A SZENT GELLÉRT TÉRI METRÓÁLLOMÁS NUMERIKUS BACK ANALÍZISE

A SZENT GELLÉRT TÉRI METRÓÁLLOMÁS NUMERIKUS BACK ANALÍZISE Dr. Móczár Balázs 1 Szarka Gábor 1 - Szepesházi Attila 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építőmérnöki kar, Geotechnika és Mérnökgeológia Tanszék ÖSSZEFOGLALÁS Dolgozatunk témája a Szent Gellért téri metróállomáson keresztül a mély munkagödrök mentén kialakuló mozgások problémája, a mozgások numerikus modellezése. Rendszereztük a területről készült geotechnikai információkat és megvalósulási terveket, valamint az állomás kivitelezése során végzett süllyedésmérések és inklinométeres falmozgás mérések eredményeit. Előbbiek alapján, a PLAXIS korszerű talajmodelljeit alkalmazva, összeállítottuk az állomás résfalas munkatérhatárolásának végeselemes modelljét, hogy utóbbiakat összevethessük számítási eredményeinkkel. Emellett érzékenységvizsgálatot végeztünk, hogy a végeselem modell kevésbé megalapozott bemenő paramétereinek a számított eredményekre gyakorolt hatását elemezhessük. KULCSSZAVAK munkatérhatárolás, monitoring, back-analízis, PLAXIS BEVEZETÉS Vizsgálataink a budapesti 4-es számú metróvonal ~35x45 m alapterületű és közel 40m mélységű, résfalas munkatérhatárolással biztosított, milánói módszerrel megvalósított Szent Gellért téri állomásához kapcsolódnak. Az építkezés ideje alatt működetett monitoring rendszer két fő pillére a falmozgások inklinométeres mérése és a környező épületek mozgásának automata geodézia mérése volt. A projekt megvalósítása óta a PLAXIS végeselemes geotechnikai szoftver, elsősorban az elérhető talajmodellek tekintetében, jelentős fejlődésen ment keresztül. Ezen fejlesztések több geotechnikai vonatkozású modellezési kérdést vetnek fel, melyek megválaszolására a Szent Gellért téri metróállomás vagy a hozzá hasonló részletességgel monitorizált szerkezetek adnak lehetőséget. Jelen cikkben bemutatjuk a tárgyi projekt mélyépítési munkarészeinek 2 dimenziós back-analízise során nyert eredményeinket. Megjegyezzük,

hogy folyamatban van, és igen bíztató munkaközi eredményekkel kecsegtet az állomás térbeli vizsgálata, melynek eredményeiről remélhetőleg a jövő évi konferencián beszámolhatunk. Az alábbiakban röviden ismertetjük az állomás közvetlen környezetéből rendelkezésünkre bocsátott geotechnika feltárások eredményeit és az ezek alapján összeállított, a kis alakváltozások tartományában érvényes, kedvezőbb talajviselkedést is figyelembe vevő HSsmall talajmodellt. A PLAXIS 2D végeselemes programmal előállított elmozdulásokat, igénybevételeket összevetettük a monitoring során mért eredményekkel. Az elkészített modellen érzékenységvizsgálatokat végeztünk, hogy a különböző bemenő paraméterek eredményekre (igénybevételek, elmozdulások) gyakorolt hatását elemezhessük. GEOTECHNIKAI VISZONYOK A metrónyomvonal által érintett területek geológiai, geotechnikai feltárása és vizsgálata még 1967-ben kezdődött. A fúrások legnagyobb része 1973-77-ben mélyült, az elfogadott nyomvonalhoz az 1998-2006 közti időszakban további kutató fúrások készültek. 1. ábra: Az állomás helyzete, megkutatottság [1] A terület morfológiailag sík, abszolút magassága ~101.0 106.0 mbf közötti. A Szent Gellért tér állomás térségében az antropogén feltöltés alatt helyenként a 10-15 m-es vastagságot is meghaladó feltöltésre, lejtőtörmelékre kell számolni, amely alatt a Duna sodorvonali üledéke (kavics, kavicsos homok) jelenik meg. A nagy vastagságú feltöltés területi kiterjedését nem ismerjük. A feltöltés alatt szürkés-sárga kavicsos homok Duna üledék települ a harmadkor határáig. A talajvíz a pleisztocén réte-

gekben áramlik és tározódik. Az állomás térségében az építés geotechnikai alapkőzet fő tömegben az alsó oligocén korú tardi agyag, agyagmárga, kisebb részben az ebből folyamatos átmenettel kifejlődő középső oligocén korú kiscelli agyag - agyagmárga. [1] A talajvízviszonyokat tekintve a GEOVIL Kft. a maximális vízszintet 104,0-104,5 mbf. magasságban határozta meg, míg a T.A.U.P.E. Kft. 103,0 mbf. magasságban. Az építés idején a Duna vízszintjéről konkrét méréseink vannak, ezek birtokában a modellezéshez szükséges talajvízszintet a Duna szintjével vettük egy magasságúnak (98,0 m). 2. ábra: Talajrétegződés [1] ÁLLOMÁS SZERKEZETE Az állomás annak mélysége, az egyetem CH épületének közelsége, valamint a rakparti úton való közlekedés igénye miatt top-down módszerrel épült. A 40 méter mély állomás munkaterét 1,0 méter, ill. 1,2 méter vastag résfal határolja. A ~35x45 m alapterületű munkateret két részre osztja egy harántrésfal, mely elsősorban a födémtámaszok alapozására szolgált. A haránt irányú belső résfal talpa a körítő résfalak talpszintjénél mélyebben került kialakításra a megfelelő, a résfal önsúlyán felüli, lehorgonyzó hatás biztosításának érdekében. A 120 cm vastag tömegében vízzáró résfal, a nagy nyomatéki és nyíró igénybevételekkel terhelt helyeken együtt dolgozik a földkiemeléssel párhuzamosan elkészített 70-80 cm vastag bélésfallal. A résfalba épített beton C30/37-es szilárdsági osztályú volt. Az állomást 3 közbenső födém, egy zárófödém és egy alaplemez osztja 4 szintre (3. ábra). Az építészeti és organizációs igények miatt mind a zárófödém, mind a közbenső födémek jelentős méretű áttöréssel lettek kialakítva. A zárófödém 50 cm vastagságú, a közbenső födémek 120 cm, az alaplemez pedig 300 cm. A réselt állomási műtárgy tömegbeton szigeteléssel készült, a résfal és az alaplemez kapcsolatának vízzáró kialakítása

ennek megfelelően történt meg. Mind a résfal, mind az alaplemez vízzáró. [2] 3. ábra: Az állomás végeselemes modellje [4] MÉLYÉPÍTÉSI MONITORING RENDSZER [3] A HBM Kft. és a Soldata-Hungeod, másfelől a Hídépítő Zrt. megbízásából a GEOVIL Kft. telepített monitoring rendszert a résfalba. A telepített műszerekről a következő táblázat ad összefoglalást. 1. táblázat: Telepített mérőeszközök A résfal monitoringján felül a CH épület homlokzatán rögzített prizmák mozgását is folyamatosan mérték. Az inklinométerek elhelyezésénél fontos szempont volt, hogy a mérések során legyen mód a HÍDÉPÍ- TŐ/GEOVIL ill. a HBM mérési eredményeinek összevetésére és a két mérési rendszer működésének összehasonlítására (4. ábra).

4. ábra: A HBM (1-4, piros) és a GEOVIL (1-5, kék) inklinométerek elhelyezkedése [3] A GEOVIL Kft. inklinométerei (1-5) az építés teljes időtartama alatt mérési adatot szolgáltattak. A GEOVIL 1-es és 4-es számú, egymással lényegében szemközti falmetszetbe épített inklinométerek 2008.03.05-i mérési eredményeit használtuk fel a számítási eredményekkel való öszszehasonlítás során. Tettük ezt azért, mert ez volt a rendelkezésre álló legkésőbbi mérési adatsor, mely mintegy 3 hónappal azután készült, hogy a kivitelezők elérték a munkatérhatárolás teljes földkiemelését. Ebből következőleg bízhattunk abban, hogy a kialakult mozgások a minél inkább kikonszolidálódott állapothoz tartozó falmozgásokat mutatták, melyek tovább már nem növekedtek. Másrészt pedig ez a két inklinométer mérőkút volt a legtávolabb a munkatérhatárolás sarkaitól, így ezek viselkedése lehet a legközelebb a 2 dimenziós modell sík alakváltozási állapotához. Az 1-es és 4-es inklinométerek néhány mérési eredményét az 5. ábra szemlélteti.

5. ábra: 1-es és 4-es inklinométer mérési eredményei A Szent Gellért téri állomás szerkezete közvetlenül a BME CH épülete mellé épült. A résfalas munkatérhatárolás befejezése után bányászati módszerekkel építették meg az állomás peronalagútjait, melyek a CH épület alá nyúlnak be. A 6. ábrán láthatóak az épület mért süllyedései a peronalagutak kivitelezésének megkezdése előtti időpontban, a munkagödörtől mért távolság függvényében. Látható, hogy a legnagyobb, ~14mm-es süllyedések közvetlenül a munkagödör mellett, a falakon alakultak ki. A felszíni horpa szélessége ~50m.

6. ábra: CH süllyedései a munkagödörtől való távolság függvényében a peronalagutak kivitelezése előtt VÉGESELEMES MODELL A 7. ábra mutatja a felépített végeselemes modellt, mely, mint a fentiekben már említettük, a GEOVIL 1-es és 4-es inklinométerén keresztül felvett metszetre vonatkozóan készült. A résfalat és a födémtámaszokat is plate elemekkel modelleztük. Négy jellemző talajréteget különítettünk el a fúrásszelvények alapján: feltöltés, homokos iszap, homokos kavics, márga. Végül szétválasztottuk a márga felső repedezett zónáját (kiscelli agyag) és mélyebben fekvő, még inkább kőzetszerű egységet (tardi agyag). A talajrétegződésben definiált vízszintet és a Duna vízszintjét egy magasságban határoztuk meg az elérhető vízügyi adatsorok alapján. A valós magasságában, téglalap alakkal, talajként vettük fel a CH épület pinceszintjét, majd a későbbiekben, mint hasznos terhelést helyeztük rá a felmenő szintek terhét. A kezdeti bíztató számítási eredmények tapasztalatait figyelembe véve, a PLAXIS Hardening Soil Small (HSsmall) anyagmodelljével vizsgáltuk a márga mindkét zónáját. A márga felett fekvő talajokat Hardening Soil anyagmodellel definiáltuk. A márgát és a felsőbb talajrétegeket is drénezett modellel vettük számításba. Terjedelmi okokból itt nem tárgyaljuk a talajmodellek alapvető összefüggéseit. Az érdeklődök a [5]-[7]- es hivatkozásokban olvashatnak erről részletesebben. Az alkalmazott talajmodelleket és talajfizikai jellemzőket a 2. táblázat szemlélteti.

A felhasznált talajmechanikai szakvélemények alapján nagy szórása van a márga merevségi és szilárdsági értékeinek, amelyek a talajmodell legnagyobb bizonytalanságát jelentik. A feltárások és laborvizsgálatok alapján becsültük ezeket a paramétereket, azonban a paraméteranalízis során ezeknek az értékeknek az érzékenységére is kitérünk. A modell számítása során a 8. ábra szerinti építési fázisokat állítottuk be. 7. ábra: Az állomás és környezetének numerikus modellje 2. táblázat: Kiindulási talajfizikai paraméterek táblázata Feltöltés Iszapos agyag Homokos kavics Felső márga Alsó márga Hardening soil Hardening soil Hardening soil HS Small HS Small Drained Drained Drained Drained Drained γ unsat = kn/m 3 16,5 19 17 19 21 γ sat = kn/m 3 18 21 20 21 23 e init = - 0,7 0,54 0,5 0,5 0,27 E ref oed = kn/m 2 6000 6400 30000 40000 50000 E ref 50 = kn/m 2 6000 6400 30000 40000 50000 E ref ur = kn/m 2 18000 19200 90000 160000 200000 m= - 0,75 0,5 0,5 1 1 c' ref kn/m 2 15 25 0 400 600 ϕ'= 20 20 35 22 40 ψ= 0 0 5 0 0 ν' ur = - 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 p ref = kn/m 2 30 100 240 450 750 K nc 0 = - 0,658 0,658 0,4264 0,625 0,3572 c' inc kn/m 2 /m 0 0 0 0 0 γ ref = m 0 0 0 0 0 R f - 0,9 0,9 0,9 0,9 0,9 k x,k y = m/day 8,64E+00 8,64 4,32E+02 8,4*10-5 8,4*10-6 R inter = - 0,667 1 1 1 1 K 0,x = - 0,658 0,658 0,4264 1,188 0,518 OCR= - 1 1 1 2,5 2,5 POP= kn/m 2 0 0 0 0 0 γ o,7 = - - - - 1,50E-03 1,50E-03 G ref o = kn/m 2 - - - 4,00E+05 6,00E+05

8-9. ábra: Építési fázisok A KIINDULÁSI MODELL EREDMÉNYEI A 10. ábrán láthatóak az inklinométerek mérései zölddel és kékkel, mellettük pedig feketével az előző fejezetben bemutatottak szerint beállított végeselemes modell alapján a résfal elmozdulásai. Az ábrán feltüntettük az egyes födémek és az alaplemez helyzetét is. A résfalak vízszintes elmozdulás ábrái közül az utolsó, alaplemez be építési fázist hasonlítottuk össze az inklinométeres mérésekből kapott elmozdult alakokkal. 10. ábra: Kezdeti modell elmozdulásai és a mérési eredmények

A bal oldali ábrán (1-es inklinométer) látható, hogy a számítás szerint a résfal felső része bemozdul a munkagödör felé, míg a mért értékek szerint a résfal felső pontja mozdulatlan. A mért értékek ~82mBf körüli, a P+1 födémtámasz szintjén látható éles törése valamilyen lokális szerkezeti vagy méréstechnikai probléma következménye lehet, mely pontos lekövetése egy végeselemes modelltől nem elvárható. A jobb oldali ábrán (4-es inklinométer) a számított görbe sokkal jobban közelíti a mért görbe alakját. Ez vélhetően annak köszönhető, hogy a mért görbe jóval szabályosabb, éles törést nem mutat. A fal felső ~30m-es szakaszán az egyezés lényegében tökéletesnek mondható, ugyanakkor jól látszik, hogy a márgában a fal jobban kihasasodik, arra utalva, hogy a számításba vett merevségi jellemzők talán kedvezőbbek a valóságosnál. A 11. ábrán láthatóak a CH épület mért (piros) és számított (kék) süllyedései. A kezdeti modell maximális süllyedésértéke 11,7 mm, amely meglehetősen jól közelíti mért pontok elmozdulásait, tekintetbe véve, hogy a mérési pontok a CH épület homlokzatán helyezkednek el, míg a PLAXIS modellből közvetlenül a felszínsüllyedéseket emeltük ki. 11. ábra: CH épület mért és számított (numerikus modell) süllyedései PARAMÉTERANALÍZIS A kiindulási modell értékelése után paraméteranalízist végeztünk a számítási modell alábbiakra vonatkozó érzékenységének vizsgálata céljából:

kis alakváltozások tartományában való kedvezőbb talajmerevség számításba vételének jelentősége a HSsmall talajmodell márgarétegekben való aktiválásával, HSsmall bemenő paramétereire való érzékenység vizsgálata, márgarétegek merevségi jellemzőire való érzékenység vizsgálata HSsmall talajmodell jelentősége A kezdeti modell során a negyedidőszaki rétegeket Hardening Soil anyagmodellel, a márgát pedig HSsmall modellel vettük számításba. A paraméteranalízis során megvizsgáltuk az anyagmodellek alakváltozásokra gyakorolt hatását, melyet a 12. ábra szemléltet. 12. ábra: Anyagmodellek hatása a számított falmogásokra Feketével látható a kiindulást modellünk (vegyes, HS+HSsmall anyagmodellek), pirossal a kizárólag HSsmall anyagmodellt tartalmazó, lilával pedig minden rétegre vonatkozóan csak HS modellt tartalmazó vizsgálat. Megállapítható, hogy a Hardening Soil modell a résfal felső részein jelentősen túlbecsüli az alakváltozásokat. Sekélyebb, de szélesebb, horgonyzott munkagödrökön végzett kutatások azt mutatták, hogy a HSsmall anyagmodell alkalmazása lényeges jelentőséggel csak a résfalra passzív földnyomással ható, így a befogott szakaszon fekvő talajrétegekben bír. A fenti görbék ezzel szemben azt mutatják, hogy a feljebb fekvő rétegek esetében is lényeges a kis alakváltozások tartományában való

kedvezőbb talajmerevség számításba vétele. Ez vélhetően a Duna meder közelsége miatti aszimmetrikus földnyomási viszonyok, valamint támaszfödémes munkagödör-kialakításnak köszönhető. G 0, ún. kezdeti nyírási modulus hatása A HSsmall talajmodell alkalmazásának nehézsége, hogy a G 0 kezdeti nyírási modulus és a γ 0,7 fajlagos nyírási alakváltozás meghatározására olyan speciális labor- és terepi vizsgálatok szükségesek, melyek a hazai viszonyok között kutatási projektek esetében is alig fordulnak elő, ipari alkalmazásuk még várat magára. A Benz [7] disszertációja összefoglalja a nemzetközi szakirodalmakban megjelent, különböző módszerekkel különböző talajtípusokra vonatkozóan publikált korrelációs összefüggéseket, melyek segítségével nagyságrendi becslés adható G 0 és a redukciós görbe alakját leíró γ 0,7 értékére. Utóbbi értéke, a témával foglalkozó szakirodalmak szerint, kis mértékben változik a különböző talajtípusok esetében, így kutatásunk során a modell G 0 értékére való érzékenységét vizsgáltuk. Az összeállított modellekben alkalmazott modulusok értékeit a 3. táblázatban foglaltuk össze. A 3 különböző modell futtatásával adódó falmozgásokat a 13. ábra szemlélteti. 3. táblázat: HSsmall modell bemenő paraméterei A 13. ábrán feketével látható az inklinométeres adatsor, zöld görbe ábrázolja a legnagyobb kezdeti nyírási modulus (G 0 ) alkalmazását, kék pedig a legkisebbét. A piros görbe mutatja az előzőekben már bemutatott, csak HSsmall anyagmodellt tartalmazó vizsgálat eredményét. Látható, hogy a görbék közötti különbség arányosan valamivel alacsonyabb, mint a bemenő paraméterként alkalmazott G 0 értékek közötti arányos különbség. A márgarétegek részletesebb feltárása és laboratóriumi vizsgálata alapján lenne lehetőség a mélységgel változó merevségi és szilárdsági paraméterek (még) pontosabb modellezésére, mellyel lehetőség volna a résfal alsó szakaszán is kedvezőbb illesztésre a mért és számított görbék között, melyekkel akár a G 0 érték reális kalibrálására is lehetőség volna.

13. ábra: Modell érzékenységvizsgálata a G 0 paraméterre Márga merevségének hatása A márga merevségi paramétereire vonatkozóan a kiindulási modellben egy bátor becslést próbáltunk felvenni. Ugyanakkor reális átlagértéke és mélységgel való változása a felhasznált szakvéleményekben szerelő laboratóriumi vizsgálatok eredményei alapján a kutatási igényeknek megfelelő pontossággal nem becsülhető meg. Emiatt a márgarétegek nagy alakváltozási tartományban érvényes merevségi paramétereit a 4. táblázat szerint további két beállítás szerint lefuttattuk. 4. táblázat: Modellek különböző merevségű márga rétegekkel A három különböző modell esetében a görbült résfal alakokat a 14. ábra szemlélteti. A fekete a kiindulási modell, a lila a merevebb (A3), a piros pedig a puhább (A2) márgával számított elmozdulás (zölddel és kékkel az inklinométeres mérések).

14. ábra: Márga merevségének hatása Mint látható, kiindulási és megnövel márga-merevséggel futtatott számítás eredményei lényegében nincs eltérés (lila és fekete görbe). A márga merevségének csökkentése, a fal márga réteg menti elmozdulásait ugyanakkor jelentősen megnövelte. A két oldali görbékre tekintve nehezen eldönthető, hogy a 3 modell közül melyik a helyesebb. MEGÁLLAPÍTÁSOK A fenti kutatási eredmények alapján elmondható, hogy a HSsmall talajmodell a budapesti munkatérhatárolások modellezésének egy olyan jövőbeni gyakorlati eszköze lehet, mellyel mély munkatérhatárolások falmozgásai és az ezekből eredő felszínsüllyedések a korábbi eljárásokkal összehasonlítva pontosabban becsülhetőek. Hiteles alkalmazásának fontos előfeltétele a hazai talajok kis alakváltozások tartományában érvényes merevségi jellemzőinek terepi vagy laboratóriumi eljárásokkal esetleg a fenti back-analízishez hasonló vizsgálattal történő meghatározása. IRODALOMJEGYZÉK [1] Geovil Kft.: Budapest 4. metróvonal, I. szakasz Összefoglaló mérnökgeológiai, hidrogeológiai és geotechnikai szakvélemény Szent Gellért tér állomás geotechnikai, mérnökgeológiai szakvéleménye, 2005

[2] http://www.metros.hu/projekt/m4_epites.html, 2015 [3] Deli Árpád, Kaltenbacher Tamás, Havas Péter, HBM Kft.: A monitoring szerepe a mély munkagödrök készítésénél, A Nemzetközi Talajmechanikai és Geotechnikai Szövetség 1. Geotechnikai Mesterkurzusa Mély munkagödrök határolása témában, Budapest, 2009.02.04-05. [4] Borzai Tibor, SPECIÁLTERV Kft.: Budapest 4. metróvonal, Szent Gellért tér metróállomás szerkezettervezés, Magyar Alagútépítő Egyesület BMGE, 2008.01.18. [5] Gordon Tung-Chin Kung, Chang-Yu Ou, C. Hsein Juang: Modeling small-strain behavior of Taipei clays for finite element analysis of braced excavations, Computers and Geotechnics 36, p. 304 319, 2009 [6] Linlong Mu, Maosong Huang: Small strain based method for predicting three-dimensional soil displacements induced by braced excavation, Tunnelling and Underground Space Technology 52, p. 12-22, 2016 [7] Thomas Benz: Small-Strain Stiffness of Soils and its Numerical Consequences, Mitteilung 55 des Instituts für Geotechnik, Stuttgart, 2007 KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Köszönettel tartozunk a monitoring rendszer kiépítésében közreműködő cégeknek, amiért rendelkezésünkre bocsátották a mérési adatokat. A térség geológiájának megismerésben főként a GEOVIL és a T.A.U.P.E. Kft. által készített szakvélemények és megállapításaik voltak segítségünkre. Az állomásszerkezet numerikus modellének kialakításához a SPECIÁLTERV Építőmérnöki Kft-től és az UVATERV Út-, Vasúttervező Zrttől egyaránt segítséget kaptunk.