Computational investigation of the interaction between neighboring tunnels

Abstract

The subject of the present thesis is the investigation of the interaction between neighboring tunnels, which is primarily examined via conducting a significant number of parametrical, three-dimensional (3D) analyses employing the finite element method and secondarily (auxiliary) via elaborating respective two-dimensional (2D) analyses. In particular, as neighboring tunnels are defined, on the one hand, twin tunnels (parallel tunnels located at the same depth) and, on the other, tunnel junctions/intersections (intersecting tunnels located at the same depth). The interaction is mainly investigated in terms of the internal forces developing in the primary support (shotcrete shell) of the tunnels and is quantified using as reference the internal forces acting on the primary support of the single tunnel. It is pointed out that the research focuses on deep tunnels constructed with conventional methods in mostly weak rockmasses, studying the internal forces acting on the primary support of the tunnels. The objective of the present thesis is to produce normalized graphs (design charts) for the internal forces developing in the primary support of either twin or intersecting tunnels, based on the results of the 3D numerical analyses, which simulate the 3D nature of the construction of tunnels, that is dominant, especially in the case of tunnel junctions/intersections. The original contribution of the present thesis lies in the number of the 3D numerical analyses, which are carried out for a plethora of variable parameters related to the construction of tunnels and are incorporated into the proposed design charts and the proposed analytical correlations of the internal forces, allowing the expansion of their applicability range, thus the generalization of their use. Also, the quantification of the level of the interaction versus the loading conditions of the single tunnel facilitates utilizing the proposed design charts, irrespective of the method used to calculate the loads corresponding to the single tunnel. The construction of twin tunnels is, on the one hand, a mandatory specification/guideline and, on the other, a prevailing practice in both conventional and mechanized tunneling. Especially, the construction with conventional methods (Sequential Excavation Method, Observational Method (Kovári and Lunardi 2018), Sprayed Concrete Layer Method, ΝΑΤΜ, etc.) of deep, parallel, twin tunnels in weak rockmasses is typical in highway and railway networks. The twin tunnels are excavated and supported with a time lag between them. Thus, the second (subsequent) branch is typically constructed after the first (precedent) branch has sufficiently advanced relative to its construction to maintain a longitudinal separation distance between the faces of the tunnels. Therefore, the construction of the subsequent tunnel triggers phenomena of stress and strain redistribution in the area between the two branches (in the area of the pillar), causing the additional loading of the precedent tunnel. However, most of the methodologies for designing the primary support of the tunnels are formulated to calculate the loads of the single tunnels, neglecting thus the potential interaction between closely-spaced twin tunnels constructed in weak rockmasses. The literature review presented in chapter 2 of the present thesis for twin tunnels indicates that significant interaction effects occur between twin tunnels and identifies the crucial role of the width of the pillar between the tunnels in controlling their intensity. Most of the relevant studies elaborate 2D numerical analyses, which inherently include simplifications and thus are incapable of realistically capturing the 3D nature of the construction of tunnels and particularly that of the interaction between twin tunnels. On the contrary, relevant studies that utilize 3D numerical analyses for the simulation of twin tunnels are either limited in a relatively narrow range of variable parameters or targeted to specific projects (case studies) since such simulations are computationally demanding. Moreover, most of the available research focuses on shallow, either conventional or mechanized, twin tunneling interaction, studying the influence on the displacements of the surrounding geomaterial and the settlements in the surface of the geomaterial. Analogous research for deep, twin tunnels also studies the influence on the radial displacement (convergence) in the sections of the tunnels and the displacements of the surrounding geomaterial. Furthermore, indicative case studies are presented, where failures are encountered, associated with weak rockmasses due to the development of excessive convergence during the construction of twin tunnels. In this context, chapter 5 of the present thesis presents an extensive series of parametric 3D numerical analyses for twin tunnels, examining a wide range of variable parameters related to the construction of tunnels. The results of the numerical analyses are used to create general-purpose normalized graphs (design charts) and produce analytical correlations for the internal forces acting on the primary support of the tunnels versus key geomaterial (surrounding rockmass) and geometry parameters. These charts can be useful for preliminary estimations of primary support requirements for twin tunnels. The results of the numerical analyses indicate that the construction of the subsequent (“second”) tunnel mobilizes interaction phenomena, which result in increasing the loads (axial forces) of the subsequent (“first”) tunnel. The distribution of the loads of the “first” tunnel is asymmetric and is maximized at the springline neighboring the area of the pillar between the tunnels. On the contrary, the distribution of the loads of the “second” tunnel is practically identical to the correspondent of the “single”. The level of the interaction is quantified via the ratios of the axial force of the “first” over the “single” tunnel. It exhibits an increasing trend versus the reduction of the geotechnical conditions ratio (σcm/po), the horizontal stress ratio (Ko) and the ratio of the width of the pillar over the diameter of the tunnel (W/D), which are parameters whose effects exhibit dependencies. According to the combination of the values for σcm/po and Ko, for pillar width ratio (W/D) equal to 2 or more (3 or 4), the level of the interaction is significantly mitigated or practically eliminated. Based on the results of the numerical analyses, the range of the optimum pillar width ratio (W/D)optimum, that drastically reduces the level of the interaction, is proposed relative to the values of σcm/po and Ko. The recommended design charts and the suggested analytical correlations for the internal forces are applicable independently of the diameter, the section (shape), the depth and the construction method (full- or partial-face (excavation and support)) of the tunnels. The construction of intersecting tunnels and the formation of tunnel junctions/intersections is a mandatory condition and a prevailing practice according to the relevant codes and standards for health and safety (ensuring emergency access and exit) and functionality (facilitating maintenance, storage, etc.). Typical examples are the cross-passage tunnels constructed at every 333m along the twin-branch Brenner base tunnel in the Alps (Insam et al. 2019) and the cross-passage tunnels constructed at every 350-400m along the twin-branch Egnatia Highway tunnels in Greece (Hoek et al. 2006). The tunnel junctions/intersections are typically constructed at a sufficient distance behind the advancing faces of the main tunnels to ensure that the excavation and the support of the main tunnels do not affect the construction of the junction tunnel. The analysis of the interaction between the intersecting tunnels and the surrounding rockmass in the area of the junction is complicated, while its thorough study requires the creation of 3D numerical models. During the construction of the junction tunnel, additional stress and strain redistribution develops in the surrounding rockmass leading to the additional loading of the main tunnel in the area of the junction. If the additional loads exceed the capacity of the primary support of the main tunnel in the area of the junction, a potentially unstable zone can be formatted, causing failures in the area where the “opening” is created at the main tunnel and the area of the intersection, especially if the surrounding rockmass is weak and adverse-“squeezing” geotechnical conditions prevail for the construction of tunnels. The literature review presented in chapter 3 of the present thesis for intersecting tunnels indicates the lack of analytical closed-formed solutions or other methods, appropriate/reliable for general use/applicability, for the calculation of the loads in the area of tunnel junctions/intersections, due to the degree of complexity of the problem. Moreover, 3D numerical analyses for the accurate simulation of the problem are computationally demanding. Consequently, most relevant studies focus on specific projects (case studies) and produce either not representative or adequate results to formulate an integrated design methodology. In this context, chapters 6, 7 and 8 of the present thesis present an extensive series of parametric 3D numerical analyses for tunnel junctions/intersections, examining a wide range of variable parameters related to the construction of tunnels. The results of the numerical analyses are used to create general-purpose normalized graphs (design charts) and produce analytical correlations for the internal forces acting on the primary support of the tunnels versus key geomaterial (surrounding rockmass) and geometry parameters. These charts can be useful for preliminary estimations of primary support requirements for tunnel junctions/intersections. The results of the numerical analyses indicate that the influence zone in the primary support of the main tunnel, where the internal forces alter due to the construction of the junction tunnel, has an extent of approximately two diameters (2D) of the main tunnel, at either side of the center of the intersection, irrespective of the values of the other examined variable parameters. The creation of the “opening” at the main tunnel and the construction of the junction tunnel causes additional compressive loading at the sprinlines and compressive unloading or tensile loading at the crown/the invert, respectively, in the area of the intersection. The maximum and minimum axial forces (compressive or tensile), the maximum and minimum bending moments (positive or negative) in the area of the intersection/at the “opening” (specifically) and the main tunnel (generally), in both the circumferential and the longitudinal direction, are presented normalized (as values) or quantified (as ratios), for indicative stages of the construction sequence of the junction tunnel, relative to the Tunnel Load Parameter (ΤLPN or TLPM) or the Tunnel Load Factor (ΤLFN or TLFM) that incorporate geometrical and geotechnical parameters encountered in the construction of tunnels (especially, tunnel junctions/intersections). The subscripts “N” and “M” imply the axial forces and the bending moments, respectively. The recommended design charts and the suggested analytical correlations for the internal forces differentiate according to the scenario for the construction of the junction tunnel and the horizontal stress ratio (Κο). Due to the simulation of multiple configurations of tunnel junctions/intersections and construction sequences, they can be applied for “H”, “T” and cross “+” tunnel junctions/intersections. Moreover, they are applicable independently of the diameter, the section (shape), the depth and the construction method (full- or partial-face (excavation and support)) of the tunnels. Also, reduction/weighting coefficients of the most adverse values and ratios of the internal forces are proposed, taking into account their local concentration. The prevailing loading conditions are comparatively more adverse in the case where the construction of the junction tunnel begins from the main tunnel and moves away from it (thus, the creation of the “opening” at the main tunnel is initially realized), while they are more beneficial in the case where the construction of the junction tunnels approaches the main tunnel and ends up towards it (thus, the creation of the “opening” at the main tunnel is finally realized). The loading conditions encountered at the junction tunnel are similar to those developing during the construction of a single tunnel, except for a limited region that borders the area of the intersection. The effect of different cases for the construction methodology of the tunnel junction/intersection, including (autonomously or in conjunction) the expansion of the section for the construction (over-excavation and support) of the junction tunnel in the vicinity of the intersection area and the optional enhancement of the intersection area via the construction of a (peripheral/perimetric) concrete ring (“collar”) between the shotcrete primary support and the boundary of the opening of the main tunnel, the construction of the concrete final lining of the main tunnel before the construction of the junction tunnel, the construction of a steel frame for the enhancement of the main tunnel before the construction of the junction tunnel, the application of additional primary support measures for the construction of the junction tunnel, such as the installation of steel sets, the creation of an umbrella of steel forepoles and the support of the tunnel face with fiberglass nails, are also studied. Respective design charts and analytical correlations are also provided. In chapter 4 of the present thesis, indicative (empirical, analytical, numerical, etc.) methods for calculating the loads and the design of the primary support of a single tunnel are presented. Also, insights on the philosophy and the principles of the conventional methods for constructing tunnels (construction sequence, full- or partial-face excavation and support, convergence-confinement methods, primary support measures, failure types of the surrounding rockmass, etc.) are discussed. Furthermore, the empirical failure criterion Generalized Hoek-Brown, as formulated by Kalos and Kavvadas (2017) in the 3D stress space, utilized in the numerical analyses conducted in the present thesis to simulate the behavior of the surrounding rockmass, is studied. Finally, a comparison of constitutive models that can be correlated (Generalized Hoek-Brown, Mohr-Coulomb and Drucker-Prager) and used for the behavior of the surrounding rockmass is performed versus the stress response of the surrounding rockmass and the induced loads in the primary support of a single tunnel. In chapter 9 of the present thesis, the conclusions derived from the conducted computational investigation and the proposals for further research are summarized. In conclusion, the present thesis attempts to contribute to the design and the construction of tunnels by proposing, to the extent feasible, integrated methodologies (design charts and analytical correlations) to calculate the internal forces developing in the primary support of twin tunnels and tunnel junctions/intersections, according to the processing of the results derived from an extensive series of parametric 3D numerical analyses, for a wide range of examined variable parameters related to the construction of tunnels.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ γειτονικών σηράγγων, η οποία διερευνάται πρωτίστως μέσω της εκπόνησης μεγάλου αριθμού παραμετρικών τριδιάστατων (3Δ) αναλύσεων με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και δευτερευόντως (επικουρικά) μέσω της διεξαγωγής αντίστοιχων διδιάστατων (2Δ) αναλύσεων. Συγκεκριμένα, ως γειτονικές σήραγγες νοούνται αφενός δίδυμες σήραγγες (παράλληλες σήραγγες που βρίσκονται στο ίδιο βάθος) και αφετέρου κόμβοι/διασταυρώσεις σηράγγων (διασταυρούμενες σήραγγες που βρίσκονται στο ίδιο βάθος). Η αλληλεπίδραση διερευνάται κυρίως σε όρους εντατικών μεγεθών (αξονικών δυνάμεων και ροπών κάμψης) που αναπτύσσονται στην άμεση υποστήριξη (κέλυφος από εκτοξευόμενο σκυρόδεμα) των σηράγγων και ποσοτικοποιείται χρησιμοποιώντας ως βάση αναφοράς τα εντατικά μεγέθη που δρουν στην άμεση υποστήριξη της μονής σήραγγας. Επισημαίνεται ότι, η έρευνα επικεντρώνεται σε βαθιές σήραγγες που διανοίγονται με συμβατικές μεθόδους σε ως επί το πλείστον ασθενείς βραχομάζες, μελετώντας τα εντατικά μεγέθη που αναπτύσσονται στην άμεση υποστήριξη των σηράγγων. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η παραγωγή κανονικοποιημένων γραφημάτων (νομογραφημάτων) σχεδιασμού για τα εντατικά μεγέθη που αναπτύσσονται στην άμεση υποστήριξη, είτε δίδυμων, είτε διασταυρούμενων σηράγγων με βάση τα αποτελέσματα των 3Δ αριθμητικών αναλύσεων που προσομοιώνουν την 3Δ φύση του προβλήματος της διάνοιξης σηράγγων, η οποία ειδικά στην περίπτωση των κόμβων/διασταυρώσεων σηράγγων είναι κυρίαρχη. Η πρωτότυπη συμβολή της παρούσας διατριβής έγκειται στον μεγάλο αριθμό των 3Δ αριθμητικών αναλύσεων που διεξάγονται για πλήθος εξεταζόμενων μεταβλητών παραμέτρων που υπεισέρχονται στη διάνοιξη σηράγγων, οι οποίες ενσωματώνονται στα προτεινόμενα νομογραφήματα σχεδιασμού και τις προτεινόμενες αναλυτικές συσχετίσεις των εντατικών μεγεθών, επιτρέποντας την διεύρυνση του πεδίου εφαρμογής τους, δηλαδή τη γενίκευση της χρήσης τους. Επίσης, η ποσοτικοποίηση του επιπέδου της αλληλεπίδρασης ως προς τις συνθήκες φόρτισης της μονής σήραγγας διευκολύνει τη χρήση των προτεινόμενων νομογραφημάτων σχεδιασμού ανεξαρτήτως της μεθόδου υπολογισμού των φορτίων που αντιστοιχούν στη μονή σήραγγα. Η διάνοιξη δίδυμων σηράγγων είναι αφενός υποχρεωτική κανονιστική προδιαγραφή και αφετέρου επικρατούσα πρακτική, τόσο στην συμβατική, όσο και τη μηχανοποιημένη όρυξη σηράγγων. Ειδικότερα, είναι συνήθης η κατασκευή βαθιών, παράλληλων, δίδυμων σηράγγων με συμβατικές μεθόδους (Sequential Excavation Method, Observational Method (Kovári and Lunardi 2018), Sprayed Concrete Layer Method, ΝΑΤΜ, κλπ.) εντός ασθενών βραχομαζών σε οδικά ή σιδηροδρομικά δίκτυα. Οι δίδυμες σήραγγες εκσκάπτονται και υποστηρίζονται με μία χρονική «υστέρηση» μεταξύ τους. Δηλαδή, ο δεύτερος (μεταγενέστερος) κλάδος συνήθως κατασκευάζεται αφού ο πρώτος (προγενέστερος) κλάδος έχει προχωρήσει επαρκώς ως προς τη διάνοιξή του, ώστε να διατηρείται μία διαμήκης απόσταση διαχωρισμού μεταξύ των μετώπων των σηράγγων. Ως εκ τούτου, η προχώρηση της διάνοιξης της μεταγενέστερης σήραγγας ενεργοποιεί φαινόμενα τασικής και παραμορφωσιακής ανακατανομής στην περιοχή μεταξύ των δύο κλάδων (στην περιοχή του πυλώνα), προκαλώντας την πρόσθετη φόρτιση της προγενέστερης σήραγγας. Ωστόσο, οι περισσότερες μεθοδολογίες σχεδιασμού της άμεσης υποστήριξης των σηράγγων είναι μορφωμένες ώστε να υπολογίζουν τα φορτία για τις μονές σήραγγες, παραλείποντας επομένως τη δυνητική αλληλεπίδραση μεταξύ δίδυμων σηράγγων που κατασκευάζονται σε εγγύς απόσταση εντός ασθενών βραχομαζών. Η βιβλιογραφική επισκόπηση που παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 2 της παρούσας διατριβής για τις δίδυμες σήραγγες αναδεικνύει ότι σημαντικά φαινόμενα αλληλεπίδρασης προκύπτουν μεταξύ δίδυμων σηράγγων κι επίσης καταδεικνύει ότι το πλάτος του πυλώνα μεταξύ των σηράγγων έχει καθοριστική επίδραση στον έλεγχο της έντασής τους. Οι περισσότερες σχετικές έρευνες πραγματοποιούν 2Δ αριθμητικές αναλύσεις, οι οποίες περιλαμβάνουν εγγενείς απλουστεύσεις και κατ’ επέκταση δε μπορούν να προσομοιώσουν ρεαλιστικά την 3Δ φύση του προβλήματος της διάνοιξης σηράγγων και συγκεκριμένα της αλληλεπίδρασης μεταξύ δίδυμων σηράγγων. Αντίθετα, σχετικές έρευνες που χρησιμοποιούν 3Δ αριθμητικές αναλύσεις για την προσομοίωση των δίδυμων σηράγγων, είτε περιορίζονται σε ένα σχετικά μικρό εύρος μεταβλητών παραμέτρων, είτε είναι στοχευμένες σε συγκεκριμένα έργα (περιπτώσεις μελέτης), γιατί τέτοιες προσομοιώσεις είναι απαιτητικές σε όρους υπολογιστικής ισχύος και χρόνου. Επιπρόσθετα, οι περισσότερες έρευνες επικεντρώνονται στην αλληλεπίδραση μεταξύ, είτε μηχανοποιημένα, είτε συμβατικά διανοιγόμενων, ρηχών, δίδυμων σηράγγων, μελετώντας την επίδραση στις μετακινήσεις του περιβάλλοντος γεωυλικού και τις καθιζήσεις στην επιφάνεια του γεωυλικού. Οι αντίστοιχες έρευνες για βαθιές, δίδυμες σήραγγες επίσης μελετούν την επίδραση στις ακτινικές μετατοπίσεις (συγκλίσεις) στις διατομές των σηράγγων και τις μετακινήσεις του περιβάλλοντος γεωυλικού. Επίσης, παρουσιάζονται ενδεικτικά παραδείγματα αστοχιών σε πραγματικά έργα, λόγω εκδήλωσης ανεξέλεγκτων συγκλίσεων κατά τη διάνοιξη δίδυμων σηράγγων, που σχετίζονται με ασθενείς βραχομάζες. Σ’ αυτό το πλαίσιο, το κεφάλαιο 5 της παρούσας διατριβής παρουσιάζει τη διεξαγωγή εκτεταμένων σειρών, παραμετρικών 3Δ αριθμητικών αναλύσεων για δίδυμες σήραγγες, εξετάζοντας ένα πλήθος μεταβλητών παραμέτρων που υπεισέρχονται στη διάνοιξη σηράγγων. Τα αποτελέσματα των αριθμητικών αναλύσεων χρησιμοποιούνται για τη μόρφωση γενικής εφαρμογής/χρήσης κανονικοποιημένων γραφημάτων (νομογραφημάτων) σχεδιασμού και την παραγωγή αναλυτικών συσχετίσεων των εντατικών μεγεθών που ασκούνται στην άμεση υποστήριξη των σηράγγων συναρτήσει παραμέτρων που σχετίζονται με το γεωυλικό (περιβάλουσα βραχομάζα) και τη γεωμετρία του προβλήματος. Τα νομογραφήματα σχεδιασμού μπορούν να χρησιμοποιούνται για προκαταρκτικούς υπολογισμούς της απαιτούμενης αντοχής της άμεσης υποστήριξης για δίδυμες σήραγγες. Τα αποτελέσματα των αριθμητικών αναλύσεων καταδεικνύουν ότι η διάνοιξη της μεταγενέστερης («δεύτερης») σήραγγας ενεργοποιεί φαινόμενα αλληλεπίδρασης, τα οποία προκαλούν μία αύξηση των φορτίων (των αξονικών δυνάμεων) της προγενέστερης («πρώτης») σήραγγας. Η κατανομή του φορτίου της «πρώτης» σήραγγας είναι ασύμμετρη και μεγιστοποιείται στην παρειά που γειτνιάζει με την περιοχή του πυλώνα μεταξύ των σηράγγων. Αντίθετα, η κατανομή του φορτίου της «δεύτερης» σήραγγας είναι πρακτικά ίδια με την αντίστοιχη της «μονής». Το επίπεδο της αλληλεπίδρασης ποσοτικοποιείται μέσω των λόγων της αξονικής δύναμης της «πρώτης» προς τη «μονή» σήραγγα και επιδεικνύει μία αυξητική τάση ως προς τη μείωση του λόγου των γεωτεχνικών συνθηκών (σcm/po), του συντελεστή οριζόντιων τάσεων (Ko) και του λόγου του πλάτους του πυλώνα προς τη διάμετρο των σηράγγων (W/D), παραμέτρων των οποίων οι επιδράσεις είναι παρουσιάζουν αλληλεξαρτήσεις. Με βάση τον συνδυασμό των τιμών των σcm/po και Ko, για λόγο του πλάτους του πυλώνα (W/D) ίσο με 2 ή μεγαλύτερο (3 ή 4), το επίπεδο της αλληλεπίδρασης αμβλύνεται σημαντικά ή πρακτικά εξαλείφεται. Με βάση τα αποτελέσματα των αριθμητικών αναλύσεων προτείνεται το εύρος του βέλτιστου λόγου του πλάτους του πυλώνα (W/D), που περιορίζει δραστικά το επίπεδο της αλληλεπίδρασης, συναρτήσει των τιμών των σcm/po και Ko. Τα προτεινόμενα νομογραφήματα σχεδιασμού και οι προτεινόμενες αναλυτικές συσχετίσεις για τα εντατικά μεγέθη δύνανται να εφαρμόζονται ανεξαρτήτως της διαμέτρου, της διατομής (σχήματος), του βάθους και της μεθόδου διάνοιξης (ολομέτωπης ή τμηματικής (εκσκαφής και υποστήριξης)) των σηράγγων. Η διάνοιξη συνδετήριων ή διασταυρούμενων σηράγγων και επομένως η διαμόρφωση κόμβων/διασταυρώσεων σηράγγων είναι υποχρεωτική συνθήκη και επικρατούσα πρακτική με βάση τους σχετικούς κανονισμούς και προδιαγραφές, για λόγους υγείας και ασφάλειας (διασφαλίζοντας πρόσβαση και έξοδο σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης) και λειτουργικότητας (διευκολύνοντας την συντήρηση, την αποθήκευση, την προσπέλαση, κλπ.). Τυπικά παραδείγματα είναι οι συνδετήριες σήραγγες που είναι κατασκευασμένες ανά 333m κατά μήκος των διπλού-κλάδου σηράγγων βάσης στις Άλπεις (Insam et al. 2019) και οι συνδετήριες σήραγγες που είναι κατασκευασμένες ανά 350-400m κατά μήκος των διπλού-κλάδου σηράγγων στην Εγνατία Οδό στην Ελλάδα (Hoek et al. 2006). Οι κόμβοι/διασταυρώσεις των σηράγγων συνήθως κατασκευάζονται σε επαρκή απόσταση πίσω από τα υπό προχώρηση μέτωπα των κύριων σηράγγων, ώστε να διασφαλίζεται ότι η εκσκαφή και υποστήριξη των κύριων σηράγγων δεν επηρεάζει τη διάνοιξη της συνδετήριας ή της διασταυρούμενης σήραγγας. Η ανάλυση της αλληλεπίδρασης μεταξύ των διασταυρούμενων σηράγγων και της περιβάλουσας βραχομάζας στην περιοχή του κόμβου είναι περίπλοκη και η άρτια μελέτη της απαιτεί τη δημιουργία 3Δ αριθμητικών προσομοιωμάτων. Κατά τη διάρκεια της διάνοιξης της συνδετήριας/διασταυρούμενης σήραγγας, στην περιβάλουσα βραχομάζα συντελείται νέα ανακατανομή τάσεων και παραμορφώσεων προκαλώντας την επιπρόσθετη φόρτιση της κύριας σήραγγας στην περιοχή του κόμβου. Αν τα πρόσθετα φορτία υπερβούν την αντοχή της άμεσης υποστήριξης στην κύρια σήραγγα, στην περιοχή του κόμβου, μία δυνητικά ασταθής ζώνη μπορεί να δημιουργηθεί, προκαλώντας αστοχίες στην περιοχή της δημιουργίας του «ανοίγματος» στην κύρια σήραγγα και την περιοχή της διασταύρωσης, ειδικά αν η περιβάλουσα βραχομάζα είναι ασθενής και επικρατούν δυσμενείς-«συνθλίβουσες» γεωτεχνικές συνθήκες για διάνοιξη σηράγγων. Η βιβλιογραφική επισκόπηση που παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 3 της παρούσας διατριβής για τις διασταυρούμενες σήραγγες αναδεικνύει την έλλειψη αναλυτικών λύσεων κλειστής-μορφής ή άλλων μεθόδων, κατάλληλων για γενική χρήση/εφαρμογή, για τον υπολογισμό των φορτίων στην περιοχή των κόμβων/διασταυρώσεων σηράγγων, λόγω του βαθμού πολυπλοκότητας του προβλήματος. Επιπρόσθετα, οι 3Δ αριθμητικές αναλύσεις για την ορθή προσομοίωση του προβλήματος είναι σύνθετες και απαιτητικές σε όρους υπολογιστικής ισχύος και χρόνου, με αποτέλεσμα οι περισσότερες σχετικές έρευνες να μελετούν συγκεκριμένα έργα (προβλήματα μελέτης) και να παράγουν αποτελέσματα τα οποία δεν είναι αντιπροσωπευτικά ή δεν επαρκούν για τη δημιουργία μίας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας σχεδιασμού. Σ’ αυτό το πλαίσιο, τα κεφάλαια 6, 7 και 8 της παρούσας διατριβής παρουσιάζουν τη διεξαγωγή εκτεταμένων σειρών, παραμετρικών 3Δ αριθμητικών αναλύσεων για κόμβους/διασταυρώσεις σηράγγων, εξετάζοντας ένα πλήθος μεταβλητών παραμέτρων που υπεισέρχονται στη διάνοιξη σηράγγων. Τα αποτελέσματα των αριθμητικών αναλύσεων χρησιμοποιούνται για τη μόρφωση γενικής εφαρμογής/χρήσης κανονικοποιημένων γραφημάτων (νομογραφημάτων) σχεδιασμού και την παραγωγή αναλυτικών συσχετίσεων των εντατικών μεγεθών που ασκούνται στην άμεση υποστήριξη των σηράγγων συναρτήσει παραμέτρων που σχετίζονται με το γεωυλικό (περιβάλουσα βραχομάζα) και τη γεωμετρία του προβλήματος. Τα νομογραφήματα σχεδιασμού μπορούν να χρησιμοποιούνται για προκαταρκτικούς υπολογισμούς της απαιτούμενης αντοχής της άμεσης υποστήριξης για κόμβους/διασταυρώσεις σηράγγων. Τα αποτελέσματα των αριθμητικών αναλύσεων καταδεικνύουν ότι η ζώνη επιρροής στην άμεση υποστήριξη της κύριας σήραγγας, όπου τα εντατικά μεγέθη μεταβάλλονται λόγω της διάνοιξης της συνδετήριας/διασταυρούμενης σήραγγας, εκτείνεται σε περίπου δύο διαμέτρους (2D) της κύριας σήραγγας εκατέρωθεν του κέντρου της διασταύρωσης ανεξαρτήτως των τιμών των άλλων εξεταζόμενων μεταβλητών παραμέτρων. Η δημιουργία του «ανοίγματος» στην κύρια σήραγγα και η διάνοιξη της συνδετήριας/διασταυρούμενης σήραγγας, προκαλεί πρόσθετη θλιπτική φόρτιση στις παρειές και θλιπτική αποφόρτιση ή εφελκυστική φόρτιση στην στέψη/τον πυθμένα, αντίστοιχα, στην περιοχή της διασταύρωσης. Οι μέγιστες και ελάχιστες αξονικές δυνάμεις (θλιπτικές ή εφελκυστικές), οι μέγιστες και ελάχιστες ροπές κάμψης (θετικές ή αρνητικές) στην περιοχή της διασταύρωσης/στο «άνοιγμα» (ειδικά) και στην κύρια σήραγγα (γενικά), τόσο στην εγκάρσια (περιφερειακή/περιμετρική), όσο και τη διαμήκη διεύθυνση, παρουσιάζονται κανονικοποιημένες (υπό μορφή τιμών) ή ποσοτικοποιημένες (υπό μορφή λόγων), σε ενδεικτικά στάδια της κατασκευαστικής αλληλουχίας της συνδετήριας/διασταυρούμενης σήραγγας, συναρτήσει της Παραμέτρου Φορτίου Σηράγγων (ΤLPN ή TLPM) ή του Συντελεστή Φορτίου Σηράγγων (ΤLFN ή TLFM) που ενσωματώνουν γεωμετρικές και γεωτεχνικές παραμέτρους που υπεισέρχονται στη διάνοιξη σηράγγων (και συγκεκριμένα κόμβων/διασταυρώσεων). Οι δείκτες «Ν» και «Μ» υποδηλώνουν τις αξονικές δυνάμεις και τις ροπές κάμψης, αντίστοιχα. Τα προτεινόμενα νομογραφήματα σχεδιασμού και οι προτεινόμενες αναλυτικές συσχετίσεις για τα εντατικά μεγέθη, διαφοροποιούνται με βάση το σενάριο της κατασκευαστικής αλληλουχίας της συνδετήριας/διασταυρούμενης σήραγγας και τον συντελεστή οριζόντιων τάσεων (Κο). Λόγω της προσομοίωσης διαφορετικών γεωμετρικών διαμορφώσεων κόμβων/διασταυρώσεων σηράγγων και κατασκευαστικών αλληλουχιών, μπορούν να εφαρμόζονται για κόμβους/διασταυρώσεις σηράγγων μορφής/σχήματος «Η», «Τ» και σταυρού «+». Επιπρόσθετα, δύνανται να εφαρμόζονται ανεξαρτήτως της διαμέτρου, της διατομής (σχήματος), του βάθους και της μεθόδου διάνοιξης (ολομέτωπης ή τμηματικής (εκσκαφής και υποστήριξης)) των σηράγγων. Επίσης, προτείνονται συντελεστές απομείωσης/στάθμισης των δυσμενέστερων τιμών και λόγων των εντατικών μεγεθών, λαμβάνοντας υπόψη την τοπική/σημειακή τους συγκέντρωση/εκδήλωση. Οι συνθήκες φόρτισης που δημιουργούνται είναι πιο δυσμενείς όταν η διάνοιξη της συνδετήριας/διασταυρούμενης σήραγγας ξεκινά από την κύρια σήραγγα και απομακρύνεται από αυτή (δηλαδή, η δημιουργία του «ανοίγματος» στην κύρια σήραγγα πραγματοποιείται στην αρχή), ενώ είναι συγκριτικά πιο ευμενείς όταν η διάνοιξη της συνδετήριας/διασταυρούμενης σήραγγας προσεγγίζει την κύρια σήραγγα και καταλήγει σ’ αυτή (δηλαδή, η δημιουργία του «ανοίγματος» στην κύρια σήραγγα πραγματοποιείται στο τέλος). Οι συνθήκες φόρτισης της συνδετήριας/διασταυρούμενης σήραγγας είναι αντίστοιχες με αυτές που αναπτύσσονται κατά τη διάνοιξη μίας μονής σήραγγας, εκτός από ένα περιορισμένο τμήμα της που συνορεύει με την περιοχή της διασταύρωσης. Επίσης, μελετώνται οι επιδράσεις διαφορετικών περιπτώσεων ως προς την κατασκευαστική αλληλουχία και τη μεθοδολογία διάνοιξης του κόμβου/της διασταύρωσης των σηράγγων, που περιλαμβάνουν (αυτόνομα ή συνδυαστικά) τη διεύρυνση της διατομής για τη διάνοιξη (υπερ-εκσκαφή και υποστήριξη) της διασταυρούμενης σήραγγας εγγύς της περιοχής της διασταύρωσης και την προαιρετική ενίσχυση της περιοχής της διασταύρωσης με την κατασκευή (περιφερειακού/περιμετρικού) δακτυλίου από οπλισμένο σκυρόδεμα («κολάρου») μεταξύ της άμεσης υποστήριξης από εκτοξευόμενο σκυρόδεμα της διασταυρούμενης σήραγγας και του συνόρου του «ανοίγματος» της κύριας σήραγγας, την κατασκευή της τελικής επένδυσης από οπλισμένο σκυρόδεμα της κύριας σήραγγας πριν τη διάνοιξη της διασταυρούμενης σήραγγας, την κατασκευή φορέα μεταλλικών πλαισίων για την ενίσχυση της κύριας σήραγγας πριν τη διάνοιξη της διασταυρούμενης σήραγγας, την εφαρμογή πρόσθετων μέτρων άμεσης υποστήριξης για τη διάνοιξη της διασταυρούμενης σήραγγας, όπως η τοποθέτηση μεταλλικών πλαισίων, η δημιουργία ομπρέλας μεταλλικών δοκών προπορείας και η υποστήριξη του μετώπου διάνοιξης με αγκύρια από υαλονήματα. Επίσης, παρέχονται αντίστοιχα νομογραφήματα σχεδιασμού και αναλυτικές συσχετίσεις. Στο κεφάλαιο 4 της παρούσας διατριβής παρουσιάζονται ενδεικτικές (εμπειρικές, αναλυτικές, αριθμητικές, κλπ.) μεθοδολογίες για τον υπολογισμό των φορτίων και τον σχεδιασμό της άμεσης υποστήριξης της μονής σήραγγας. Επίσης, παρατίθενται στοιχεία σχετικά με τη φιλοσοφία και τις αρχές των συμβατικών μεθόδων διάνοιξης σηράγγων (κατασκευαστική αλληλουχία, ολομέτωπη ή τμηματική εκσκαφή και υποστήριξη, μέθοδοι σύγκλισης-αποτόνωσης, μέτρα άμεσης υποστήριξης, τύποι αστοχιών της περιβάλλουσας βραχομάζας). Επιπλέον, μελετάται το εμπειρικό κριτήριο αστοχίας Generalized Hoek-Brown, όπως διατυπώνεται από τους Kalos and Kavvadas (2017) στον 3Δ χώρο τάσεων, που χρησιμοποιείται στις αριθμητικές αναλύσεις που διενεργούνται στην παρούσα διατριβή για την προσομοίωση της συμπεριφοράς της περιβάλουσας βραχομάζας. Τέλος, γίνεται σύγκριση καταστατικών προσομοιωμάτων που μπορούν να συσχετιστούν (Generalized Hoek-Brown, Mohr-Coulomb και Drucker-Prager) και να χρησιμοποιηθούν για την συμπεριφορά της περιβάλουσας βραχομάζας ως προς την τασική απόκριση της περιβάλουσας βραχομάζας και τα φορτία που δρουν στην άμεση υποστήριξη της μονής σήραγγας. Στο κεφάλαιο 9 της παρούσας διατριβής συνοψίζονται τα συμπεράσματα που εξάγονται από την υπολογιστική διερεύνηση και οι προτάσεις για περαιτέρω έρευνα. Εν κατακλείδι, η παρούσα διατριβή επιχειρεί να συνεισφέρει στη μελέτη και την κατασκευή σηράγγων, προτείνοντας στο βαθμό του εφικτού ολοκληρωμένες μεθοδολογίες (νομογραφήματα σχεδιασμού και αναλυτικές συσχετίσεις) για τον υπολογισμό των εντατικών μεγεθών που αναπτύσσονται στην άμεση υποστήριξη δίδυμων σηράγγων και κόμβων/διασταυρώσεων σηράγγων, με βάση την επεξεργασία των αποτελεσμάτων μεγάλου αριθμού παραμετρικών 3Δ αριθμητικών αναλύσεων, για πλήθος εξεταζόμενων μεταβλητών παραμέτρων που υπεισέρχονται στη διάνοιξη σηράγγων.