Advanced tunnel face stability analyses considering free span, reinforcement and drainage

Yi, Congke (2021). Advanced tunnel face stability analyses considering free span, reinforcement and drainage. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.68675.

Description

Title: Advanced tunnel face stability analyses considering free span, reinforcement and drainage
Author/s:
  • Yi, Congke
Contributor/s:
  • Jiménez Rodríguez, Rafael
  • Senent Domínguez, Salvador
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ingeniería y Morfología del Terreno
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

This PhD thesis investigates several aspects that affect the stability of the tunnel face, such as the free span and pore water pressures. It also analyzes stabilization measures for these situations: a forepole umbrella is adopted as the representative reinforcement measure for tunnels with a free span, whereas advance drainage boreholes are considered for tunnels constructed under the water table. The thesis analyzes the tunnel face stability employing different collapse mechanisms developed in the framework of the Limit Analysis method. Numerical simulations (built in the FLAC3D and OptumG2 codes) are used to support the Limit Analysis methodology and to validate its main results: the failure geometry and the collapse pressure of the tunnel face. Moreover, other analytical solutions proposed in the literature, both in the frameworks of Limit Equilibrium and of Limit Analysis are used as benchmarks to illustrate the capabilities of the proposed approach. For tunnels excavated with a free span, an advanced Limit Analysis collapse mechanism is proposed first; then, the influence of the unsupported length on the stability of the tunnel face is analyzed, depending on the soil strength parameters. The effects of a forepole umbrella are investigated by introducing its reinforcement contribution into the free span mechanism with the assumption of two failure modes for the forepole element: shear failure and bending moment failure. For tunnels under the water table with advance drainage boreholes, the thesis firstly studies the face stability under steady-state conditions, proposing a Limit Analysis collapse mechanism that employs the pore water pressure distribution computed by numerical modeling. The effects of the advance drainage boreholes (on the failure geometry and on the collapse pressure) are studied considering the borehole arrangement, water level height and tunnel overburden. Then, the stability of the tunnel face under transient conditions is studied. Finally, the relationship between surface settlements and support pressure applied on the tunnel face is used to study the effects of advance drainage on excavation performance and stability. ----------RESUMEN---------- Esta tesis doctoral investiga dos aspectos que afectan a la estabilidad del frente del túnel: el vano libre (o longitud del túnel sin revestir) y las presiones de poro, estudiando posibles medidas de estabilización antes estos factores. De manera concreta, se analiza el efecto de los paraguas de micropilotes, al considerar el efecto del vano libre, y el drenaje mediante perforaciones en el frente, en el caso de túneles ejecutados bajo el nivel freático. La tesis doctoral analiza la estabilidad del frente del túnel mediante diferentes mecanismos de rotura desarrollados en el marco del Análisis Límite. Asimismo, se emplean simulaciones numéricas (mediante los códigos FLAC3D y OptumG2) como apoyo a las metodologías de Análisis Límite y para validar los resultados obtenidos por los mecanismos de rotura: la geometría de fallo y la presión de colapso del frente del túnel. Igualmente, se utilizan otras soluciones analíticas propuestas en la literatura, tanto en el marco del Equilibrio Límite como del Análisis Límite, para mostrar las posibilidades de los desarrollos propuestos y para comparar los resultados de los diferentes planteamientos. Para el estudio sobre el vano libre se propone, en primer lugar, un mecanismo de rotura (como solución de contorno superior) formado por bloques traslacionales y rotacionales. Mediante dicho mecanismo se estudia el efecto de la longitud sin sostenimiento en la estabilidad del frente en función de los parámetros resistentes del material donde se excava el túnel. A continuación, se investiga el efecto estabilizador del paraguas de micropilotes. Para ello, se introduce su contribución en el mecanismo de rotura asumiendo dos modos de fallo del micropilote: fallo por cortante y fallo por flexión. Se propone una metodología, desarrollada a partir de simulaciones numéricas, para la estimación del espesor de la superficie de rotura en el mecanismo de fallo por flexión, pudiendo, a partir de dicha estimación, obtener el valor de la presión de colapso del frente de un túnel reforzado con un paraguas de micropilotes. Para túneles ejecutados bajo el nivel freático, el estudio se centra, en primer lugar, en la estabilidad del frente bajo la condición de flujo estacionario. Para ello se propone una metodología a partir de un mecanismo de rotura en el marco del Análisis Límite y en la interpolación de las presiones de poro calculadas mediante un modelo numérico. Se estudia el efecto del drenaje sobre la geometría de la rotura y sobre la presión de colapso en función de la disposición de los drenes, de la altura del nivel freático y del recubrimiento sobre clave. Seguidamente, se estudia la estabilidad del frente del túnel bajo la condición de flujo transitorio. Teniendo en cuenta la relación entre las subsidencias producidas en superficie, debidas a la deformación de la excavación y al drenaje, y la presión de sostenimiento aplicada, se estudia el efecto del drenaje en la estabilidad del frente.

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Item ID: 68675
DC Identifier: https://oa.upm.es/68675/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:68675
DOI: 10.20868/UPM.thesis.68675
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 13 Oct 2021 10:49
Last Modified: 13 Oct 2021 10:57
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