In spite of the increasing diffusion of Tunnel Boring Machines, conventional tunnelling is still preferred for economical reasons when tunnels are either short or characterized by a particularly irregular cross section. Moreover, conventional tunnelling is more versatile, permitting adjustments of the excavation technique in case different soils are encountered during the excavation. In conventional tunnelling, the stability and, more in general, the mechanical response of tunnel faces, depending on the soil properties, the system geometry and the excavation technique, are a main concern. In case of particularly difficult conditions, it is common the employment of passive (fibre-glass) nails to support the front. This expensive and time consuming soil improvement technique is, nowadays, designed by employing either empirical approaches or very simplified theoretical formulas. This thesis has the ambition of introducing a new design approach based on the front displacements. To this purpose both numerical and experimental analyses of the mechanical response of unreinforced and reinforced deep tunnel fronts excavated within a homogeneous cohesive soil stratum have been performed. The 3D FEM numerical analyses campaign under undrained conditions permitted the introduction of a non-dimensional front characteristic curve, independent of the geometry and of the soil properties, allowing to estimate the front displacements without performing any numerical analysis. This curve was also generalized to the case of the reinforced front and was employed to introduce a new reinforcement design approach. The hydro-mechanical coupled system response was also taken into account. The numerical results clearly show that the excavation rate significantly affects the system response. The excavation rate can be employed as a design parameter to control the front displacements. The experimental campaign, consisting in a series of 1g small scale tests, analysed both unreinforced and reinforced deep tunnel fronts. The campaign was mainly focused on the analysis of the effects on the system response of the consolidation process taking place within the soil domain. The results of the experimental tests confirmed the severe influence of time on the system response and a satisfactory agreement with the numerical predictions was obtained.

Lo scavo tradizionale di tunnel è ancora preferito allo scavo meccanizzato nel caso di gallerie corte o caratterizzate da un tracciato particolarmente irregolare. Nello scavo tradizionale, in particolare in condizioni particolarmente difficili, una tecnica comunemente utilizzata è il rinforzo del fronte mediante tubi in vetroresina. Il progetto di questa tecnica di supporto del fronte è spesso basato su approcci empirici o su soluzioni teoriche semplificate. L'ambizione di questa tesi è l'introduzione di un nuovo approccio progettuale, basato sugli spostamenti del fronte. Per fare ciò si è eseguito uno studio numerico e sperimentale volto ad analizzare la risposta meccanica di fronti di scavo in materiale coesivo. Le analisi numeriche FEM hanno permesso l’introduzione di una curva caratteristica del fronte adimensionale, indipendente dalla geometria del sistema e dalle proprietà meccaniche. Tale curva permette di stimare gli spostamenti del fronte senza ricorrere ad analisi numeriche. Tale curva è anche stata generalizzata nel caso di fronte rinforzato, permettendo l’introduzione di una tecnica per la progettazione dei rinforzi del fronte. La risposta del sistema è anche stata analizzata considerando il comportamento idro-meccanico accoppiato. I risultati numerici mostrano chiaramente che la risposta del sistema è significativamente influenzata dal tempo. Nella campagna sperimentale si è analizzata la risposta meccanica di fronti non rinforzati e rinforzati mediante un modello fisico in piccola scala. La campagna sperimentale si è principalmente focalizzata sull’analisi dell’influenza dei processi di consolidazione sulla risposta meccanica del sistema. I risultati sperimentali hanno confermato la significativa influenza del tempo sulla risposta meccanica del sistema e si è ottenuto un accordo soddisfacente con le previsioni numeriche.

Mechanical response of reinforced deep tunnel fronts in cohesive soils: experimental and numerical analyses

FLESSATI, LUCA

Abstract

In spite of the increasing diffusion of Tunnel Boring Machines, conventional tunnelling is still preferred for economical reasons when tunnels are either short or characterized by a particularly irregular cross section. Moreover, conventional tunnelling is more versatile, permitting adjustments of the excavation technique in case different soils are encountered during the excavation. In conventional tunnelling, the stability and, more in general, the mechanical response of tunnel faces, depending on the soil properties, the system geometry and the excavation technique, are a main concern. In case of particularly difficult conditions, it is common the employment of passive (fibre-glass) nails to support the front. This expensive and time consuming soil improvement technique is, nowadays, designed by employing either empirical approaches or very simplified theoretical formulas. This thesis has the ambition of introducing a new design approach based on the front displacements. To this purpose both numerical and experimental analyses of the mechanical response of unreinforced and reinforced deep tunnel fronts excavated within a homogeneous cohesive soil stratum have been performed. The 3D FEM numerical analyses campaign under undrained conditions permitted the introduction of a non-dimensional front characteristic curve, independent of the geometry and of the soil properties, allowing to estimate the front displacements without performing any numerical analysis. This curve was also generalized to the case of the reinforced front and was employed to introduce a new reinforcement design approach. The hydro-mechanical coupled system response was also taken into account. The numerical results clearly show that the excavation rate significantly affects the system response. The excavation rate can be employed as a design parameter to control the front displacements. The experimental campaign, consisting in a series of 1g small scale tests, analysed both unreinforced and reinforced deep tunnel fronts. The campaign was mainly focused on the analysis of the effects on the system response of the consolidation process taking place within the soil domain. The results of the experimental tests confirmed the severe influence of time on the system response and a satisfactory agreement with the numerical predictions was obtained.
PAOLUCCI, ROBERTO
ARDITO, RAFFAELE
20-feb-2017
Lo scavo tradizionale di tunnel è ancora preferito allo scavo meccanizzato nel caso di gallerie corte o caratterizzate da un tracciato particolarmente irregolare. Nello scavo tradizionale, in particolare in condizioni particolarmente difficili, una tecnica comunemente utilizzata è il rinforzo del fronte mediante tubi in vetroresina. Il progetto di questa tecnica di supporto del fronte è spesso basato su approcci empirici o su soluzioni teoriche semplificate. L'ambizione di questa tesi è l'introduzione di un nuovo approccio progettuale, basato sugli spostamenti del fronte. Per fare ciò si è eseguito uno studio numerico e sperimentale volto ad analizzare la risposta meccanica di fronti di scavo in materiale coesivo. Le analisi numeriche FEM hanno permesso l’introduzione di una curva caratteristica del fronte adimensionale, indipendente dalla geometria del sistema e dalle proprietà meccaniche. Tale curva permette di stimare gli spostamenti del fronte senza ricorrere ad analisi numeriche. Tale curva è anche stata generalizzata nel caso di fronte rinforzato, permettendo l’introduzione di una tecnica per la progettazione dei rinforzi del fronte. La risposta del sistema è anche stata analizzata considerando il comportamento idro-meccanico accoppiato. I risultati numerici mostrano chiaramente che la risposta del sistema è significativamente influenzata dal tempo. Nella campagna sperimentale si è analizzata la risposta meccanica di fronti non rinforzati e rinforzati mediante un modello fisico in piccola scala. La campagna sperimentale si è principalmente focalizzata sull’analisi dell’influenza dei processi di consolidazione sulla risposta meccanica del sistema. I risultati sperimentali hanno confermato la significativa influenza del tempo sulla risposta meccanica del sistema e si è ottenuto un accordo soddisfacente con le previsioni numeriche.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/132073