Accurate predictions of ground-borne vibration levels in the vicinity of an underground railway are greatly sought after in modern urban centers. Yet the complexity involved in simulating the underground environment means that it is necessary to make simplifying assumptions about this system. One such commonly made assumption is to ignore the effects of nearby embedded structures such as piled foundations and neighbouring tunnels. Through the formulation of computationally efficient mathematical models, this dissertation examines the dynamic behaviour of these two particular types of structures. The effect of the dynamic behaviour of these structures on the ground-borne vibration generated by an underground railway is considered. The modelling of piled foundations begins with consideration of a single pile embedded in a linear, viscoelastic halfspace. Two approaches are pursued: the modification of an existing plane-strain pile model; and the development of a fully three-dimensional model formulated in the wavenumber domain. Methods for adapting models of infinite structures to simulate finite systems using mirror-imaging techniques are described. The interaction between two neighbouring piles is considered using the method of joining subsystems, and these results are extended to formulate models for pile groups. The mathematical model is validated against existing numerical solutions and is found to be both accurate and efficient. A building model and a model for the pile cap are developed, and are attached to the piled foundation. A case study is used to illustrate a procedure for assessing the vibration performance of pile groups subject to vibration generated by an underground railway. The two-tunnel model uses the superposition of displacement fields to produce a fully coupled model of two infinitely long tunnels embedded in a homogeneous, viscoelastic fullspace. The significance of the interactions occurring between the two tunnels is quantified by calculating the insertion gains that result from the existence of a second tunnel. The results show that a high degree of inaccuracy exists in any underground-railway vibration prediction model that includes only one of the two tunnels present.

O dimensionamento e verificação estrutural de túneis envolve diversos parâmetros geotécnicos e o controle de diversas variáveis estruturais como, por exemplo, a convergência (fechamento) da cavidade, a pressão atuante no revestimento e o nível de descompressão do maciço. O campo de deformações e tensões que se desenvolve no entorno do túnel dependerá da profundidade, da geometria da seção, da distribuição de cargas na superfície, da heterogeneidade e distribuição das camadas de solo, do comportamento mecânico conjunto do maciço e do revestimento, bem como do processo de escavação e colocação do revestimento. Esse trabalho trata de simulações numéricas do comportamento a longo prazo em túneis revestidos com concreto, incluindo túneis gêmeos. Portanto, o maciço foi considerado com uma lei de comportamento viscoplástica, com superfície de cedência de von-Mises acoplada no modelo reológico de Perzyna, e para o concreto, foi considerada uma lei viscoelástica através das formulações de fluência e retração constantes no CEB-MC90 adaptadas à teoria da solidificação de Bazant & Prasannan (1989ª, 1989b). Para esse estudo foram construídos scripts de modelos bidimensionais axissimétricos e tridimensionais no software ANSYS. A implementação do modelo do concreto é feita através do recurso de customização do material que o ANSYS disponibiliza: a subrotina UserMat. O processo de escavação e colocação do revestimento é simulado através do recurso de ativação e desativação dos elementos finitos considerando uma velocidade de avanço constante. Além da validação do modelo do concreto, é feita a validação dos modelos dos túneis em elasticidade, plasticidade e viscoplasticidade sem e com revestimento elástico através de expressões analíticas e o software GEOMEC91 desenvolvido por Bernaud (1991), demonstrando excelente conformidade. Nos exemplos testados, a influência da viscoelasticidade do concreto pode aumentar as deformações em até 40% em comparação com o revestimento elástico, e a proximidade dos túneis longitudinais em cerca de 15% (fazendo com que o campo de deformações deixe de ser puramente radial). Também é estudada a influência de galerias transversais. / The structural desing and verification of tunnels involves several geotechnical parameters and the control of several structural variables, such as the convergence (closure) of the cavity, the pressure over the linning and the level of decompression of the rockmass. The field of deformations and stresses developed around the tunnel will depend of the depth, section geometry, surface load distribution, mechanical behavior of the rockmass and linning, as well as the process of excavation and placement of the linning. This dissertation deals with numerical simulations of long-term behavior in concrete lined tunnels, including twin tunnels. Therefore, for the rockmass it was considered a viscoplastic behavior law, with von-Mises yield surface coupled in the rheology model of Perzyna, and for concrete, it was considered a viscoelastic law through creep and shrinkage formulations in the CEB-MC90 adapted to the solidification theory of Bazant & Prasannan (1989a, 1989b). For this study, scripts were constructed for two-dimensional axissimetric and three-dimensional models in the ANSYS software. The implementation of concrete model is done through the material customization capabilities that ANSYS makes available: the UserMat subroutine. The process of excavation and placement of the linning is simulated through the activation/deactivation of finite elements considering a constant speed of advance of tunnel. The models are validated in elasticity, plasticity and viscoplasticity without and with elastic linning through analytical expressions and the software GEOMEC91 developed by Bernaud (1991), demonstrating excellent conformity. In the examples tested, the influence of viscoelastictity of the concrete can increase the deformations by up to 40% compared to the elastic linning, and the proximity of the longitudinal tunnels by about 15% (making the strain field no longer purely radial). The influence of transverse galleries is also studied.

O dimensionamento e verificação estrutural de túneis envolve diversos parâmetros geotécnicos e o controle de diversas variáveis estruturais como, por exemplo, a convergência (fechamento) da cavidade, a pressão atuante no revestimento e o nível de descompressão do maciço. O campo de deformações e tensões que se desenvolve no entorno do túnel dependerá da profundidade, da geometria da seção, da distribuição de cargas na superfície, da heterogeneidade e distribuição das camadas de solo, do comportamento mecânico conjunto do maciço e do revestimento, bem como do processo de escavação e colocação do revestimento. Esse trabalho trata de simulações numéricas do comportamento a longo prazo em túneis revestidos com concreto, incluindo túneis gêmeos. Portanto, o maciço foi considerado com uma lei de comportamento viscoplástica, com superfície de cedência de von-Mises acoplada no modelo reológico de Perzyna, e para o concreto, foi considerada uma lei viscoelástica através das formulações de fluência e retração constantes no CEB-MC90 adaptadas à teoria da solidificação de Bazant & Prasannan (1989ª, 1989b). Para esse estudo foram construídos scripts de modelos bidimensionais axissimétricos e tridimensionais no software ANSYS. A implementação do modelo do concreto é feita através do recurso de customização do material que o ANSYS disponibiliza: a subrotina UserMat. O processo de escavação e colocação do revestimento é simulado através do recurso de ativação e desativação dos elementos finitos considerando uma velocidade de avanço constante. Além da validação do modelo do concreto, é feita a validação dos modelos dos túneis em elasticidade, plasticidade e viscoplasticidade sem e com revestimento elástico através de expressões analíticas e o software GEOMEC91 desenvolvido por Bernaud (1991), demonstrando excelente conformidade. Nos exemplos testados, a influência da viscoelasticidade do concreto pode aumentar as deformações em até 40% em comparação com o revestimento elástico, e a proximidade dos túneis longitudinais em cerca de 15% (fazendo com que o campo de deformações deixe de ser puramente radial). Também é estudada a influência de galerias transversais. / The structural desing and verification of tunnels involves several geotechnical parameters and the control of several structural variables, such as the convergence (closure) of the cavity, the pressure over the linning and the level of decompression of the rockmass. The field of deformations and stresses developed around the tunnel will depend of the depth, section geometry, surface load distribution, mechanical behavior of the rockmass and linning, as well as the process of excavation and placement of the linning. This dissertation deals with numerical simulations of long-term behavior in concrete lined tunnels, including twin tunnels. Therefore, for the rockmass it was considered a viscoplastic behavior law, with von-Mises yield surface coupled in the rheology model of Perzyna, and for concrete, it was considered a viscoelastic law through creep and shrinkage formulations in the CEB-MC90 adapted to the solidification theory of Bazant & Prasannan (1989a, 1989b). For this study, scripts were constructed for two-dimensional axissimetric and three-dimensional models in the ANSYS software. The implementation of concrete model is done through the material customization capabilities that ANSYS makes available: the UserMat subroutine. The process of excavation and placement of the linning is simulated through the activation/deactivation of finite elements considering a constant speed of advance of tunnel. The models are validated in elasticity, plasticity and viscoplasticity without and with elastic linning through analytical expressions and the software GEOMEC91 developed by Bernaud (1991), demonstrating excellent conformity. In the examples tested, the influence of viscoelastictity of the concrete can increase the deformations by up to 40% compared to the elastic linning, and the proximity of the longitudinal tunnels by about 15% (making the strain field no longer purely radial). The influence of transverse galleries is also studied.

O dimensionamento e verificação estrutural de túneis envolve diversos parâmetros geotécnicos e o controle de diversas variáveis estruturais como, por exemplo, a convergência (fechamento) da cavidade, a pressão atuante no revestimento e o nível de descompressão do maciço. O campo de deformações e tensões que se desenvolve no entorno do túnel dependerá da profundidade, da geometria da seção, da distribuição de cargas na superfície, da heterogeneidade e distribuição das camadas de solo, do comportamento mecânico conjunto do maciço e do revestimento, bem como do processo de escavação e colocação do revestimento. Esse trabalho trata de simulações numéricas do comportamento a longo prazo em túneis revestidos com concreto, incluindo túneis gêmeos. Portanto, o maciço foi considerado com uma lei de comportamento viscoplástica, com superfície de cedência de von-Mises acoplada no modelo reológico de Perzyna, e para o concreto, foi considerada uma lei viscoelástica através das formulações de fluência e retração constantes no CEB-MC90 adaptadas à teoria da solidificação de Bazant & Prasannan (1989ª, 1989b). Para esse estudo foram construídos scripts de modelos bidimensionais axissimétricos e tridimensionais no software ANSYS. A implementação do modelo do concreto é feita através do recurso de customização do material que o ANSYS disponibiliza: a subrotina UserMat. O processo de escavação e colocação do revestimento é simulado através do recurso de ativação e desativação dos elementos finitos considerando uma velocidade de avanço constante. Além da validação do modelo do concreto, é feita a validação dos modelos dos túneis em elasticidade, plasticidade e viscoplasticidade sem e com revestimento elástico através de expressões analíticas e o software GEOMEC91 desenvolvido por Bernaud (1991), demonstrando excelente conformidade. Nos exemplos testados, a influência da viscoelasticidade do concreto pode aumentar as deformações em até 40% em comparação com o revestimento elástico, e a proximidade dos túneis longitudinais em cerca de 15% (fazendo com que o campo de deformações deixe de ser puramente radial). Também é estudada a influência de galerias transversais. / The structural desing and verification of tunnels involves several geotechnical parameters and the control of several structural variables, such as the convergence (closure) of the cavity, the pressure over the linning and the level of decompression of the rockmass. The field of deformations and stresses developed around the tunnel will depend of the depth, section geometry, surface load distribution, mechanical behavior of the rockmass and linning, as well as the process of excavation and placement of the linning. This dissertation deals with numerical simulations of long-term behavior in concrete lined tunnels, including twin tunnels. Therefore, for the rockmass it was considered a viscoplastic behavior law, with von-Mises yield surface coupled in the rheology model of Perzyna, and for concrete, it was considered a viscoelastic law through creep and shrinkage formulations in the CEB-MC90 adapted to the solidification theory of Bazant & Prasannan (1989a, 1989b). For this study, scripts were constructed for two-dimensional axissimetric and three-dimensional models in the ANSYS software. The implementation of concrete model is done through the material customization capabilities that ANSYS makes available: the UserMat subroutine. The process of excavation and placement of the linning is simulated through the activation/deactivation of finite elements considering a constant speed of advance of tunnel. The models are validated in elasticity, plasticity and viscoplasticity without and with elastic linning through analytical expressions and the software GEOMEC91 developed by Bernaud (1991), demonstrating excellent conformity. In the examples tested, the influence of viscoelastictity of the concrete can increase the deformations by up to 40% compared to the elastic linning, and the proximity of the longitudinal tunnels by about 15% (making the strain field no longer purely radial). The influence of transverse galleries is also studied.