Analysis of the behaviour of the Lilla tunnel circular lining

The Lilla tunnel suffered significant expansive displacement and swelling pressures during construction and consequent operation due to gypsum crystals growth in rock massif discontinuities. The heaves severely affected the tunnel and led to the construction of a circular section with a highly reinforced high-strength concrete lining. The thesis analyses the behaviour of the definitive circular lining of the well-documented case history of Lilla tunnel, excavated in Tertiary sulfated claystones. The aim of the thesis is to predict Lilla tunnel circular lining behaviour through the development of numerical models for the simulation of rock mass expansion phenomena and the reproduction of swelling pressure action against the circular lining. The research presents two different modelling procedures to address the resisting structure response under extreme swelling pressure. Model capabilities have been checked against long-term monitoring of the reinforced tunnel in terms of stresses developed in the support and heave pressures exerting on the lining. The performance of a two-dimensional plane strain analysis permits to achieve better knowledge of the recorded swelling pressure extreme variability across the width of a particular section and along the length of the tunnel. Various distributions of loads have been considered to explain the anhydritic rock behaviour and its interaction with the Lilla tunnel circular lining. The sets of imposed loads in all the analyses performed follow the same distribution observed in the pressures measured along the tunnel. Three different circular cross sections represent the benchmarks to test formulation assumptions and suitability of the model; specifically, the comparison relates the estimated stresses from simulations with measured stresses in reinforcement. The results lead to discrepancies between monitoring data and model predictions and show the importance of the three-dimensional effects in the problem analysed. The model loading distributions do not capture the stresses developed in the lining due to rock expansive behaviour. Afterwards, a three-dimensional numerical model simulates the Lilla tunnel circular lining when subjected to localized swelling loads. Different swelling loads allocations, obtained through a statistic distribution deriving from measured stresses, have been reproduced to model the real swelling pressure pattern exerting on the invert of the tunnel. Numerical analyses focus on the structural behaviour of the circular lining in terms of stresses. The outcome provides information on the spatial distribution of the swelling pressure. Measured hoop stresses in the resisting structure have been used to verify the accuracy of the results. Model calculations and measurements agree reasonably well and provide a valuable information on the distribution that swelling punctual loads have to assume to reproduce stresses in the field. To give a reliable interpretation of measured stresses loads should be applied at 0,5 m.

Il tunnel Lilla ha subito importanti deformazioni di espansione e pressioni di rigonfiamento durante la sua costruzione a causa della precipitazione di cristalli di gesso nelle discontinuità del massiccio roccioso. Il caso del tunnel Lilla è ben documentato. I rigonfiamenti hanno compromesso gravemente il tunnel e hanno portato alla costruzione di una sezione circolare con un rivestimento in calcestruzzo ad alta resistenza altamente rinforzato. La tesi analizza il comportamento del rivestimento circolare del tunnel Lilla, scavato in roccia argillosa solfatica del Terziario. L'obiettivo della tesi è quello di prevedere il comportamento del rivestimento circolare del tunnel attraverso modelli numerici che consentano la simulazione del fenomeno di espansione della roccia e la riproduzione dell'azione delle pressioni di rigonfiamento contro il rivestimento circolare. La ricerca presenta due diversi modelli per affrontare la risposta della struttura soggetta a pressioni di gonfiamento. Le capacità dei modelli si confrontano con i dati del monitoraggio del tunnel a lungo termine in termini di sforzi prodotti nel rivestimento e di pressioni di rigonfiamento. Lo studio di un'analisi di deformazione piana fornisce una migliore comprensione degli effetti delle pressioni di rigonfiamento, la cui estrema variabilità è stata registrata sia in una stessa sezione trasversale sia lungo la galleria. Vengono considerate diverse distribuzioni di carichi per riprodurre il comportamento della roccia e la sua interazione con il rivestimento. L’insieme di carichi imposti nelle analisi riflette la stessa distribuzione osservata nelle pressioni di rigonfiamento misurate contro il tunnel. Si fa riferimento a tre sezioni circolari particolarmente strumentate che rappresentano punti di riferimento per convalidare le ipotesi e l'adeguatezza del modello, attraverso il confronto tra gli sforzi calcolati nel rivestimento e quelli misurati nell'armatura. I risultati portano a discrepanze tra i dati del monitoraggio e le previsioni del modello e mostrano l'importanza degli effetti tridimensionali del problema analizzato. Il modello non cattura gli sforzi nel rivestimento causati dal rigonfiamento della roccia. Successivamente, viene considerato un modello numerico tridimensionale per simulare il comportamento del rivestimento circolare del tunnel Lilla sottoposto a carichi di rigonfiamento localizzati. Si considerano diverse combinazioni di carico per modellare le pressioni di rigonfiamento esercitate dal massiccio roccioso contro il tunnel, che son state ottenute attraverso l’analisi della distribuzione statistica delle pressioni di rigonfiamento misurate contro il rivestimento. Le analisi numeriche si concentrano sullo studio degli sforzi prodotti nel rivestimento circolare. I risultati della simulazione tridimensionale forniscono informazioni sulla distribuzione spaziale delle pressioni di rigonfiamento. Gli sforzi circonferenziali misurati nel rivestimento vengono utilizzati per verificare l'accuratezza dei risultati numerici. I risultati ottenuti dal modello e i dati del monitoraggio concordano ragionevolmente e forniscono preziose informazioni sulla distribuzione che i carichi puntuali di rigonfiamento devono avere per riprodurre le tensioni misurate sul campo. Lo studio mostra che i carichi di rigonfiamento devono essere applicati ad una distanza di 0,5 metri uno dall’altro per fornire un'interpretazione affidabile degli sforzi misurati.