Application of established analytical and numerical solutions to the design of a TBM Tunnel: case study of the Catania Metro

Tunnelling problems, like many geotechnical challenges, present significant complexities arising from soil behaviour, construction procedures, and in the case of TBM tunnels, the presence of segmental joints. Unlike the structural design of buildings or bridges, the analysis of tunnel structures is not as widely disseminated, highlighting the need for further research on reliable design methodologies. Furthermore, the field of geotechnical modelling has progressed rapidly with the development of increasingly sophisticated numerical software that integrates advanced constitutive models and detailed procedures for assessing soil–structure interaction. Nevertheless, the inherent variability of soil properties and the limited availability of experimental or field data make it essential to complement numerical analyses with analytical estimations, which provide fundamental order-of-magnitude references that enhance the interpretation and reliability of the numerical results. Over time, tunnelling engineering has developed several analytical formulations to estimate acting loads, internal forces, face pressure requirements, ground surface settlements, and tunnel lining deformations. Although these expressions rely on simplifying assumptions, they offer essential benchmark solutions against which more complex numerical analyses can be evaluated. This thesis presents a case study of a TBM tunnel located in Catania, southern Italy. The design process is divided into two components: a geotechnical analysis addressing face stability and ground response, and a structural assessment of the tunnel lining. Both stages are complemented by analytical calculations used to validate the numerical results and support a final discussion of the tunnel’s overall performance.

I problemi legati alla progettazione di gallerie, come molte altre sfide geotecniche, presentano notevoli complessità derivanti dal comportamento del terreno, dai metodi costruttivi e, nel caso delle gallerie realizzate con TBM, dalla presenza delle giunzioni segmentali. A differenza della progettazione strutturale di edifici o ponti, l’analisi delle opere in sotterraneo non è altrettanto diffusa, evidenziando la necessità di approfondire metodologie di dimensionamento affidabili. Inoltre, il campo della modellazione geotecnica ha registrato un rapido progresso grazie allo sviluppo di software numerici sempre più sofisticati, in grado di integrare modelli costitutivi avanzati e procedure dettagliate per la valutazione dell’interazione terreno–struttura. Tuttavia, la variabilità intrinseca delle proprietà dei terreni e la disponibilità limitata di dati sperimentali o di campo rendono indispensabile affiancare alle analisi numeriche stime analitiche, che forniscono riferimenti fondamentali dell’ordine di grandezza e contribuiscono a rafforzare l’interpretazione e l’affidabilità dei risultati numerici. Nel tempo, l’ingegneria delle gallerie ha sviluppato diverse formulazioni analitiche per la valutazione dei carichi agenti, delle sollecitazioni interne, dei requisiti di pressione al fronte, dei cedimenti superficiali e delle deformazioni dell’anello. Sebbene tali espressioni si basino su semplificazioni, esse rappresentano soluzioni di riferimento fondamentali per il confronto con analisi numeriche più complesse. La presente tesi propone uno studio di caso relativo a una galleria TBM situata nella città di Catania, nel sud Italia. Il processo di progettazione è articolato in due parti: l’analisi geotecnica, volta a valutare la stabilità del fronte e la risposta del terreno, e l’analisi strutturale, dedicata alle verifiche dell’anello di rivestimento. Entrambe le fasi sono integrate da calcoli analitici utilizzati per validare i risultati numerici e per supportare la discussione finale sulle prestazioni complessive della galleria.