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  • 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).
  • Tum vortragfinal

    1. 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.)
    2. 2. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 ÜBERBLICK 1. Begriffserklärung Schichtknicken • Definition • Berechnungsmethoden 2. Fallbeispiel NTFP • Einführung • NTFP: Vortrieb und Sicherung • Problemstellung Gebirgsverhalten • Geomechanische Situation • Rückrechnung Beobachtungen • Systemverhalten – Einfluss Vortrieb 3. Fallbeispiel Mangdecchu HP • Einführung • Problemstellung Gebirgsverhalten • Rückrechnung Beobachtungen • Systemverhalten – Einfluss Vortrieb 4. Zusammenfassung
    3. 3. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Schichtknicken_ Begriffserklärung Copyright TU Graz / Institut f. Felsmechanik und Tunnelbau Copyright TU Graz / Institut f. Felsmechanik und Tunnelbau
    4. 4. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Auftreten: Winkel= 0 - 30° zu σmax ± paralleler Lagerung zum Tunnel α Schichtknicken_ Definition
    5. 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. 6. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Elastisches Knicken nach Euler: Berechnung der Knickspannung
    7. 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 Copyright TU Graz / Institut f. Felsmechanik und Tunnelbau
    8. 8. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Berechnung der kritischen Stärke von geschichtetem Fels (Annahme keine Auflast)
    9. 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. 10. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Fallbeispiel NTFP: Gebirgsverhalten der Queenston Formation
    11. 11. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
    12. 12. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Niagara Falls Rapids Whirpool Einführung NTFP _ Das Niagara Plateau
    13. 13. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Einführung NTFP _ Situation Tunnel Vortriebe
    14. 14. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Einführung NTFP _ Geologischer Längsschnitt vereinfacht
    15. 15. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Einführung NTFP _ Historie der bestehenden Anlage
    16. 16. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 >> Big Becky<< grösste TBM - O 4 m 10 m NTFP: Vortrieb und Sicherung 14.40 m
    17. 17. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 NTFP: Vortrieb und Sicherung
    18. 18. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62  Problemstellung Gebirgsverhalten
    19. 19. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Problemstellung Gebirgsverhalten
    20. 20. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62  Geomechanische Situation
    21. 21. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Southern Ontario DGR Niagara Tunnel Canada Canada Geomechanische Situation_ Regionale Situation
    22. 22. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 DGR Niagara Tunnel NTFP Geomechanische Situation_ Queenston Formation
    23. 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
    24. 24. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Geomechanische Situation_ Varianz UCS und CI
    25. 25. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Geomechanische Situation_ Einfluss des Siltsteinanteils
    26. 26. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Tunnel Tunnel Geomechanische Situation_ Spannungsverhältnisse
    27. 27. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Queenston Formation Geomechanische Situation_ Spannungsverhältnisse DGR Site
    28. 28. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62  Gebirgsverhalten
    29. 29. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Bereich Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Gebirgsverhalten_ Klassifikation
    30. 30. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Hohlraumnaher Scherbruch - Dombildung Rolliges Gebirge. Herausgleitenvon kleinvolumigen Kluftkörpern Gebirgsverhalten_ Zone 1
    31. 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
    32. 32. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Gebirgsverhalten_ Zone 3
    33. 33. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Gebirgsverhalten_ Zone 4
    34. 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. 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
    36. 36. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62  Rückrechnung (Numerische und Analytische Methoden)
    37. 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. 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. 39. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Niagara Tunnel Project NTP – Laminated Model Rückrechnung_ Numerische Methoden
    40. 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. 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. 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
    43. 43. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 3.95 m 3.78 m Rückrechnung_ Numerische Methoden
    44. 44. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Rückrechnung_ Analytische Methoden (Vergleich)
    45. 45. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Rückrechnung_ Bruchprozess
    46. 46. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Rückrechnung_ Zusammenfassung
    47. 47. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Fallbeispiel Mangdecchu HP: Gebirgsverhalten und Klassifikation
    48. 48. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Einführung_ Mangdecchu HP
    49. 49. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 F. 2F. 1 F. 3 F. 4 F. 5 F. 6 Einführung_ Mangdecchu HP
    50. 50. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62  Geomechanische Situation
    51. 51. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Geomechanik_ Geologische Verhältnisse
    52. 52. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Geomechanik_ Mangdecchu HP
    53. 53. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 BHUTAN Geomechanik_ Primärspannungsverhältnisse
    54. 54. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62  Gebirgsverhalten
    55. 55. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Gebirgsverhalten_ Schichtknicken
    56. 56. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 Gebirgsverhalten_ progressives Öffnen latenter Schichten
    57. 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. 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
    59. 59. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62  Rückrechnung
    60. 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. 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. 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.
    63. 63. Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62 HERZLICHEN DANK

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