fig. 4 når ersm < LO. Orti" skyldes usikkerhet med hensyn til hva peratprpraksisen vil være. Det rèyfa.r gså den destabiliserende vi kningen frkastninger kan ha, hvr feilaktige beilutninger eller ikke ptimale maskiner kan frå sake prblemer. Den høye gradienten til (-)m i stre frkastningssner vil tendere til å stppe en TBM i henhlá tit Ugnig (8). Frbehandling (eller etterbehandling) fr å øke den effeltive Q- verdien g r.durrir -(m) g dermed øke "ståtiden" sm vil være nødvendig før bringen kan gjenpptas. A SLAG AV DRTVET) Tiden (T) det tar å bre en tunnellengde (L) med en gjennmsnittlig inndrift på AR er åpnebart UAR. Fra ligning 5 kan vi derfr utlede fglgende: (10) T - (Ll PR)t.^ (l 1) Denne fundamentale ligningen demnstrerer gså ustabiliteten i frkastningssner inntil (-)m blir redusert ved fr- g etterbehandling g med drenasje ved hgye pretrykk.
36. 10 Eksempel: Skifer: Qrsv = 39 (fra fregående beregning med 15 tnf i matek aft). Fra ligning 7, pr = 2,4 mltime. Siden Q = 2, fr\ = -0,2 fra tabell 1. Hvis TBM diameteren er 8 m g CL = 45, q= 5vgn=rv, såblirm=-(0,21 x 1,1 x0,89 x 0,87x 0,97 =-0,17 fraligning6.en 1km lang tunnel i skifer med tilsva ende rientering g bergkvalitet vil bretiden bli fplgende i henhld til igning 11: T = (l0cflt2,{ tt0'n = 1433 timer (= 2 måneder) dvs. AR = O,7 mltime, sm tilsva er det en finner ved bruk av ligning 8 g T = 1433 timer. nndriften vil bli frsinket av kutterskift (en mindre gunstig gradient m) hvis bergarten er mer slitende g prøs (Den sisnevnte faktren gir økt slitasje på grunn av "selvskjerping" ved dypere kutterpenetrasjn). Med diameter = 8 m g Q = 2 vil det være npdvendig med lett, men systematisk, permanent sikring. KONKLUSJON En arbeidsmdell fr å estimere penetrasjn (PR) g inndrift (AR) ved TBM-bring ved ulike bergfrhld, tunnellengder g bretider er utviklet. Den kan brukes til å lage prgnser g ved tilbakeberegninger. Siden mdellen er ny, kan det bli nødvendig med frbedringer g krreksjner når fremtidige breresultater studeres. Anslag av PR g gjennmsnittli! g.uãi"nt (-) m er kritisk fr å ppnå et gdt resultat ved bruk av metden g gså fr å ppnlei gdt resultat ved et hvert TBM-prsjekt. REFERANSER Bartn, N. (2000). TBM Tunnelling in Jinted and Faulted Rck (n press). Bradley, Vy'.B. (1979). Failure f nclined Brehles. Trans. f ASME, Vl. 101, Dec. 1979, pp.232-239. Garshl, K. (1983). Excavatin, Supprt and Pre-Gruting f TBM-Driven Sewer Tunnel. Nrwegian Tunnelling, Publ. N. 2, Nrw. Sil and Rck, Eng. Assc., pp. zl-2g. Tapir Press. Grimstad, E and Bartn, N. (1993). Updating the e-system fr NMT. prc. lnt.symp. n Sprayed cncrete, pp.46-66, Fagernes, Nrway. Eds. Kmpen, psahl, Berg, Nòrwegian Cncrete Assciatin, Osl. Jhannessen, O. et al. NTH (1994). Ha d Rck Tunnel Bring. Prject Reprt l-94, t 64 p, NTHNTNU Trndheim, Nrway. Jhannessen, S. and O.G. Askilsrud, (1993). Meraaker Hydr - Tunnelling the "Nrwegian V'^y". Prc Rapid Excavatin and Tunnelling Cnf. Bstn, USA pp. 415-427, SME, Èds. Bwerman and lr{nsees.
36.11 Rbbins, R.J. (1982). The applicatin f Tunnel Bring Machines t9bld Rck Cnditins' prc.srm Symp.Aacheniip.g2T-g36,V1.2, Ed. wittke, A. A. Balkema. Singh, B. (1993). Nrwegian Methd f Tunnelling Wrkshp, CSMRS, New Dehli. 'Warren, C.D. P.M. Varley and R. Parkin (1996). UK Tunnels: Getechnical Mntring and Encuntered Cnditins. Ch. 14 f Enginàering Gelgy f the Channel Tunnel' Eds' Harris et al., pp. 219-243,Thmas Telfrd' Daltn, F.E., L.R. Devita and w.a. Macaitis. (1993). TARP Tunnel Bring Machine Pe frmance, Chicai. Prc. Rapid Excavatin at Tunnelling Cnf' Bstn' USA' pp' 445-451, SME, Eds. Bwerman and Mnsees'