Numerical investigation of the tunnel face stability

Abstract

The present PhD dissertation investigates the tunnel face stability in cases of shallow and deep tunnels. The investigation is based on more than 1600 parametric 3D numerical analyses using the Simulia ABQUS finite element code. As the tunnel face behavior is a complex three - dimensional problem, and the working mechanism of the tunnel face support measures extend in the third dimension in front of the tunnel face, three dimensional (3D) numerical models are required to investigate the tunnel face stability.In order to investigate the tunnel face stability, the tunnel face extrusion (average axial displacement over the tunnel face) was calculated. When the tunnel face extrusion increases rapidly, the tunnel face tends to be unstable and approaches collapse. In the present investigation, the tunnel face extrusion is described by the non – dimensional tunnel face extrusion parameter (Ωh) which is correlated with a non – dimensional ground factor (Λο) which takes into account the ground properties and the tunnel geometry. The present investigation, examines the tunnel face stability by studying the following fields: a) soil and rockmass strength (strength and modulus of deformation) b) geometrical characteristics of the excavation (diameter, overburden) c) tunnel face support measures. In cases of shallow tunnels, the Mohr Coulomb failure criterion describes the ground response of soils, while in cases of deep tunnels the Generalized Hoek & Brown (2002) failure criterion describes the ground response of rockmass. In both cases, the ground behaves as an elastic – perfectly plastic material (perfect plasticity).Finally, in cases with tunnel face pre – support (forepoling umbrella or fiberglass nails) the equivalent deconfinement ratio (λ) is calculated in order to transform the complex three-dimensional (3D) problem of the tunnel face pre – support, in a simple two – dimensional (2D) numerical problem.The PhD dissertation consists of the following sections:Section 1: Scope of the dissertation.Section 2: Presentation of the main tunnel excavation methods (conventional, mechanized) and the tunnel design methods (design guidelines and convergence - confinement method). Section 3: Presentation of the tunnel face behavior due to the tunnel excavation and the proposed method for the tunnel face pre – support. In addition, previous researches in the tunnel face stability investigation are presented. Section 4: Presentation of the numerical models and the basic parameters of the present research. Moreover, the simulation of the forepoling umbrella is presented. Section 5: Investigation of the tunnel face stability, in cases of unsupported tunnel face. The tunnel face extrusion is correlated with the ground strength of the surrounding mass and the dimensions of the underground excavation. Moreover, the effect of the tunnel face extrusion in the formation of the plastic zone and the tunnel convergence, is examined. Section 6: Investigation of the tunnel face pre – support by forepoling umbrella, in order to estimate the reduction of the tunnel face extrusion and the tunnel convergence .Moreover, the equivalent deconfinement ratio (λ) is calculated in case of using the forepoling umbrella for the tunnel face pre – support. Section 7: Investigation of the tunnel face reinforcement by fiberglass nails, in order to estimate the reduction of the tunnel face extrusion and the tunnel convergence. Moreover, the equivalent deconfinement ratio (λ) is calculated in case of using the fiberglass nails for the tunnel face refinement.Section 8: Investigation of the tunnel face pre-support by forepoling umbrella and fiberglass nails combination, in order to estimate the reduction of the tunnel face extrusion and the tunnel convergence.Section 9: Investigation of the tunnel face excavation area, in the reduction of the tunnel face extrusion in cases of unsupported or supported tunnel face.Section 10: Correlation between the tunnel face extrusion and the famed surficial settlements, in cases of shallow tunnels.Section 11: Conclusions and recommendations for future work

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής, είναι η διερεύνηση της ευστάθειας μετώπου εκσκαφής, τόσο σε ρηχές όσο και σε βαθιές σήραγγες. Η παρούσα εργασία βασίστηκε σε ένα σύνολο (περισσοτέρων από 1600) αριθμητικών αναλύσεων με την χρήση του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Simulia Abaqus. Το σύνολο των αναλύσεων βασίστηκε σε τριδιάσταστα (3D) αριθμητικά προσομοιώματα, ώστε να μπορέσει να διερευνηθεί η επιρροή της τρίτης διάστασης στην ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής, αλλά και να μπορέσει να διερευνηθεί η επιρροή των μέτρων προϋποστήριξη του μετώπου, που έχουν δράση στην τρίτη διάσταση του χώρου.Η ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής βασίστηκε στην προκαλουμένη εξώθηση του μετώπου (παραμόρφωση μετώπου εκσκαφής προς το εσωτερικό της σήραγγας), λόγω της διάνοιξης της σήραγγας. Σε περιπτώσεις όπου η εξώθηση του μετώπου εκσκαφής αυξάνει ακαριαία με την προχώρηση της διάνοιξης της σήραγγας, το μέτωπο χαρακτηρίζεται ως ασταθές, επειδή η εδαφική μάζα τείνει να εισχωρήσει στο εσωτερικό της σήραγγας. Στο σύνολο των αριθμητικών αναλύσεων, η εξώθηση του μετώπου εκσκαφής εκφράστηκε με τον αδιάστατο παράγοντα (Ωh) και συσχετίστηκε με το αδίαστατο παράγοντα εδάφους (Λο), ο οποίος συνοψίζει τα μηχανικά χαρακτηριστικά του εδάφους και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της εκσκαφής. Η παρούσα έρευνα διερεύνησε τις ακόλουθες παραμέτρους που έχουν άμεση επιρροή στην ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής σηράγγων: a) την επιρροή των μηχανικών παραμέτρων του περιβάλλοντος εδάφους ή βραχόμαζας (αντοχή, παραμορφωσιμότητα) b) την επιρροή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της εκσκαφής (υπερκείμενα εκσκαφής, διάμετρος σήραγγας) c) την επιρροή των μέτρων προϋποστήριξη του μετώπου εκσκαφής.Για την προσομοίωση του εδάφους χρησιμοποιήθηκε το κριτήριο αστοχίας Mohr – Coulomb, ενώ στις περιπτώσεις βραχόμαζας το κριτήριο αστοχίας Generalized Hoek & Brown (2002), όπου και στις δυο προηγούμενες περιπτώσεις το γεωυλικού είχε γραμμικώς ελαστική – πλήρως πλαστική συμπεριφορά. Επίσης στις περιπτώσεις προϋποστήριξης του μετώπου εκσκαφής, έγινε συσχέτιση των προκαλούμενων συγκλίσεων της εκσκαφής στην περιοχή του μετώπου εκσκαφής με τις αντίστοιχες συγκλήσεις σε διδιάστατα (2D) αριθμητικά προσομοιώματα, χρησιμοποιώντας τον ισοδύναμο συντελεστή αποτόνωσης (λ). Με την μέθοδο αυτό μπορεί να αναλυθεί η ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής με ή χωρίς την παρουσία μέτρων προϋποστήριξης, σε απλές διδιάστατες αριθμητικές αναλύσεις.Η παρούσα διδακτορική διατριβή, διαρθρώνεται ως ακολούθως:Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή του σκοπού της παρούσας έρευνας.Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση της μεθόδου εκσκαφής των σηράγγων (συμβατική και μηχανοποιημένη), καθώς και των μεθόδων σχεδιασμού των σηράγγων (εμπειρικά κριτήρια σχεδιασμού, μέθοδοι σύγκλισης – αποτόνωσης).Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή της συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής λόγω της διάνοιξης της σήραγγας, καθώς των μέτρων προϋποστήριξη του. Στην συνέχεια γίνεται εκτενής αναφορά στην βιβλιογραφία σχετικά με την ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής, με παράθεση εργαστηριακών μεθόδων, αναλυτικών λύσεων και αριθμητικών μεθόδων.Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή των αριθμητικών προσομοιωμάτων της παρούσας διατριβής, καθώς και των βασικών παραμέτρων και παραδοχών που ελήφθησαν υπόψιν στις αριθμητικές αναλύσεις. Επίσης περιγράφεται ο τρόπος που έγινε προσομοίωση της ομπρέλας των δοκών προπορείας.Στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιείται διερεύνηση της συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής σε περιπτώσεις που αυτό δεν υποστηρίζεται. Στην συνέχεια γίνεται συσχέτιση της προκαλούμενης εξώθησης του μετώπου με τα μηχανικά χαρακτηριστικά του εδάφους και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της εκσκαφής. Παράλληλα εξετάζεται η επιρροή της εξώθησης σε άλλα προκαλούμενα μεγέθη, όπως το εύρος της πλαστικής ζώνης και η σύγκλιση της σήραγγας. Στο έκτο κεφάλαιο πραγματοποιείται διερεύνηση της συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής σε περιπτώσεις που αυτό προϋποστηρίζεται από ομπρελά δοκών προπορείας (forepoling umbrella). Στην συνέχεια προσδιορίζεται η μείωση της εξώθησης του μετώπου εκσκαφής, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της ομπρέλας των δοκών προπορείας. Παράλληλα συσχετίζεται η επιρροή της εξώθησης στην σύγκλιση της σήραγγας, ενώ προσδιορίζεται ο ισοδύναμος βαθμός αποτόνωσης (λ) σε περίπτωση χρήσης δοκών προπορείας. Στο έβδομο κεφάλαιο πραγματοποιείται διερεύνηση της συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής σε περιπτώσεις που αυτό προϋποστηρίζεται από αγκύρια μετώπου (fiberglass nails). Στην συνέχεια προσδιορίζεται η μείωση της εξώθησης του μετώπου εκσκαφής, ανάλογα με την ισοδύναμη πίεση μετώπου από τα αγκύρια. Παράλληλα συσχετίζεται η επιρροή της εξώθησης στην σύγκλιση της σήραγγας, ενώ προσδιορίζεται ο ισοδύναμος βαθμός αποτόνωσης (λ) σε περίπτωση που εφαρμόζονται αγκύρια μετώπου εκσκαφής.Στο όγδοο κεφάλαιο πραγματοποιείται διερεύνηση της συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής σε περιπτώσεις που αυτό προϋποστηρίζεται από συνδυασμό αγκυρίων μετώπου (fiberglassnails) και ομπρέλας δοκών προπορείας (forepoling umbrella). Στην συνέχεια προσδιορίζεται η προκαλούμενη μείωση της εξώθησης του μετώπου εκσκαφής και συσχετίζεται η επιρροή της στην μείωση των συγκλίσεων της σήραγγας.Στο ένατο κεφάλαιο πραγματοποιείται διερεύνηση της μείωσης των διαστάσεων του μετώπου εκσκαφής, στην προκαλουμένη μείωση της εξώθησης, όταν το μέτωπο είναι ανυποστήρικτο ή προϋποστηρίζεται. Στο δέκατο κεφάλαιο γίνεται συσχέτιση της εξώθησης του μετώπου εκσκαφής, σε περιπτώσεις ρηχών σηράγγων, με τα αντίστοιχα προκαλούμενα μεγέθη των επιφανειακών καθιζήσεων, όπως μέγιστη καθίζηση και απώλεια εδαφικού όγκου. Στο ενδέκατο κεφάλαιο παρατίθενται τα βασικά συμπεράσματα της παρούσας εργασίας και οι προτάσεις για μελλοντική έρευνα.