In the present research a highway twin tunnel project completed in Japan in 1998 is used as a case study to verify results of numerical analyses with measurement data. Each of the tunnels had approximately 1.1 km of length. For this project a wide geometry of approximately 18.0 m was selected by the designers to facilitate three lanes per tunnel. A sequential tunneling technique known in Japan as the "TBM pilot and enlargement method" was used along with NATM principles. The tunnel was used as a reference project, involving performance testing and extensive monitoring in order to verify and standardize support requirements for other tunnels excavated under similar geologic conditions in the Tomei II expressway. The tunnel was excavated in a region consisting mainly of soft sedimentary rocks, such as locally weathered sandstone, underlain by interbedded sandstone and mudstone. Due to observed non symmetric deformations and loads in the tunnel, the distinct element and the convergence-confinement methods were used during the numerical simulations. A parametric analysis was performed initially in a pseudo-continuum approach to study the behavior of the wide tunnel geometry under various conditions. The effects of rock mass elastic modulus, in situ Ko ratio and boundary conditions are discussed. More complex parametric studies were performed in a stochastically generated model by using joint spatial data from geotechnical investigations. The Barton-Bandis constitutive law was assumed for the behavior of the joints. The sensitivity of the ground "characteristic curves" was examined by statistical variation of the joint shear strength parameters. A final simulation using the code UDEC and the convergence-confinement method yields interesting results which are comparable to the monitored data. / Master of Science

L’excavation d’un tunnel profond dans des terrains poussants pose des difficultés particulières de conception et d’exécution. Ce type de terrain est caractérisé par des fortes convergences en paroi du tunnel de nature différée et souvent anisotrope. Le comportement d’un tunnel excavé en terrain poussant est très influencé par la technique d’excavation utilisée. Le cas d’étude du tunnel routier du Fréjus et de sa galerie de sécurité permet d’illustrer ce phénomène. Il s’agit de deux tunnels parallèles qui montrent une configuration très intéressante étant donné qu’ils traversent des conditions géotechniques similaires et qu’ils sont creusés avec des techniques d’excavation différentes : le tunnel routier a été creusé par méthode conventionnelle à l’explosif tandis que la galerie de sécurité a été creusée avec un tunnelier à bouclier simple. Les mesures d’auscultation réalisées pendant l’excavation des deux tunnels ont été analysées et comparées. Des modélisations numériques pour simuler la réponse des deux tunnels ont été développées avec le logiciel Flac3D. Le comportement du terrain est simulé avec un modèle visco-elasto-plastique et anisotrope. L’anisotropie liée à la schistosité du terrain est introduite dans le modèle par la présence de plans de faiblesse d’orientation donnée (ubiquitous joint model) insérés dans une matrice rocheuse caractérisée par un comportement visco-elasto-plastique isotrope. Une rétro-analyse a été réalisée sur les mesures de convergence obtenues lors du creusement du tunnel routier du Fréjus. Le comportement du terrain identifié dans le tunnel routier est ensuite extrapolé pour prédire la réponse de la galerie de sécurité. L’objectif est de reproduire l’état des contraintes observé dans les voussoirs de la galerie de sécurité et d’extrapoler les sollicitations à long terme. L’influence que la technique d’excavation, en particulier sur le comportement différé du terrain a été prise en compte dans les simulations numériques. On a mis en évidence que les déformations différées du terrain sont réduites lorsque l’excavation est réalisée au tunnelier.Par ailleurs, une synthèse critique de la méthode convergence-confinement et de ses variantes a été réalisée. Une discussion a été menée sur l’applicabilité des méthodes convergence-confinent quand elles sont utilisées pour le dimensionnement des tunnels circulaires excavés en section pleine avec l’installation d’un soutènement raide près du front d’excavation comme c’est le cas lors d’une excavation au tunnelier. Dans ce contexte, un ensemble de formules empiriques sont proposées. Elles permettent d’obtenir avec une bonne précision l’état d’équilibre entre le terrain et le soutènement et peuvent être utilisées dans la phase de pré-dimensionnement des ouvrages / During the excavation of deep tunnels, squeezing ground conditions are often encountered. The squeezing behavior of the ground is characterized by large time-dependent and usually anisotropic convergences that take place at the tunnel wall. The technique of excavation has a strong influence on the tunnel response when it is excavated under squeezing conditions. This phenomenon is illustrated throughout the case study of the Fréjus road tunnel excavated with conventional drill and blast methods and of its safety gallery excavated with a single shield tunneling boring machine. They exhibit a very interesting configuration of two tunnels excavated in parallel under the same geotechnical conditions but with different excavation techniques. Monitored geotechnical data from both tunnels are analyzed and compared. Numerical simulations of both tunnels have been carried out with Flac3D. An anisotropic creep model which includes weakness planes of given orientation embedded in a visco-elasto-plastic matrix has been used for describing the behavior of the ground. A back-analysis of convergence measurements of the Fréjus road tunnel has been carried out. The behavior of the ground identified from the Fréjus road tunnel is extrapolated to predict the response of the Fréjus safety gallery in terms of the stress state in the lining. The influence of the technique of excavation on the time-dependent parameters of the ground is taken into account in the computations and its effects are discussed. It is shown that the long term ground deformation are significantly reduced with TBM excavation as compared to traditional blast and drill method.Furthermore, the convergence-confinement methods are reviewed and their applicability is discussed when they are applied to full face circular tunnels excavated in rock masses with a stiff support system near the face. In this context, a set of empirical formula are proposed which allows to accurately predict the equilibrium state between the ground and the lining in circular tunnels excavated in full section. These formula are useful in the preliminary phase of tunnel design

The backdrop for this research paper is the tunnelling that is currently nearing completion in the Epirus region of Northern Greece, as part of the Egnatia Odos Highway construction. Highly deformed and altered sediments and low grade rock masses dominate the near surface environment creating a variety of technical challenges for tunnelling. Accurate equivalent rock mass performance reductions for tunnels in these materials is complicated by geomorphologic peculiarities such as those found in Flysch materials. The mechanisms of rock-support interaction related to face or near-face reinforcement systems are poorly understood at this time. As well, the mechanics of weak rock materials in the complex deformation regime in advance of a tunnel face are not robustly integrated into current 2D design models. Design decisions are currently possible using empirical techniques and simplified models, but a true optimized and mechanicsbased design process for the various support technologies are not fully developed. This research addresses elements of such issues, such as: use of the Longitudinal Displacement Profile (LDP) of the Convergence-Confinement method of tunnel design, relating 2D numerical models to their distance from the face using the size of the plastic zone as an indicator, near face tunnel support analysis in weak rock masses, boundary condition assessment for numerical modelling of such weak rock masses, the influence of plasticity zones surrounding tunnel excavations, and modelling optimization techniques for weak rock tunnelling in order to optimize the design of such underground structures and better predict near-face deformation and yield development. This work involved the use of 2D and 3D numerical models of tunnel sequencing for numerical simulation of composite material behaviour and sequential tunnel deformation response. / Thesis (Ph.D, Geological Sciences & Geological Engineering) -- Queen's University, 2009-09-01 08:46:30.537

In this study, excavation of jet-grouted tunnels in ground with strong time-dependent behavior is analyzed. The constant growth of population has led to a constant increase in the price of lands and thus infrastructures. Underground alternatives are becoming more economical. Furthermore, advances in the construction technology have made it feasible to construct tunnels in difficult ground conditions. By providing a grouted arch ahead of the tunnel face, jet-grouting has proved effective for the stability and performance of tunnels in difficult conditions. Given the limited depth of jet-grouting into the face, the jet-grouted arch is loaded soon after installation, when the rigidity of the grouted material is growing significantly. The simultaneous loading and hardening of the jet-grouting makes the tunnel response depend on the excavation rate. Furthermore, in difficult tunneling conditions, the ground material is associated with highly viscous behavior. This behavior is synonymous with delayed deformation depending on the level and duration of the ground loading by the tunnel excavation. In order to show the importance of the time-dependent behaviors, the full-face and the sequential excavation method are compared using three-dimensional and two-dimensional finite element analyses. First, a three-dimensional model is constructed and its results are validated against available analytical solutions for time-independent behaviors. The hardening of the jet-grouting is then introduced into the model by embedding jet-grouting elements through the analysis. In order to account for the ground viscous behavior, an advanced viscoplastic constitutive model is adopted, numerically implemented in FORTRAN, and used in conjunction with finite element software ABAQUS. The excavation methods are compared for the well documented study case of Tartaiguille tunnel. The results indicate that the full-face method outperforms the sequential method in the studied case by installing the tunnel invert closer to the face. The two-dimensional analysis of the tunnel is conducted by using the convergence-confinement method. To this end, a new approach is introduced to use the method for tunnels in time-dependent conditions. The effect of the jet-grouting hardening and the ground viscous behavior is characterized within the new approach by deriving the ground convergence curves. The reverse dependency of these mechanisms on the tunnel advance rate leads to an optimum advance rate, at which minimum tunnel convergence develops. / text

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第21359号 / 工博第4518号 / 新制||工||1703(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 岸田 潔, 教授 三村 衛, 教授 木村 亮 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DGAM

Les projets de tunnels dans des milieux rocheux de faibles caractéristiques mécaniques, usuellement regroupés sous l'appellation sols indurés roches tendres (S.I.R.T.), se heurtent à de multiples difficultés. Ces matériaux présentent des spécificités de comportement qui les rendent atypiques dans les contextes usuels de la mécanique des sols comme de la mécanique des roches, compliquant les dimensionnements et pouvant engendrer des surcoûts importants pour les maîtres d'ouvrage. En se limitant aux S.I.R.T. modélisables par une approche continue, la non-linéarité du critère de rupture, les couplages hydromécaniques et la dépendance de la déformabilité à l'état de contrainte apparaissent comme des traits de comportements susceptibles d'influencer significativement la phase de creusement (équilibre à court terme). Bien que ces propriétés puissent être prises en compte de manière adéquate dans des modèles numériques, la pratique des calculs de tunnel a montré de longue date l'intérêt des méthodes simplifiées comme l'approche convergence-confinement. Elles permettent un prédimensionnement raisonnablement représentatif au moyen de formulations peu complexes et favorisent la réalisation d'études de sensibilité grâce à leur mise en œuvre simple et rapide. À partir d'une approche de type " milieux poreux ", prenant en compte la compressibilité des différents constituants du matériau, et d'une représentation adimensionnelle du critère de rupture de Hoek-Brown (incluant les régimes d'arête), de nouvelles formulations permettant le calcul des courbes caractéristiques du terrain sont donc présentées. Après s'être intéressé dans un premier temps à la seule non-linéarité du critère de rupture, avec un milieu monophasique, une complexification progressive du problème est mise en œuvre pour prendre en compte des situations biphasiques drainées ou non drainées. À chaque fois une résolution complète est proposée, aboutissant à des formulations explicites ou à des équations intégrables aisément par une méthode numérique à un pas. Un outil sous forme de tableur, directement utilisable et démontrant la simplicité de mise en œuvre des solutions établies, est systématiquement fourni. Le cas non drainé est ensuite complété par un schéma de calcul intégrant une élasticité non-linéaire de Fahey-Carter, avec la méthode des matrices de transfert. La partie finale du travail permet d'aborder l'applicabilité de ces développements analytiques à un cas réel, le tunnel d'Arbus. Elle souligne quelques difficultés de détermination de paramètres à partir de campagnes d'essais " standard " et insiste sur la variabilité naturelle des matériaux dans une géologie molassique du piémont pyrénéen. Ce contexte met en relief les avantages des méthodes développées : outre une représentation plus satisfaisante du comportement du milieu, elles permettent à peu de frais d'identifier les paramètres les plus influents sur l'équilibre massif - soutènement et d'aborder la problématique des incertitudes dans le dimensionnement. Les calculs font également ressortir l'intérêt des modèles à élasticité non linéaire, avec une prise en compte plus appropriée de la déformabilité du matériau mais aussi une réduction de la sensibilité du modèle à la variabilité des paramètres élastiques. Les approches présentées conservent néanmoins certaines limites, comme la nécessaire distinction des équilibres court terme et long terme, l'hypothèse de contrainte initiale hydrostatique qui se révèle au final assez forte et le problème de la représentation du soutènement qui mériterait d'être davantage approfondi même si des méthodes acceptables sont d'ores et déjà disponibles dans la littérature.

Les problèmes étudiés dans cette thèse relèvent du cadre général de la modélisation des tunnels profonds. Ce travail traite essentiellement de l'interaction complexe entre massif et soutènement. Initialement, on réalise une approche expérimentale portant sur l'optimisation du dimensionnement des soutènements des galeries dans des roches viscoplastiques. Une modélisation numérique fine de ce problème d'interaction massif viscoplastique-soutènement plastique est mise en oeuvre et permet de bien interpréter le comportement de la galerie expérimentale de Mol (Belgique). Ensuite, on s'intéresse à l'aspect 3D du creusement des tunnels a l'aide de la méthode numérique d'activation/désactivation des éléments en axisymétrie. On montre, par la réalisation d'abaques, que l'équilibre des tunnels dans les milieux viscoplastiques dépend largement de la rigidité et de la distance de pose du revêtement ainsi que de la vitesse de creusement de l'ouvrage. Dans la dernière partie, on compare les résultats donnés par notre méthode numérique d'une part, et par la méthode cv-cf d'autre part: on met en évidence les imprécisions de la méthode approchée cv-cf sous sa forme actuelle. Finalement, on propose une nouvelle méthode approchée en élasticité, qui conserve le formalisme de la méthode cv-cf, mais permet de mieux prendre en compte l'effet de la rigidité du soutènement sur la valeur de la convergence avant pose. Cette nouvelle méthode approchée conduit à des résultats tout a fait acceptables.