TEKNIK PENYANGGA TEROWONGAN

9.   Teknik Penyanggaan TEROWONGAN

9.1. DEFORMASI TEROWONGAN TANPA PENYANGGA

Untuk memahami bagaimana tekanan penyangga bekerja dan respons massa batuan di sekitar penggalian terowongan dapat dijelaskan pada Gambar 9.1. di bawah ini.

Gambar 9.1. Respons massa batuan di sekitar terowongan yang sedang digali.

Misalkan titik pengukuran ditempatkan di ujung terowongan yang sedang digali dan penyangga belum dipasang. Perpindahan yang dapat diukur  dimulai pada jarak 0,5D di depan face (D= diameter terowongan). Selanjutnya, di face perpindahan radial mencapai 0,33 harga perpindahan maksimum (0,33 U_max). Perpindahan radial mencapai harga final kira-kira pada jaraj 1,5 D di belakang face, dimana fungsi face sebagai penyangga sudah tidak efektif lagi (Gambar 9.1).

Bila massa batuan cukup kuat menahan runtuhan, maka yang terjadi adalah perpindahan elastis. Terjadinya perpindahan elastis yang menyusul perpindahan plastis tidak berarti serta merta terowongan akan runtuh. Massa batuan masih mempunyai kekuatan yang cukup, karena tebal zona plastis relatif kecil dibandingkan dengan radius terowongan. Yang akan terjadi hanyalah retakan-retakan baru dan sejumlah kecil batuan di dinding yang lepas dan jatuh (spalling).

Runtuhan yang sebenarnya akan terjadi jika zona plastis yang tebal dan terjadi perpindahan ke arah dinding, massa batuan yang terlepas dan berjatuhan akan semakin bertambah dan terowongan tanpa penyangga akan runtuh.

9.2. Kurva Beban – Deformasi

Tujuan utama merancang penyangga pada lubang bukaan di bawa tanah adalah untuk membantu massa batuan menyangga dirinya sendiri. Gambar 9.2. adalah contoh suatu terowongan yang digali dengan seluruh permukaan kerja (full face) dengan pemboran dan peledakan, menggunakan penangga besi baja (stell set support) yang dipasang sesudah pembersihan dan pengeluaran asap (mucking) dari terowongan. Tegangan in-situ horizontal dan vertikal dianggap sama = P_o.

-          Pada tahap I, permukaan kerja terowongan belum mencapai potongan x – x. Massa batuan yang berada pada bagian dimana terowongan akan dibuat dalam keadaan seimbang dengan massa batuan disekelilingnya. Tekanan yang diberikan oleh penyangga P₁ pada profil yang akan digali sama dengan tegangan in-situ P_o  (titik A Gambar 9.2)

-          Pada tahap 2, permukaan kerja terowongan sudah melewati potongan x-x dan tekanan penyangga P₁ , yang sebelumnya diberikan oleh batuan yang berada didalam terowongan turun menjadi 0. Bagaimanapun juga, terowongan tidak akan runtuh karena reformasi radial u dibatasi oleh ujung permukaan kerja terowongan dengan pengendalian  yang cukup baik. Jika pengendalian u oleh permukaan kerja tidak ada, tekanan penyangga P₁ yang diberikan oleh titik B dan C pada Gambar 9.2. yang dibutuhkan untuk membatasi u adalah sama. Tekanan penyangga P₁ yang dibutuhkan untuk membatasi u pada atap (roof) adalah lebi besar dari yang dibutuhkan untuk membatasi u pada dinding (side wall) karena berat dari daerah yang tidak stabil (zone of loosened rock) diatas atap terowongan harus ditambahkan untuk penghitung tekanan penyangga yang dibutuhkan untuk membatasi tegangan yang menyebabkan perpindahan (displacement) pada atap.

-          Pada tahap 3, terowongan sudah mulai selesai di “mucking” dan steel set sudah dipasang dekat dengan permukaan kerja. Pada tahap ini, penyangga belum terbebani seperti ditunjukkan oleh titik D pada Gambar 9.2, karena tidak ada deformasi yang terjadi pada terowongan. Jika batuan mempunyai sifat deformasi yang tidak tergantung pada waktu, maka deformasi radial terowongan masih ditunjukkan oleh titik B dan C.

-          Pada tahap 4, permukaan kerja terowongan maju kira-kira 1,5 x diameter dari potongan  x- x dan pengendalian deformasi didekat permukaan kerja sudah berkurang sekali. Oleh karena itu regangan radial selanjutnya dari dinding dan atap dinyatakan oleh kurva C E G dan B B H pada Gambar 9.2. Deformasi radial atau konvergen dari terowongan menyebabkan penyangga terbebani. Tekanan penyangga P₁ yang tersedia dari steel set bertambah dengan deformasi radial terowongan seperti digambarkan oleh garis D E F.

-          Pada tahap 5, permukaan kerja terowongan maju jauh dari potongan x – x sehingga tidak ada lagi pengendalian untuk massa batuan pada potongan x – x. jika tidak ada penyangga – penyangga yang dipasang maka deformasi radial pada terowongan bertambah seperti digambarkan oleh kurva E G dan F H pada Gambar 9.2. Untuk dinding, tekanan yang dibutuhkan untuk membatasi deformasi turun menjadi 0 pada titik D dan dalam hal ini dinding akan stabil jika tidak ada lagi gaya yang dapat menyebabkan regangan.

Di pihak lain, penyangga yang dibutuhkan untuk membatasi deformasi pada atap turun sampai minimum dan akan mulai lagi bergerak naik. Ini karena perpindahan kebawah atap dari daerah batuan lepas ini diatap terowongan menyebabkan tambahan batuan yang menajdi tidak stabil dan berat dari tambahan batuan yang tidak stabil, ini ditambahkan untuk tekanan penyangga yang dibutuhkan. Pada contoh diatas, atap akan runtuh jika tidak ada penyangga yang dipasang dalam terowongan.

Pada Gambar 9.2. bagian bawah, kurva reaksi penyangga untuk steel set berpotongan dengan kurva beban deformasi untuk dinding dan atap terowongan pada titik E dan F. Pada titik-titik ini, tekanan penyangga yang dibutuhkan untuk membatasi deformasi pada dinding dan atap adalah tepat seimbang dengan tekanan penyangga yang tersedia dari steel set dan terowongan dan sistem penyangga adalah dalam keseimbangan stabil.

 

Gambar 9.2.Kurva Beban Deformasi Massa Batuan dan

Sistem Penyangga (Menurut Daeman)

9.3. analisis interaksi penyangga - batuan

Analisis interaksi antara penyangga – batuan dengan menggunakan kurva beban – deformasi merupakan problem yang harus dibahas secara teroritis dengan baik, karena banyak faktor yang dimasukkan kedalamnya untuk dapat memecahkan masalah.

9.3.1. ASUMSI DASAR ANALISIS

Untuk menyederhanakan perhitungan agar dapat dipecahkan secara matematis, maka dilakukan beberapa asumsi sebagai berikut ;

1)      Geometri terowongan ; dalam menganalisis penampang terowongan diasumsikan berbentuk lingkaran dengan jari-jari r_i (Gambar 9.3). Panjang terowongan sedemikian rupa sehingga masalah dapat dipecahkan dalam dua dimensi atau dengan kondisi plane strain.

2)      Tegangan In-situ ; Tegangan in-situ horisontal dan vertikal diasumsikan sama, yang besarnya sama dengan P_o.

3)      Tekanan Penyangga ; Penyangga yang dipasang diasumsikan menimbulkan tekanan radial yang uniform sebesar P_i di dinding terowongan.

4)      Sifat massa batuan ; massa batuan diasumsikan mempunyai perilaku elastis linier dan dikaraterisasikan oleh Modulus Young (E) dan niisbah Poisson (v). Karakteristik failure material ini ditentukan persamaan 9.1

........................................................................  (9.1)

5)      Sifat massa batuan hancuran ; massa batuan hancuran disekeliling terowongan diasumsikan mempunyai perilaku plastik sempurna dan memenuhi kriteria failure sebagai berikut (Gambar 9.2)

.....................................................................  (9.2)

Sebagai catatan, untuk kepentingan penyederhanaan, diasumsikan bahwa pengurangan kekuatan secara tiba-tiba dari persamaan (9.1) ke persamaan (9.2).

6)      Regangan volumetrik ; pada daerah elastis, regangan volumetrik dikendalikan oleh konstanta Modulus Young dan nisbah Poisson. Pada saat failure batuan akan mengembang dan volume akan bertambah dan regangan dihitung dengan menggunakan teori plastisitas.

7)      Perilaku “time-dependent” ; diasumsikan bahwa massa batuan dan hancuran tidak memperlihatkan perilaku time-dependent.

8)      Perluasan daerah plastis ; diasumsikan bahwa daerah plastis bertambah besar sampai mencapai jari-jari r_e yang tergantung pada tegangan in-situ P_o, tekanan penyangga P_i dan karkteristik material baik elastis maupun massa batuan hancuran.

9)      Simetris radial ; masalah dianalisis secara rinci dalam simetris disekitar terowongan. Jika berat batuan didalam daerah hancuran diperhitungkan didalam analisis, penyederhanaan simetris akan hilang. Jika berat batuan hancuran sangat penting didalam rancangan penyangga, kelonggaran untuk berat ini ditambahkan sesudah dasar analisis selesai.

Gambar 9.3. Asumsi geometri terowongan.

Gambar 9.4. Asumsi kriteria failure massa batuan elastis dan massa batuan hancuran

9.3.2. TAHAPAN ANALISIS

Input data yang dibutuhkan :

σ_c         = kuat tekan uniaksial dari batuan contoh batuan intact.

M,s      = konstanta material untuk massa batuan (Tabel 9.1).

E, v      = Modulus elastisitas dan nisbah poisson massa batuan

m_r, s_r    = konstanta material untuk massa batuan hancuran (Tabel 9.1)

γ_r          = berat persatuan volume dari massa batuan hancuran

P_o         = besarnya tegangan in-situ

r_i          = jari-jari terowonagan

Urut-urutan Perhitungan

1.        

2.        

3.        

Input P_i :

4. untuk P_i > P_o – Mσ_c, deformasi di sekeliling terowongan adalah elastik.

5. untuk P_i < P_o – Mσ_c, runtuhan plastis terjadi di sekeliling terowongan.

           

6.        

7. untuk r_e/r_i < √3  = R 2 D ln r_e/r_i

8. untuk r_e/r_i > √3  = R = 1,1D

9.          

10.                  

11.      

12. untuk atap terowongan, plot terhadap

13. untuk dinding terowongan, plot  terhadap

14. untuk lantai terowongan,  plot terhadap

Gambar 9.5. Kebutuhan penyangga untuk batuan di sekeliling terowongan.

9.4. Penentuan Tinggi dan muatan Beban

Suatu alternatif pada pendekatan teoritik untuk penyanggaan batuan adalah memanfaatkan pengalaman sebelumnya, sebagai suatu dasar untuk memperkirakan penyanggaan yang diperlukan untuk penggalian bawah tanah. Pendekatan ini terus berkembang tanpa arah yang jelas sebelum munculnya penggunaan klasifikasi batuan.

Pada bagian ini diberikan prinsip-prinsip dari klasifikasi massa batuan. Sebagian dari klasifikasi ini adalah suatu pekerjaan deskripsi murni dan klasifikasi ini patut dihargai dengan mendefenisikan beberapa parameter yahng tampak mampu mendefenisikan secara benar massa batuan. Kemudian akan digunakan untuk pemilihan jenis penyangga yang akan digunakan untuk lubang bukaan atau terowongan.

Untuk pemilihan jenis penyanggaan yang akan digunakan, ada hal yang sangat mendasar dan perlu untuk diperhitungkan ialah perhitungan tinggi beban yang akan disangga.               K. Terzaghi (1946) menyatakan bahwa sejumlah batuan atau tanah tinggi beban (Hp) menyerupai suatu topi di atas terowongan (lihat Gambar 9.6).

Gambar 9.6. Daerah yang tidak stabil menurut Terzaghi

Dari Gambar 9.6 kemudian dibuat pengklasifikasian muatan batuan terhadap kondisi batuan dan tinggi muatan batuan (Tabel 9.1 dan Tabel 9.2). Kemudian untuk rekomendasi kebutuhan penyanggaan seperti penyangga baja, baut batuan dan beton diberikan oleh Deere dkk (Tabel 9.3.). Perubahan konsep rekomendasi penyanggaan yang berdasarkan kualitas massa batuan dan RQD ini terus berkembang hingga muncul klasifikasi massa batuan oleh para ahli seperti RMR yang telah dibahas pada modul sebelumnya (modul 6).

Tinggi beban (h_t) dan tekanan batuan terhadap penyangga (P) ditentukan berdasarkan rumus yang diusulkan oleh Unal (1983) dengan memakai nilai RMR dari klasifikasi Geomekanika sebagai berikut.

H_t = B ……………………………………………………………………(9.4)

Keterangan :

H_t           = tinggi beban batuan (m)

RMR   = Rock Mass Rating (bobot nilai batuan)

B         = lebar lubang bukaan atau lebar terowongan

Dari persamaan diatas terlihat bahwa tinggi beban (h_t) merupakan fungsi dari lebar bukaan dan bobot nilai batuan. Tekanan batuan yang diterima penyangga tergantung pada tinggi beban dan bobot isi batuannya.

Tabel 9.1. Klasifikasi muatan batuan (Terzaghi, 1946)

KONDIS BATUAN		TINGGI MUATAN BATUAN, hp (m)	CATATAN
1.	Keras dan kompak	0	Lapisan ringan saja, walaupun ada hanya terjadi spalling ringan.
2.	Perlapisan keras atau skistosa	0 – 0,50 B	Lapisan ringan terutama untuk perlindungan dari jatuhan blok.
3.	Masif, diskontinuitas yang sedang jumlahnya.	0 – 0,25 B	Perubahan tak menentu dari beban.
4.	Terbagi-bagi dalam blok dalam jumlah yang sedang dengan rekahan yang cukup banyak	0,25 B – 0,35 (B + Ht)	Tidak ada tekanan lateral
5.	Sangat terbagi dalam blok-blok dengan rekahan yang banyak dan berkembang	0,35 B – 1,10 (B + Ht)	Sedikit atau tidak ada tekanan lateral
6.	Terpecah keseluruhan tetapi masih bersatu secara kimia	1,10 (B + Ht)	Tekanan lateral yang amat besar. Akibat dari hilangnya kekuatan yang disebabkan oleh infiltrasi.
7.	Batuan yang berperan dalam pemampatan pada kondisi kedalaman yang sedang	(1,10 – 2,10) (B + Ht)	Tekanan lateral yang besar, penyangga besi baja sirkuler (rib) direkomendasikan.
8.	Batuan yang berperan dalam pemampatan pada kondisi kedalaman yang besar	(2,10 – 4,50 ) (B + Ht)
9.	Batuan yang mengembang (swelling rock)	Sampai 90 m tidak tergantung dari (B + Ht)	Penyangga besi baja sirkuler (rib) diperlukan. Dalam keadaan ektrim gunakan perhitungan tekanan keruntuhan penyanggaan (yielding support)

Tabel 9.2. Klasifikasi tinggi muatan batuan (H_p) pada kedalaman lebih dari 1,5 (B + H_t)

KONDIS BATUAN		RQD	TINGGI MUATAN BATUAN, hp (ft)	CATATAN
1.	Keras dan kompak	95 - 100	0	Lapisan ringan saja, walaupun ada hanya terjadi spalling ringan.
2.	Perlapisan keras atau skistosa	90 – 99	0 – 0,50 B	Lapisan ringan terutama untuk perlindungan dari jatuhan blok.
3.	Masif, diskontinuitas yang sedang jumlahnya.	85 – 95	0 – 0,25 B	Perubahan tak menentu dari beban.
4.	Terbagi-bagi dalam blok dalam jumlah yang sedang dengan rekahan yang cukup banyak	75 – 85	0,25 B – 0,20 (B + Ht)	Kondisi 4,5 dan 6 di kurangi 50 % dari nilai Terzaghi, karena muka air mempunyai akibat kecil terhadap Hp (Brekke, 1968 dan Terzaghi, 1946)
5.	Sangat terbagi dalam blok-blok dengan rekahan yang banyak dan berkembang	30 – 75	(0,20  – 0,60) (B + Ht)
6.	Terpecah keseluruhan tetapi masih bersatu secara kimia	3 - 30	(0,60 - 1,10) (B + Ht)
6.a	Pasir dan kerikil	0 – 3	(1,10 - 2,40) (B + Ht)
7.	Batuan yang berperan dalam pemampatan pada kondisi kedalaman yang sedang	Tidak dapat diaplikasikan	(1,10 – 2,10) (B + Ht)	Tekanan lateral yang besar, penyangga besi baja sirkular set  direkomendasikan.
8.	Batuan yang berperan dalam pemampatan pada kondisi kedalaman yang besar	Tidak dapat diaplikasikan	(2,10 – 4,50 ) (B + Ht)
9.	Batuan yang mengembang (swelling rock)	Tidak dapat diaplikasikan	Lebih besar dari 250 tidak tergantung dari (B + Ht)	Penyangga besi baja sirkular set  diperlukan. Dalam keadaan ektrim gunakan perhitungan tekanan keruntuhan penyanggaan (yielding support)

Catatan : Nilai B dan H_t dalam satuan feet (ft).

Tabel 9.3. Rekomendasi penyanggaan terowongan (dengan diameter = 20 – 40 ft) pada batuan oleh Deere dkk (1967).

Kualitas Batuan	Metoda penerowongan	Tinggi Muatan Batuan, hp (ft)	Sistem penyangga
			Baja c	Baut Batuan d	Beton
Sangat baik a RQD > 90	Tunnel bor machine (TBM)	0.0 – 0.2Bc	Tidak dibutuhkan, kalaupun dibutuhkan hanya set  ringan	Tidak dibutuhkan	Tidak dibutuhkan, hanya pada aplikasi lokal
	Pemboran dan Peledakan	0.0 – 0.3 B	Tidak dibutuhkan, kalaupun dibutuhkan hanya set  ringan	Tidak dibutuhkan	Tidak dibutuhkan, hanya pada aplikasi lokal 2 – 3 in.
Baik a RQD = 75 - 90	Tunnel bor machine (TBM)	0.0 – 0.4 B	Kadang kala dibutuhkan set ringan dengan pola 5 – 6 ft	Kadang kala dibutuhkan dengan pola   5 – 6 ft	Tidak dibutuhkan, hanya pada aplikasi lokal 2 – 3 in.
	Pemboran dan Peledakan	(0.3 – 0.6) B	dibutuhkan set ringan dengan pola 5 – 6 ft	dibutuhkan dengan pola  5 – 6 ft	4 in atau lebih pada atap dan dinding
Sedang RQD = 50 – 75	Tunnel bor machine (TBM)	(0.4 – 1.0) B	Set ringan – sedang 5 – 6 ft	dibutuhkan dengan pola  4 – 6 ft	2 – 4 in pada atap
	Pemboran dan Peledakan	(0.6 – 1.3) B	Set ringan – sedang 4 – 5 ft	dibutuhkan dengan pola  3 – 5 ft	4 in atau lebih pada atap dan dinding
Buruk b RQD = 25 - 50	Tunnel bor machine (TBM)	(1.0 – 1.6) B	Sirkular Set sedang 3 – 4 ft	dibutuhkan dengan pola  3 – 5 ft	4 – 6 in pada atap dan dinding dan dikombinasikan dgn baut batuan.
	Pemboran dan Peledakan	(1.3 – 2.0) B	Set sedang – kuat 2 – 4  ft.	dibutuhkan dengan pola  2 – 4 ft	6 in atau lebih pada atap dan dinding dan dikombinasikan dgn baut batuan.
Sangat buruk RQD < 25 (Diluar pengaruh kondisi pemanpatan dan pengembangan batuan)	Tunnel bor machine (TBM)	(1.6 – 2.2) B	Sirkular set sedang – kuat 2 ft	dibutuhkan dengan pola  2 – 4 ft	6 in atau lebih pada semua bagian dan dikombinasikan dgn set kuat.
	Pemboran dan Peledakan	(2.0 – 2.8) B	Sirkular  set kuat 2 ft	dibutuhkan dengan pola   3 ft	6 in atau lebih pada semua bagian dan dikombinasikan dgn set sedang.
Sangat buruk (dengan kondisi pemampatan dan pengembangan batuan)	Tunnel bor machine (TBM)	Diatas 250 ft	Sirkular set sangat kuat 2 ft	dibutuhkan dengan pola  2 – 3 ft	6 in atau lebih pada semua bagian dan dikombinasikan dgn set kuat.
	Pemboran dan Peledakan	Diatas 250 ft	Sirkular set sangat kuat 2 ft	dibutuhkan dengan pola  2 – 3 ft	6 in atau lebih pada semua bagian dan dikombinasikan dgn set kuat.
a kualitas batuan baik – sangat baik, kebutuhan penyangga secara umum tidak ada, kecuali tergantung dari, set kekar, diameter terowongan dan orientasi bidang lemah terhadap arah umum terowongan. b lagging tidak dibutuhan pada batuan kualitas sangat kuat, 25% £ batuan kualitas baik – sangat buruk ³ 100% c B = lebar terowongan d mesh tidak dibutuhkan pada batuan kualitas sangat baik, kadang kala dibutuhkan pada batuan kualitas baik – sangat buruk hingga 100%

9.5. jenis-jenis Penyanggaan

Secara mekanik dalam pembuatan terowongan dan pembukaan tambang bawah tanah, jenis-jenis penyangga dapat dikelompokkan kedalam dua bagian :

1. Penyangga Alamiah (Natural Support)

Natural Support dapat digolongkan kedalam penyangga sementara dikarenakan dalam penyanggaan, penyangga yang dipakai berupa ore, low grade ore, atau barren rock  yang ditinggalkan dalam bentuk pillar.

Sistem penyangga sementara yang direncanakan dapat menahan seluruh massa batuan sampai penyangga permanen dipasang, atau pillar-pillar (ore) yang digunakan sebagai penyangga itu sendiri akan ditambang dan tidak perlu dipasang penyangga permanen.

2. Penyangga Buatan (Artificial Support)

Artificial Support merupakan penyangga buatan dimana material untuk penyangga dibuat sesuai dengan bentuk, susunan dan cara pemasangan tergantung dari kebutuhan.

Beberapa jenis artificial support yang sering dijumpai didalam suatu sistem penyanggaan, yaitu :

1.      Penyangga kayu

2.      Baut batuan (rock bolt)

3.      Penyangga beton

4.      Penyangga baja

5.      Penyangga khusus