1. Marti Tunnelbau AG / Marti GmbH
Queen’s University
ETH Zürich
Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken
Fallbeispiele des Niagara Tunnel Facility Projects (Kanada)
und des Mangdechu Hydropower Projects (Bhutan)
Helmut Wannenmacher & Matthew Perras (Phd.)
3. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Schichtknicken_ Begriffserklärung
Copyright TU Graz / Institut f. Felsmechanik und Tunnelbau
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4. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Auftreten:
Winkel= 0 - 30° zu σmax
± paralleler Lagerung zum Tunnel
α
Schichtknicken_ Definition
5. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Schichtknicken_ Berechnungsmethoden
Numerische Methoden
Analytische Methoden
• Damage Initiation and Spalling Limit (FEM) (Diederichs 2007)
– +/- Dilation
• Anisotropes Schichtmodel (DEM)
– (Latente) Klüfte zur Berücksichtigung der Anisotropie
• Berechnung der Knickspannung nach Euler
• Berechnung der kritischen Schichtstärke nach Feder
• Berechnung der kritischen Schichtstärke i. Abhängigkeit von σt
• Berechnung der Bruchzonentiefe bei spannungsbedingten
Abschalungen nach Martin
6. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Elastisches Knicken nach Euler:
Berechnung der Knickspannung
7. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Feder and Arwanitakis 1976:
Berechnung der kritischen Stärke von geschichtetem Fels
Copyright TU Graz / Institut f. Felsmechanik und Tunnelbau
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8. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Berechnung der kritischen Stärke von geschichtetem Fels
(Annahme keine Auflast)
9. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Berechnung der Bruchzonentiefe bei spannungsbedingten Abschalungen
(Martin D. 1997)
Zusammenhang zwischen normalisierter Bruchtiefe und Spannungs -
Festigkeitsverhältnis
10. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Fallbeispiel NTFP:
Gebirgsverhalten der Queenston Formation
21. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Southern Ontario
DGR
Niagara
Tunnel
Canada
Canada
Geomechanische Situation_ Regionale Situation
22. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
DGR
Niagara
Tunnel
NTFP
Geomechanische Situation_ Queenston Formation
23. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Bois Blanc
Salina
Niagara Group
Cataract Group
Queenston
Georgian Bay
Blue Mountain
Collingwood
Cobourg
Bass Island
Lucas
Amherstburg
Geomechanische Situation_ Varianz Steifigkeit
29. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Bereich
Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4
Gebirgsverhalten_ Klassifikation
30. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Hohlraumnaher Scherbruch - Dombildung
Rolliges Gebirge.
Herausgleitenvon
kleinvolumigen
Kluftkörpern
Gebirgsverhalten_ Zone 1
31. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Klüfte
Unregelmässiges Profil
Grosse Blöcke
Spannungskonzentration in
steiferen Schichten
Contact Area of
Sandstone and
Mudstone
Gebirgsverhalten_ Zone 2
34. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
3.5 1.5 km2.5 2.03.0
0
1
2
3
4
Maxoverbreakdepth
(m)
Zone 4 Zone 3
Zone 4
Zone 3
Gebirgsverhalten_ Zone 3/ 4
35. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Zone 3
Zone 4 Zone 3
Gebirgsverhalten_ Abschalungen Zone 2/ 3 & 4
Zone 4
Zone 1
37. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Vergleich Berechnungen
Analytische Methoden
• Euler: e krit. = 0,30 cm dof: n.a.
• Feder: e krit. = 0,15 cm dof: n.a.
• Zugversagen: e krit. = 0,25 cm dof: n.a.
• Martin: e krit. = n.a. dof: 2,4 m (CI= 8 Mpa)
38. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Vergleich Berechnungen
Numerische Methoden
• Damage Initiation and Spalling Limit (FEM) (Diederichs 2007)
– +/- Dilation
• Anisotropes Schichtmodel (DEM)
– Latente Klüfte zur Berücksichtigung der Anisotropie
39. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Niagara Tunnel Project NTP – Laminated Model
Rückrechnung_ Numerische Methoden
40. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Isotropic – No Laminations Anisotropic – With Laminations
Far Field
Sigma 1 = 12 MPa
33 44
Crown Stress
Concentration
(MPa)
Rückrechnung_ Numerische Methoden
41. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Anisotropic – With Laminations
Far Field
Sigma 1 = 12 MPa
44
Crown Stress
Concentration
(MPa)
Transversely Isotropic – No Laminations
44
Rückrechnung_ Numerische Methoden
42. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Deformed
Boundary
Deformed
Boundary
Far Field
Sigma 1 = 12 MPa
Isotropic – No Laminations Anisotropic – With Laminations
Rückrechnung_ Numerische Methoden
56. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Gebirgsverhalten_ progressives Öffnen latenter Schichten
57. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Gebirgsverhalten_ Charakterisierung
Typ 1: Dünnbankig geschichteter Fels (<15cm) mit weitständiger Klüftung
Typ 2: Bankig geschichteter Fels (15- 50cm) mit mittel bis weitständiger
Klüftung
Typ 3: Scherzonen; dünnbankig geschichteter Fels (<15cm) mit engständiger
Klüftung
58. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Gebirgsverhalten_ erweitertes RMR Diagramm nach Hoek
Gebirgsklassifikation nach RMR (erweitert nach Hoek) für Adit 3
60. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Rückrechnung_ Adit 3 Überbruch Station 250 m
dof: ca. 2.0 m (eTF= 20cm)
dof: ca. 0.6 m (eTF= 40cm)
Situation:
• Dünnbankiger Gneis eTF : 15 – 25cm
• Orientierung: dd: 330° d: 10°
• Mechanische Parameter: UCS: 50 MPa
BT: 1 - 2 MPa (BT ║sf : ~ 0)
• Spannungszustand: σH > σ v
61. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Rückrechnung_ Adit 3 Überbruch Station 250 m
Analytische Methoden
• Euler: e krit. = 0,18 cm dof: n.a.
• Feder: e krit. = 0,10 cm dof: n.a.
• Zugversagen e krit. = 0,35 cm dof: n.a.
• Martin e krit. = n.a. dof: 1,5 m (UCS = 25 MPa)
0 m (UCS = 50 MPa)
62. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Zusammenfassung
• Schichtknicken ist ein spröder, abrupter Bruchprozess
• Schwer zu kontrollierendes Gebirgsverhalten im unmittelbaren Vortrieb.
• Vorauseilende Sicherungsmittel haben nur beschränkte Wirkung.
• Sichtversagen gekoppelt mit hoher Spannungskomponente parallel
zur Schichtrichtung.
• Einfache geomechanische Modelle erlauben einen raschen Überblick
zur Bestimmung der Knickgefährdung schlanker geschichteter Felspakete.
• Komplexere Versagensformen können zumeist nur mit diskreten
numerischen Modellen und hochwertigeren analytischen Methoden
gelöst werden.
Feder and Arwanitakis 1976 proposed a solution for the determination of
buckling failure [16].
The proposed criterion can be used to assign behaviour type 6 (buckling
failure), based on the bedding plane thickness.
The solution is based on the primary stress condition and the friction between
the buckling planes.
The following two equations express the friction force between buckling planes
as well as the calculation of the related length:
Vom empirischen Standpunkt aus ist mit Abschalungen zu rechnen, wenn die maximale Tangentialspannung etwa 40% (Reduktionsfaktor A=0.4) der einaxialen Druckfestigkeit des Gebirges überschreitet (Differentialspannung bei der Bruchinitialisierung sD,CI).
The Niagara Region has three main topographic features
The Niagara Escarpment, a cliff with resistant limestone cap rock
The Niagara River Gorge where the Niagara River currently flows
The Buried St. Davids Gorge, an ancient river channel no infilled
- Tunnel excavation started down stream of Niagara Falls and descended below St Davids Buried Gorge, ~140 m below ground surface.
Sever overbreak in the Queenston Formation required re-alignment of the tunnel after the gorge to minimize excavation in the Queenston
Four different Zones of behaviour were observed and will be discussed in more detail later
The Niagara Tunnel Project and the proposed Deep Geological Repository (DGR) are located in Southern Ontario
The yellow area marks the sedimentary rocks of Southern Ontario
The sedimentary rocks overlie the precambrian basement rocks
The Queenston Formation is wide spread across Northern United States and Southern Ontario, Canada
It ranges from coarse grained sandstones close to the source zone in Pennsylvania and calcareous shale in the Bruce Peninsula where the DGR is located
At the Niagara Tunnel the Queenston is a calcareous mudstone
Source of swelling potential
A comparison between the Queenston properties at both sites was conducted to determine similarities or differences between each site
The Top of the Queenston Formation was taken as the zero datum
The stiffness at the DGR increases with depth
The Stiffness at the NTP site first increases then stabilizes or decreases slightly with depth
- The UCS at both sites increase with Depth, although there appears to be distinct strength bands at the NTP site
- The CI threshold is similar with depth at both sites, slightly higher on average at the DGR site
The greenish-gray spots in the Queenston Formation are silty layers with a slightly larger grain size then the surrounding red mudstone
UCS increases with Siltstone Content
Crack Propagation (CD) threshold starts to increase around 40% siltstone
Crack Initiation (CI) threshold is consistent up to 70% siltstone
At the NTP
The Ko ratio in the Queenston ranges between 2 – 9
The Ko ratio at the deepest tunnel section, around elevation 40 m ranges between 2-6
The horizontal stress ratio, KHh, ranges bewteen 1-2
At the DGR site
The Ko ratio within the Queenston Formation is between 1-2 (graph shown)
The horizontal stress ratio within the Queenston Formation is between 1-2 (not shown)
At the transition to behavioural Zone 4 the maximum overbreak depth began to increase from 2 to 4 m
The tunnel was past St. Davids Buried Gorge and entered the higher regional stress field
The variations in the rock mass properties and character resulted in a variety of failure modes. In the Rochester Shallow Chimney style failure occurred. Failure in the Neagha resulted due to gravity raveling. Localized haunch instability and failure occurred in the Thorold and Power Glen and minor crown and haunch failiure occurred in the Grimsby. Above the Queenston Formation is considered behavioural Zone 1.
Thin shale beds in the crown shallow crown
The variations in the rock mass properties and character resulted in a variety of failure modes. In the Rochester Shallow Chimney style failure occurred. Failure in the Neagha resulted due to gravity raveling. Localized haunch instability and failure occurred in the Thorold and Power Glen and minor crown and haunch failiure occurred in the Grimsby. Above the Queenston Formation is considered behavioural Zone 1.
Thin shale beds in the crown shallow crown
- Typical 1-2 m deep profile, although irregular due to structure under the gorge
Stress induced chimney style failure was most evident in the Queenston Formation, were depths of over break in the order of 4 m occurred. There was variability in the over break style even within the Queenston, which was controlled by structure and stress field modification near topographic extremes. Once past St. David’s Buried gorge the chimney style failure occurred consistently and was skewed to one side due to a slightly non-horizontal maximum principle stress. This is behavioural Zone 4.
At the transition to behavioural Zone 4 the maximum overbreak depth began to increase from 2 to 4 m
The tunnel was past St. Davids Buried Gorge and entered the higher regional stress field
The failure envelops used in the modeling presented here
The DISL and UBJT models have the same matrix failure criteria
The LAM model was only used for the NTP
The beam failure envelop were determined by reducing the GSI value such that rockmass modulus was the same when harmonically average with the beam modulus and normal stiffness
Calibration of the LAM method was conduced by Perras 2009
This figure shows the difference between an isotropic and anisotropic elastic model for Sigma 1 stress concentrations
If the transversely isoptropic elastic model is compared with the elastic anisotropic model, the same contours and concentration at the crown are achieved
Stiffnesses are balanced – confirmation
If an equivalent isotropic plastic model is compared to an anisotropic model there is a considerable difference between the deformed boundaries of the two models.
The anisotropic model allows more lateral movement below the crown and increased deflection above the crown, where as the isoptric model shows near radial convergence.
An example of the UBJT model showing similar overbreak depth as those observed at the NTP
The numerical results where overbreak and chord closure criteria were both met are shown in the graph. The empirical limits come from Martin (1997) which agree well with the numerical results
However, the maximum depths of overbreak at 3+500 m were not achievable using both criteria.
The maximum overbreak depths maybe influenced by external influences not captured in the numerical models, such as scaling of overbreak, or strucutres.
Gebirgsarten:
Glimmerschiefer bis Schiefergneisse (UCS bis 50 -70 MPa Prognose
Problemstellung
Gebirgsbeschreibung an Hand des RMR System ( berücksichtigt keine Spannungen in der Fassung von Bieniawski )
The tender references a higher horizontal stress regime within the area based on measurements within the area.
The World Stress Map indicates also a higher horizontal stress regime oriented NW to NNW in the area
The derived magnitude for the K0 factor for the powerhouse area is in the range of K0 = 1.7 (sH) and K0 = 1.4 (sh).