Alagúttervezés a Zagrosz fővetőn keresztül – Irak-Kurdisztán Penjween régióban Tunnel design across the Zagros Main Fault – Iraq-Kurdistan Penjween Region DEÁK Ferenc(1) – TIMÁR József (2) – ZALÁN Ákos (2) (1) MVM Paks II Atomerőmű Fejlesztő Zrt., H-7030 Paks, Gagarin utca 1. 3. em. 302/B.
[email protected] (2) Transinvest-Budapest Kft., H-1106 Budapest, Fehér út 10.
[email protected]
Abstract After the economic boom in Iraq-Kurdistan the infrastructural reorganization began based on the design of the highway and road network. The construction of the high number of tunnels is required because of the relief of the region thus the tracing of the roads can be better. Our Hungarian team was responsible for the verification of the Iranian-designed Penjween tunnel from Zagros Mountain (and Darbandikhan tunnel). Our checking and consultant work helped the Client (Kurdistan Region Ministry of Construction and Housing – Sulaymaniyah) to prepare the Tender for the tunnel construction. Kulcsszavak: Zagrosz, vető, alagút, földrengés, Penjween
1. Bevezető Az iraki Kurdisztán autonóm régió gyors gazdasági fejlődésnek indult és jelen pillanatban hatalmas összegeket és erőforrásokat fordítanak infrastrukturális fejlesztésekre. Ennek egyik fontos állomása az autópálya, illetve a mellékutak hálózatának modern szempontok szerinti megtervezése és kiépítése. A teljes úthálózat elkészítéséhez nagyszámú alagutat kell építeni a jelenlegi független Kurdisztánban. 2013 májusában kötött szerződést a magyar Transinvest-Budapest Kft. az Irak-Kurdisztáni Építésügyi Minisztériummal, ezen belül a Kurdisztáni Régió utak felügyeletével megbízott kormányhivatalával két alagút projekt (Penjween és Darbandikhan) tervellenőrzésére, felülvizsgálatára és konzultánsi munkára. Az alagúttervezést iráni szakemberek végezték (BEHIN TARADDOD PARS Consulting Engineer és a SAFF-ROSEMOND Co. munkatársai). A magyar konzultáns csapat Szulejmánija város minisztériumi épületében kapott helyett és innen látja el jelen pillanatban is tevékenységét.
2. Penjween régió geológiája A Zagrosz hegység része az alpi himalájai rendszernek, ÉNY irányból az iráni határtól DK-i irányba egészen a Hormuzi-szorosig terjed. Ez a hegylánc az Arab lemez és az un. Iráni blokk (mely része az Eurázsiai lemeznek) kolliziója következtében keletkezett. Az első kompressziós mozgások a hegylánc környezetében a késő kréta idején kezdődtek és ekkor jelentek meg az ofiolitok az Arab lemez ÉK-i részén. Az említett mozgások nagymértékben felgyorsultak a miocén korban a kontinenskontinens kolliziót követően [4],[5]. A konvergens mozgások ma is aktívak É-D irányban ferdén hatva az ÉNY-DK irányultságú orogén hegyláncra, átlagosan 25-30 mm/év sebességgel. Az említett tények az oka annak, hogy a hegységben fellelhető szerkezetek mentén sokszor oldal-eltolódásos szerkezetek is nagy számban felfedezhetőek. A Zagrosz fővető kezdeti feltolódásos jellege is a legtöbb területen recens oldal-eltolódásos nyírást mutat. A GPS mérések mellet a földrengés fészekmechanizmus is a hasonló térrövidülésre enged következtetni. A tervezett Penjween alagút a Zagrosz hegységben fog
1
megépülni ÉK Irak-Kurdisztánban, közel az iráni határhoz. Az alagút hossza a terveknek megfelelően 4900 m és az alagút pár tengelyének csapása északkeleti irányban É33K (1.ábra). Az alagúttervezést és alagútépítést megnehezíti a szerkezetföldtani bonyolultság mellett a kőzettípusok változékonysága is.
1. ábra. A Penjween alagút elhelyezkedés és nyomvonalának terve Az alagúthajtás során a következő kőzettípusokkal és átmenetekkel találkozhatunk: mállott mészkő, márgás mészkő vékony és közepes rétegzettséggel mely helyenként nagyfokú gyűrt redőzöttséggel (ferde, fekvő és átbuktatott), néhol pedig nagyfokú töredezettséggel rendelkezik. A mészkővel átmenetben megjelenik az agyagos mészkő, radiolariták, vörös agyagpala, masszív mészkő testek, homokkő és vörös rétegek (red beds). A kijárati portál környékén a Penjween település felé eső oldalon, a Zagrosz fővetőtől északkeletre mélységi magmás kőzetek találhatóak (ultrabázikus piroxenit és gabbró) [5]. Hidrogeológiai szempontból következtetéseket csak a felszíni vízfolyások illetve a feltérképezett állandó és időszakos vízforrások megfigyeléseiből tehetünk. Az egyetlen lemélyített függőleges fúrásban, mely a Zagrosz fővetőt harántolta semmilyen hidrogeológiai megfigyelést nem végeztek. A meglévő 46-os út mentén lévő feltárásokban megfigyelhető nedvesedés és nagyfokú kőzet mállottság arra utal, hogy a kőzettestet nagymértékben átjárja a víz. Nagyobb vizesedésekre az építés során főleg a Zagrosz vető és az attól északkeletre található magmás kőzetekben lehet számítani.
3. Penjween régió szeizmotektonikai jellemzése A szeizmotektonikus jellemzésnél az iráni tervezők vetők és földrengések vizsgálatából indultak ki. Az alagút környezetének 300 km-es körzetét vizsgálták meg, és ezen belül számolták a vetők hosszát figyelembe véve a horizontális (HPGA) és vertikális csúcsgyorsulást (VPGA). Ezek értéke a következő: a HPGA 0,509 g (50%); 0,762 g (84%) és a VPGA 0,324 g (50%); 0,512 g (84%) – ezek a maximális hihető földrengés értékek (Maximum Credible Eartquake – MCE). Egy másik adatbázissal a regisztrált földrengések alapján számolták ki a gyorsulási értékeket, melyek közül a tervezési értéket használtuk későbbi vizsgálatainkban (Design Base Level – DBL): HPGA 0,39 g és VPGA 0,2 g [5].
4. A Penjween alagút kőzetkörnyezetének mérnökgeológiai vizsgálata Az iráni szakemberek a terepi munka során az utak, vízfolyások menti feltárások, illetve az alagút fölötti hegygerinc kőzetkibúvásainak vizsgálatával jellemezték kőzettestet, majd később korrelálták a geofizikai mérésekkel és az egyetlen lemélyített magfúrás geotechnikai dokumentációjával. A magyar konzultáns cég szakembere a megfigyelési pontok közül néhányat ellenőrzött a terepen, méréseket végzett és a feltárásokról 3D fotorealisztikus modelleket készített. Később ezek részletes elemzését elvégezte majd a kiértékelések eredményeinek összehasonlítása után ajánlást tett a felmerülő hibák javítására.
2
A terepi mérések és a magdokumentációk során összegyűlt információk alapján lehetőség nyílt RQD, RMR és Q módszerekkel is értékeléseket végezni későbbi empirikus képlettel pedig megadni a GSI értékeket [5]. A fúrómagok laboratóriumi vizsgálatát Iránban végezték el amerikai szabványoknak megfelelően. Később az ép kőzet kőzetmechanikai paramétereiből származtatták a kőzettest szilárdsági paramétereit [3]. Azon alagútrégiók esetében, ahonnan nem állt rendelkezésre fúrómag minta, a felszíni paraméterekből határoztak meg kőzettest szilárdsági paramétereket (figyelembe véve a nagymértékű hibalehetőséget) (2. ábra).
2. ábra. Az alagút nyomvonalának régiókra való bontása és azok kőzetmechanikai paraméterei (1. régió tartalmazza a Zagrosz fővetőt) [2] A recens feszültségtér jellemzése nehézkes a területen, hiszen nem voltak mérések (pl. BHTV, hidrorepesztés, magtulfúrásos technika). A tervezéshez, ha a feszültségtér orientációját és a különböző feszültségkomponensek nagyságát nem is ismerjük, de legalább a „k” értéket (horizontális/vertikális feszültség) szükséges a lehető leghelyesebben megbecsülni. A tervező Stephansson és Sheorey elméletekkel közelített és végül kimondta, hogy átlagos k=1 értékkel számol az alagút nyomvonala mentén a tervezési munkák során [5]. Mi az ellenőrzések után ezt kifogásoltuk és az ISRM ajánlásaira hivatkozva az adott tektonikai rezsim mellett átlagosan k=1,5 értéket ajánlottunk. Végül mérési bizonyítékok hiányában elfogadtuk a k=1 értéket és előírtuk a különböző kőzettípusokban való ellenőrzését az alagúthajtás során. A tervezésben az iráni szakemberek analitikus és numerikus megközelítéseket használtak [2]. Munkájuk során csak 2D-s modellezést alkalmaztak. Indoklásukban igazuk volt abban, hogy a tervezett két alagút egymásközti távolsága meghaladja a háromszoros alagút-átmérőnyit, ezáltal a számításokban figyelmen kívül hagyható kőzetmechanikában jól ismert egymásra hatás problémája. Ellenben a 490 méterenként következő összekötő alagutak deformációs hatása korrekt módon 3D-s numerikus megközelítéssel lehetséges. Másik kiemelendő hiányosság volt a tervezés során a rideg töréses tönkremenetelt mutató közepesen töredezett és tömbös kőzeteknél a végeselemes módszerek mellett célravezetőbb lett volna diszkrételemes számítások alkalmazása is, hiszen az elmozduló szilárd tömböket saját szabad mozgásfokkal, ezzel az eljárással lehetséges jellemezni. Mi az ellenőrzések során a kontinuumként jellemzett kőzettestbe diszkontinuitásokat generáltunk, ezáltal modellezve nagyobb vetőket, vetőzónát illetve az általánosan jellemezhető töredezettséget produkáló törésrendszereket, így létrehozva az un. hibrid modelleket. Az alagúthajtás során bekövetkező 3D hatás modellezéséhez a tervező a Panet módszert használta egyedül a tengelyszimmetrikus modellezés során. Az alagút illetve a körszelvényt feltételező analitikus és numerikus számítások során az alagút legnagyobb átmérőjét vette számításba. Mi az ellenőrzés során sorra vettük a tervező által modellezett régiókat, ugyanazokat a bemenő kőzetmechanikai paramétereket, ugyanazt a kitörési szelvényt alkalmazva, ellenben az analitikus vizsgálatokból kapott különböző eredmények mentén más-más peremfeltételekkel dolgoztunk. Először a meglévő kitörési szelvényből leképeztük az annak megfelelő körszelvényt [1], majd a hosszanti elmozdulás profilokat határoztuk meg általánosan, több módszerrel (3. ábra).
3
3. ábra. Hosszanti elmozdulás profilok a különböző módszerek alapján és az alsó sarokban az eredetileg tervezett kitörési szelvény, valamint az abból átszámolt, annak megfelelő körszelvény Ezt követően tengelyszimmetrikus modellezést végeztünk (ahogy a tervező is mi is az összes modellezés során 2 m jövesztési mélységgel számoltunk) az alagút nyomvonala mentén felosztott különböző régiókra. Ennek során eredményül kaptuk az aktuális fejtési homlok mögötti relaxációs értékeket (lásd 2. ábra Region 1 = 40,43 %; Region 2 és 3 = 43,41 %). A felsorolt értékek kis mértékben különböztek a tervező által kapott eredményektől. A 2D-s modellezésben van egy sokkal megbízhatóbb módszer a 3D szimulációra ez nem más, mint a belső mag cseréjének alkalmazása (core replacement technique). Ennek során a kőzettestben generált alagútszelvényből nem egy lépcsőben távolítjuk el a kőzetet, létrehozva az alagutat a végtelen féltérben, hanem fokozatosan a kitörési szelvényen belül eső kőzetet cseréljük fel egyre gyengébb rugalmassági paraméterrel rendelkező un. gyengített kőzetanyagra, míg végül az utolsó lépcsőben teljesen eltávolítjuk azt. Ezzel a módszerrel nagyon jól lehet modellezni az alagúthajtás térbeli előrehaladását. Így a már tervezett kitörési szelvényt vizsgáltuk és ellenőriztük a tervezők által előírt kőzetbiztosítás megfelelőségét. Végül a legkritikusabb eseteket 3D-ben is modelleztük, melyek eredményei nagyon jól közelítenek a fent említett „belső magcserés” eljárások eredményeihez (4. ábra).
4. ábra. 3D végeselemes modell a Penjween alagút esetében (balra a teljes elmozdulások, jobbra a hálómodell felépítése, lent az 1,5-ös biztonsági faktor határérték térbeli kiterjedése látható) Az elsődleges (primary lining) vizsgálata után a magyar csapat statikus szakemberei vették át az ellenőrzést és modellezték a végső alagútfalazatot (secondary lining). Eredményeinkből megállapítást nyert, hogy a jelenlegi kitörési szelvényalak mellett nem megfelelő a kőzetbiztosítás a Region 1 és 2 esetében. Ugyanakkor javasoltuk az alagút keresztszelvény átalakítását ellenív használatával, ezáltal
4
növelhető a hosszú távú állékonyság és ellenálló képesség a földrengésekkel szemben. Annak ellenére, hogy a közúti alagutak biztonságát legalább 100 évig kell garantálni a tervezők által is használt alagútszabványok szerint, mégsem lett vizsgálva az időfüggvényű deformáció kérdése. Ezt a kérdéskört orvosolandó ajánlottuk, hogy az általánosan megkövetelt 1,5 biztonsági faktort (FOS), ha nem is mindenhol, de a legkritikusabb kőzetkörnyezetekben (vető zóna, a nagyfokú agyagos kitöltéssel rendelkező töredezett, néhol szétmállott magmás kőzettestnél) változtassák 2-es értékre.
4. Összefoglalás Tervellenőri és konzultáns tevékenységünk során ellenőriztük az alagút terveket, melyek az észrevételek alapján módosításra, kiegészítésekre kerültek a jóváhagyás és az azt követő tender kiírás előtt. A tervezők több szakaszon megerősítették az eredeti kőzetbiztosítást, illetve bevezették az elleníves kitörési alagútszelvény alkalmazását. A legkritikusabb zónában a Zagrosz fővetőnél egy speciális, a tervezett két betonfalazat között homokfeltöltést alkalmaztak (5. ábra).
5. ábra. A Zagrosz fővető harántolására tervezett típusszelvény
A kőzettestre vonatkozó adathiányok következtében egy konzervatív megközelítést írtunk elő és egy általános a Q index alapján felosztott 5 kőzetosztályból álló kőzetbiztosítási rendszert ajánlottunk az alagúthajtás folyamán alkalmazni, kőzettípustól és térbeli pozíciótól függetlenül. Ezt a tervező elfogadta és elő is írta. Az alagúthajtás során alagúthomlokról mélyített kutatófurásokat (mag- és teljes szelvényű fúrás) kell végezni, melyek segítenek pontosítani a jóváhagyott terveket és iteratív módon aktualizálni azokat (alkalmazni kell a „design as you go” elvet). Komplex in situ méréseket kell végezni a hiányzó adatok mérésének érdekében és néhány monitoring elemet be kell építeni, melyek folyamatosan figyelik a vágat rövid és hosszú távú deformációit (back analyses).
Irodalomjegyzék [1] Curran J. H., Hammah R. E., Yacoub T. E. 2003: A Two-Dimensional Approach for Designing Tunnel Support in Weak Rock Proceedings of the 56th Canadian Geotechnical Conference Winnepeg, 5 p. [2] Final Study Report of Penjween tunnel (Phase 2) – BEHIN TARADDOD PARS Consulting Engineer és SAFF-ROSEMOND Co., 2012 Teherán, 106 p. (kézirat) [3] Geotechnical report (Draft) Penjween tunnel plan – SHAME-E Consulting Engineering Co., 2012. június, Irán, 132 p. (kézirat) [4] Kamal H. Karim, Sherzad Tifiq Al-Barzinjy Bakhtiar, M. Ameen 2008: History and geological setting of intermontane basin in the Zagros fold-thrust belt, Kurdistan region, NE-Iraq, Iraqi Bulletin of Geology and Mining, Vol. 4, pp. 21-33. [5] Preliminary Design of Penjween Tunnel (First Phase) – BEHIN TARADDOD PARS Consulting Engineer és SAFF-ROSEMOND Co., 2011. október, Teherán, 152 p. (kézirat)
5
