Η παρούσα μεταπτυχιακή εργασία αφορά τη μελέτη των καθιζήσεων που αναπτύσσονται στην επιφάνεια του εδάφους κατά την εγκάρσια διεύθυνση σε ρηχή σήραγγα κυκλικής διατομής και γίνεται παραμετρική διερεύνηση διαφόρων μεγεθών σε σχέση με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της σήραγγας και  της εντατικής της κατάστασης.

Κατά τη συμβατική διάνοιξη χρησιμοποιούνται μέτρα υποστήριξης για την ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής. Συνήθως αγκύρια μετώπου από υαλονήματα (fiberglass) και δοκοί προπορείας (forepoles). Κατά τη μηχανοποιημένη προσφέρεται η απαιτούμενη πίεση υποστήριξης από τις μηχανές ολομέτωπης κοπής ΤΒΜ.

Σκοπός της εργασίας είναι να εξαχθούν τα αποτελέσματα των καθιζήσεων όπως περιγράφονται από την καμπύλη Gauss. Ακόμα, συσχετίζονται τα παρακάτω μεγέθη,  μέγιστη καθίζηση Sv,max, το σημείο καμπής  i, ο όγκος εδάφους που χάνεται στη διατομή της σήραγγας λόγω των συγκλίσεων των τοιχωμάτων κατά την διάνοιξη (GL %) καθώς και  η ευστάθεια μετώπου με τον δείκτη ευστάθειας ΛF όπως προτάθηκε από τον Προυντζόπουλο (2012).

Δημιουργήθηκε μοντέλο σήραγγας στο πρόγραμμα PHASE2D και κατόπιν επιλύθηκε ένα πλήθος παραμετρικών αναλύσεων σε οχτώ εδάφη με διαφορετικά μηχανικά χαρακτηριστικά, για τέσσερα ύψη υπερκειμένων, δύο τιμές του δείκτη οριζοντίων ωθήσεων Κο και πέντε τιμές αποτόνωσης λ. Διερευνήθηκε η επιρροή διαφόρων παραμέτρων πάνω στις μετατοπίσεις.

Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στον ορισμό των καθιζήσεων, τις κατηγορίες τους   και τη σημασία που έχουν σε αστικό περιβάλλον στην επιρροή τους στις υφιστάμενες κατασκευές (στα κτίρια). Ακόμα, αναπτύσσεται η έννοια της απώλειας εδάφους κατά τη διάνοιξη. Έπειτα, γίνεται αναφορά στις αριθμητικές και εμπειρικές μεθόδους εκτίμησης του μεγέθους των καθιζήσεων και λοιπών παραμέτρων όπως, το σημείο καμπής και η απώλεια όγκου εδάφους στην επιφάνεια του εδάφους και στην σήραγγα.

Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται εκτενής περιγραφή της μηχανοποιημένης διάνοιξης με τις μηχανές ΤΒΜ και τις μηχανές με ασπίδα Shield Machines. Αρχικά αναφέρονται τα συστατικά μέρη των μηχανών ΤΒΜ με και χωρίς ασπίδα και αναπτύσσονται οι βασικές τους λειτουργίες. Ακολουθεί η ταξινόμηση των μηχανών όπως προτείνεται από την Ελληνική προδιαγραφή του «ΕΛΟΤ ΤΠ 1501-12-02-01-02:2009» που ακολουθεί τις Γαλλικές προδιαγραφές βάσει της προσφερόμενης πίεσης υποστήριξης του μετώπου εκσκαφής. Αναλύονται οι μηχανές κύριας δοκού  TBM-Gripper και οι μηχανές με ασπίδα  SM και τέλος αναφέρονται κάποια συνοπτικά παραδείγματα εφαρμογής μηχανών με ασπίδα εξισορρόπησης γαιών και μηχανών πολφού.

Στο τρίτο και τελευταίο κεφάλαιο γίνεται η αριθμητική διερεύνηση της παρούσας εργασίας. Αρχικά, η περιγραφή του μοντέλου της κυκλικής διατομής της σήραγγας διαμέτρου D=10m, τα εδάφη που αναλύθηκαν και τα υλικά, όπως το εκτοξευόμενο σκυρόδεμα ως υποστήριξη η μόνιμη επένδυση) στο τελευταίο στάδιο μετά την αποτόνωση. Τα εδάφη είναι οχτώ υποβαλλόμενα σε φόρτιση με συντελεστή ουδετέρων ωθήσεων Κο=0.5 και Κο=1.Τα υπερκείμενα ύψη είναι τέσσερα, συγκεκριμένα H1=10m, H2=15m, H3=20m και Η4=25m, μετρούμενα από το κέντρο του άξονα της σήραγγας. Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά στο συντελεστή ευστάθειας Λf( Προυντζόπουλος 2012), στο συντελεστή αποτόνωσης λ % για πέντε τιμές αποτόνωσης της βραχόμαζας λ₁=5%,λ₂=10%,λ₃=20% λ₄=30% και λ₅=50% για την προσομοίωση της χαλάρωσης της βραχόμαζας.

Στα αποτελέσματα των μετατοπίσεων αναφέρονται οι καθιζήσεις Sv στην εγκάρσια διεύθυνση για επιλεγμένα εδάφη τα 1,3 και 7 για λ=(5,10,20)% και λ=30% ,για Κο=0.5 και Κο=1, όπως προέκυψαν από το πρόγραμμα Phase 2D αλλά και με βάση την εμπειρική σχέση του Peck σε υπολογιστικό φύλλο excel. Τα αποτελέσματα που εξήχθησαν από το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων ακολουθούν πράγματι την καμπύλη Gauss και την εμπειρική σχέση του Peck . Δίνονται τα διαγράμματα Sv ως προς x/D συναρτήσει των τιμών του συντελεστή αποτόνωσης λ=(5,10,20 και 30%). Δίνεται πίνακας με τις μέγιστες τιμές καθιζήσεων για όλα τα ύψη υπερκειμένων επίσης για τα εδάφη 1,3 και 7.

Ως προς το σημείο καμπής αδιάστατο ως προς τη διάμετρο D (i/D) γίνονται οι συσχετίσεις με τον συντελεστή υπερφόρτισης Νs για όλα τα εδάφη με λ=20%  για τα βάθη εκσκαφής (Hi/D), συναρτήσει του Κο=05 και Κο=1.Επίσης δίνεται διάγραμμα του σημείου καμπής i με τα βάθη εκσκαφής (Hi/D) για Κο=0.5 και Κο=1.

Ως προς τον ποσοστιαίο όγκο εδάφους ανά μονάδα μήκους που χάνεται κατά την διάνοιξη πέριξ της σήραγγας από τις συγκλίσεις των τοιχωμάτων της (GL %) και όπως αυτός υπολογίστηκε από το υπολογιστικό φύλλο βάσει των συγκλίσεων της διατομής από το πρόγραμμα Phase2D, γίνεται συσχέτιση με το συντελεστή αποτόνωσης λ (πέντε τιμές λ ), συναρτήσει του συντελεστή υπερφόρτισης Νs για τα εδάφη 2,4,6 και 8, για Κο=0.5 και Κο=1 και για τα τέσσερα ύψη υπερκειμένων Η=(5,10,20 και 25)m. Επίσης ο εν λόγω όγκος απώλειας εδάφους ανά μονάδα μήκους (GL%) συσχετίζεται με το συντελεστή ευστάθειας Λf (Προυντζόπουλος 2012) συναρτήσει των πέντε τιμών αποτόνωσης λ=(5,10,20,30 και 50)% ,για τα οχτώ εδάφη με Κο=0.5 και Κο=1 και όλα τα ύψη υπερκειμένων.

Ακόμα προτείνεται εμπειρική σχέση υπολογισμού του GL % με βάση τον Λf (Προυντζόπουλος 2012) όπως αυτή διεξήχθη με την βοήθεια του υπολογιστικού φύλλου excel. Δίνεται το σχετικό διάγραμμα σε όλα τα ύψη υπερκειμένων. Παρατηρείται εκθετική συσχέτιση των δύο μεγεθών που αφορούν  τα οχτώ εδάφη με Κο=0.5 και Κο=1, συναρτήσει των πέντε τιμών αποτόνωσης λ.

Επίσης, δίνονται τα διαγράμματα που συσχετίζουν την μέγιστη καθίζηση Sv,max ανηγμένη ως προς τη διάμετρο της σήραγγας (Sv,max/D)(%) με τον όγκο απώλειας εδάφους (GL%) όπως αυτός διεξήχθη από το υπολογιστικό φύλλο με βάση τις συγκλίσεις της σήραγγας από το Phase 2D. Τα διαγράμματα αφορούν και τα οχτώ εδάφη με Κο=0.5 και Κο=1 συναρτήσει των τεσσάρων υπερκειμένων αδιάστατων ως προς την διάμετρο της σήραγγας (Hi/D).

Τέλος, δίνονται τα διαγράμματα που συσχετίζουν την μέγιστη καθίζηση Sv,max ανηγμένη ως προς το σημείο καμπήςi (Sv,max/i)(%) με τον όγκο απώλειας εδάφους (GL%). Τα διαγράμματα αφορούν και τα οχτώ εδάφη με Κο=0.5 και Κο=1 συναρτήσει των τεσσάρων υπερκειμένων αδιάστατων ως προς την διάμετρο της σήραγγας (Hi/D).