A numerical approach for the analysis of deep tunnels in fire conditions

Tunnel infrastructure is increasingly subjected to complex hazards, with fire scenarios posing significant risks to structural integrity and operational safety. This study presents a comparative investigation of numerical strategies for analyzing the behavior of deep tunnel linings exposed to fire conditions. A distinct modeling approach are developed using the finite element software ABAQUS: Incorporating excavation and staged support installation through model change interaction. The models simulate the thermo-mechanical response of concrete linings subjected to RWS (Rijkswaterstaat) fire and modified hydrocarbon fire curves over a 4-hour duration. The material behavior of siliceous and calcareous concrete at elevated temperatures is implemented via Eurocode-based thermal degradation laws, supported by custom MATLAB routines. The effects of soil stiffness and lining thickness are explored through parametric analysis, with a focus on internal force redistribution at the tunnel crown and mid-lining. Results reveal that accounting for excavation and support sequencing does not significantly affect the distribution and magnitude of bending moments and axial forces during the fire phase. The conclusions drawn from this study are primarily comparative in nature, reflecting the relative influence of key parameters such as soil stiffness, lining thickness, and fire curve characteristics on tunnel lining behavior under elevated temperatures. Provided that the adopted modeling assumptions remain valid, and that the results are consistent with alternative simulations (e.g., SAFIR), the outcomes offer meaningful insight into the mechanics of fire-exposed tunnel linings. Parametric analyses highlight the role of stiffness ratio and boundary conditions in shaping internal force evolution. These findings support the development of performance-based design guidelines, while also identifying directions for future refinement, including the incorporation of spalling behavior and natural fire scenarios.

Le infrastrutture in galleria sono sempre più esposte a pericoli complessi, con l'incendio che rappresenta un rischio significativo per l'integrità strutturale e la sicurezza operativa. Questo studio presenta un’indagine comparativa di strategie numeriche per analizzare il comportamento dei rivestimenti di gallerie profonde esposti a condizioni d'incendio. È stato sviluppato un approccio di modellazione utilizzando il software agli elementi finiti ABAQUS, che incorpora lo scavo e l’installazione progressiva del sostegno attraverso funzioni avanzate di interazione e cambio di modello. I modelli simulano la risposta termo-meccanica di rivestimenti in calcestruzzo sottoposti alle curve d’incendio Rijkswaterstaat (RWS) e idrocarburi modificata (HCM) per una durata di 4 ore. Il comportamento dei materiali in calcestruzzo siliceo e calcareo ad alte temperature è implementato tramite leggi di degrado termico basate sull’Eurocodice, supportate da routine MATLAB personalizzate. Gli effetti della rigidezza del terreno e dello spessore del rivestimento sono indagati mediante analisi parametriche, con particolare attenzione alla redistribuzione degli sforzi interni in chiave e a metà altezza del rivestimento. I risultati mostrano come la messa in conto della sequenza di scavo e posa del sostegno non influisca in modo significativo sulla distribuzione e sull’entità dei momenti flettenti e delle forze assiali durante la fase d’incendio. Tuttavia, il modello che include le fasi di scavo mostra una distribuzione degli sforzi e un quadro di fessurazione termica più realistici. Questi risultati evidenziano l’importanza della scelta di ipotesi di modellazione adeguate per una progettazione antincendio delle strutture in galleria. Vengono infine fornite raccomandazioni per futuri sviluppi, in particolare sull’integrazione del fenomeno dello scoppio esplosivo e sull'utilizzo di curve di incendio più realistiche.