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Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken
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ÜBERBLICK
1. Begriffserklärung Schichtknicken
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Schichtknicken_ Begriffserklärung
Copyright TU Graz ...
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Auftreten:
Winkel= 0 - 30° zu σmax
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Schichtknicken_ Berechnungsmethoden
Numerische Metho...
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Elastisches Knicken nach Euler:
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Feder and Arwanitakis 1976:
Berechnung der kritische...
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Berechnung der Bruchzonentiefe bei spannungsbedingte...
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Fallbeispiel NTFP:
Gebirgsverhalten der Queenston Fo...
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Niagara Falls
Rapids
Whirpool
Einführung NTFP _ Das ...
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Einführung NTFP _ Situation Tunnel Vortriebe
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Einführung NTFP _ Geologischer Längsschnitt vereinfa...
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Einführung NTFP _ Historie der bestehenden Anlage
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>> Big Becky<< grösste TBM - O
4 m 10 m
NTFP: Vortri...
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NTFP: Vortrieb und Sicherung
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 Problemstellung Gebirgsverhalten
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Southern Ontario
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Geomechanische Situation_ Varianz UCS und CI
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Geomechanische Situation_ Einfluss des Siltsteinante...
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Bereich
Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4
Gebirgsverhalten...
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Hohlraumnaher Scherbruch - Dombildung
Rolliges Gebir...
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Klüfte
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Grosse Blöcke
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Gebirgsverhalten_ Zone 3
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Methoden)
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Vergleich Berechnungen
Analytische Methoden
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Vergleich Berechnungen
Numerische Methoden
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Niagara Tunnel Project NTP – Laminated Model
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Rückrechnung_ Analytische Methoden (Vergleich)
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Rückrechnung_ Bruchprozess
Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Rückrechnung_ Zusammenfassung
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Fallbeispiel Mangdecchu HP:
Gebirgsverhalten und Kla...
Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Einführung_ Mangdecchu HP
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F. 2F. 1 F. 3 F. 4 F. 5 F. 6
Einführung_ Mangdecchu ...
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 Geomechanische Situation
Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
Geomechanik_ Geologische Verhältnisse
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Geomechanik_ Mangdecchu HP
Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
BHUTAN
Geomechanik_ Primärspannungsverhältnisse
Geomechanische Überlegungen zum Schichtknicken20.12.2013 ‹Nr.› von 62
 Gebirgsverhalten
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Gebirgsverhalten_ Schichtknicken
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Gebirgsverhalten_ progressives Öffnen latenter Schic...
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Gebirgsverhalten_ Charakterisierung
Typ 1: Dünnbanki...
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  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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