Comparison of the results of analytical and numerical models of pre-reinforcement in shallow tunnels

• Autorzy: Peila D. , Marchino C. , Todaro C. , Luciani A.

Identyfikatory

DOI

10.1515/ace-2017-0045

Warianty tytułu

PL

Porównanie wyników analitycznych i numerycznych modeli wstępnego wzmocnienia w płytkich tunelach

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The steel pipe umbrella is a widely used technology when tunnelling in weak soils in order to create pre-support ahead of the tunnel face. The design of steel pipes is frequently done through simplified analytical approaches which are easy to apply but require proper assessment of the loads acting on the pipe. To provide information on this key design aspect, the results of the comparison between a three-dimensional numerical model developed with the code FLAC 3D and an analytical model based on the approach of a beam on yielding supports is presented and discussed. The comparison refers to a shallow tunnel with an overburden of three times its diameter for two different types of weak rock masses. The obtained results provide suggestions about the load that has to be applied in the analytical model for the design phase.

PL

System parasolowy rury stalowej jest techniką wzmocnienia gruntowego, szeroko stosowaną w drążeniu tuneli w ubogich glebach, często połączoną ze wzmocnieniem czołowym z wykorzystaniem rur z włókien szklanych. Rury stalowe są instalowane w ziemi na koronie granicy tunelu, w części czołowej tunelu, w celu poprawy zdolności samonośnych ośrodka skalnego, tym samym umożliwiając bezpieczny montaż podpór (stalowych łuków i torketu), jak również w płytkich tunelach, w celu zapewnienia stabilności podłoża i zmniejszenia ilości osadów. Technologia ta jest często łączona z instalacją rur z włókien szklanych wykorzystywanych do stabilizacji części czołowej tunelu i zapewnienia bezpiecznego osadzania rur w glebie. Projekt jest często realizowany za pomocą uproszczonych metod analitycznych, w oparciu o definicję obciążeń zewnętrznych działających na rurę, która jest modelowana jako belka na podporach. Trójwymiarowe modele numeryczne są również często stosowane, ale ma na nie wpływ złożoność procedury obliczeniowej oraz trudności i niepewności związane z inicjalizacją i interpretacją wyników modelu numerycznego. Ponadto, opracowanie trójwymiarowego modelu stanowi nadal skomplikowaną i czasochłonną procedurę. Podejście analityczne, które jest zwykle stosowane, wymaga schematyzowania każdej rury jako belki poddanej rozłożonemu naciskowi. Połączenia rury ze stalowymi żebrami zainstalowanymi w wykopanej części tunelu są symulowane jako podpory punktowe. Belka jest osadzana w części czołowej tunelu, w glebie lub ośrodku skalnym, dlatego też rura łącząca się z podłożem jest modelowana za pomocą sprężyn, które można zaprojektować zgodnie ze schematem Winklera, jak ma to zwykle miejsce w fundamentowaniu.

Słowa kluczowe

EN

tunnel construction; shallow tunnel; preliminary strengthening; reinforcement; steel pipe; numerical modelling; analytical model

PL

tunel płytki; budowa; wzmocnienie wstępne; zbrojenie; rura stalowa; modelowanie numeryczne; model analityczny

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 63, nr 4
• Strony: 135--147
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Peila D.

• Politecnico di Torino, Torino, Italy

autor

Marchino C.

autor

Todaro C.

• Politecnico di Torino, Torino, Italy

autor

Luciani A.

• Politecnico di Torino, Torino, Italy

Bibliografia

• 1. C.O. Aksov, T. Onargan, “The role of umbrella arch and face bolt as deformation preventing support system in preventing building damages”, Tunnelling and Underground Space Technology, 25 (5), pp. 553–559, 2010
• 2. G. Barisone, S. Pelizza, B. Pigorini, “Umbrella arch method for tunnelling in difficult conditions - Analysis of Italian cases”. Proc. of IV International Association of Eng. Geol. New Delhi. Volume IV, Theme 2. pp.15-27, 1982
• 3. Barisone G., Pelizza S., Pigorini B. “Italian Experiences with Tunnel Portals in Difficult Ground”. Proc. of Eurotunnel ’83, Basel, Switzerland. pp.157-163, 1983
• 4. F. Barpi, M. Barbero, D. Peila “Numerical modelling of ground-tunnel support interaction using bedded-beamspring model with fuzzy parameters”. Gospodarka Surowcami Mineralnymi, vol. 27 n. 4, pp. 71-87, 2011
• 5. Z. T. Bieniawski. “Engineering rock mass classifications: a complete manual for engineers and geologists in mining, civil and petroleum engineering”, A. Wiley and Sons, New York, 1989
• 6. J.E. Bowles, “Foundation analysis and design”, Mc Graw Hill,Milano, 1988
• 7. G. Carrieri, A. De Donati, P.G. Grasso, A. Mahtab, S. Pelizza, “Ground Improvement for Rapid Advance of Lonato Road Tunnel near Verona”, Italy. 8th Annual Conference of Tunnelling Association of Canada, Vancouver, Canada. pp.243-254, 1983
• 8. G. Carrieri, R. Fiorotto, P.G. Grasso, S. Pelizza. “Twenty years of experience in the use of the umbrella-arch method of support for tunnelling”. International Workshop on micropiles, Venice, 2002
• 9. G. Galli, A. Grimaldi, A. Leonardi, “Three-dimensional modelling of tunnel excavation and lining”, computers and Geotechnics, 31(3), pp. 171–183, 2004
• 10. E. Hoek, “Big tunnels in bad rock”. 2000 Terzaghi lecture, ASCE Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 127(9), pp. 726-740, 2001
• 11. E. Hoek , C. Carranza-Torres, M. Diederichs, B. Corkum; “Integration of geotechnical and structural design in tunnelling”, The 2008 Kersten Lecture, Opening Keynote Address, 56th Annual Geotechnical Engineering Conference, Minneapolis, 2008
• 12. R. Lancellotta, J. Calavera, “Fondazioni”, Mc Graw Hill, Milano, 1999
• 13. P. Lunardi, “Design and construction of tunnels - Analysis of Controlled Deformation in Rock and Soils (ADECO-RS), Springer, 2008
• 14. C. Marchino, L. Borio, D. Peila, “Analisi mediante modellazione numerica e modelli analitici di un presostegno con infilaggi in gallerie superficiali”, Geoingegneria Ambientale e Mineraria, XLVII (3), pp. 67-72, 2010
• 15. D. Merlini, D. Stocker , “Galleria di base del Ceneri, aspetti progettuali e costruttivi del contro-avanzamento al portale sud”; Geoingegneria Ambientale e Mineraria, 134(3), 2001
• 16. P.P. Oreste, D. Peila, A. Poma, “Numerical study of Low depth Tunnel Behaviour”. Proc. of International World Tunnel Congress ’99, Oslo. pp.155-162, 1999
• 17. P.P. Oreste, D. Peila, A new theory for steel pipe umbrella design in tunnelling. Proc. of International Tunnel Congress “Tunnel and Metropoles”, San Paolo. pp.1033-1040, 1998
• 18. P.P. Oreste, D. Peila. “I consolidamenti come mezzo per permettere lo scavo meccanizzato di gallerie”. MIR 2000, Ed. Barla, Patron Editore, Torino, 2000
• 19. D. Peila, D. Martinelli, A. Luciani, „Uso delle gallerie per la stabilizzazione di versanti in frana”, Geoingegneria Ambientale e Mineraria, 148 (2), pp. 61-66, 2016
• 20. D. Peila, “A theoretical study of reinforcement influence on the stability of tunnel face”. Geotechnical and Geological Engineering. Volume 12, Chapman & Hall, London. pp.145-168, 1994
• 21. D. Peila, S. Pelizza, “Ground reinforcing and steel pipe umbrella system in tunnelling”, In: Rational Tunnelling, Advances in Geotechnical Engineering and Tunnelling, 8, Kolymbas Ed., Logos Verlag, Berlin pp. 93-132, 2003
• 22. S. Pelizza, D. Peila, “Soil and rock reinforcements in tunnelling”, Tunnelling and Underground Space Technology , vol. 8(3), pp. 357-372, Pergamon Press, Oxford (UK), 1993
• 23. J. Shin, Y. Choi, O. Oh-Yeob Kwo, S. Lee, “Model testing for pipe-reinforced tunnel heading in a granular soil”, Tunnelling and Underground Space Technology 23, pp. 241–250, 2008
• 24. W. Schubert, “Experience of tunnel construction in weak ground”, Geomechanics and Tunnelling, 4(3), pp. 211–220, 2011
• 25. A. Sorlini, A. Eusebio, C. Sacco, “Una strada di montagna al mare. La nuova viabilità di accesso a Monte Scarpino”, Genova, Geoingegneria Ambientale e Mineraria, 135(1), 2012
• 26. G.M. Volkmann, W. Schubert, “Geotechnical model for pipe roof supports in tunnelling”, Ing. Conference Underground Space – the 4th Dimension of Metropolises , Barták, Hrdina, Romancov & Zlámal (eds), Taylor & Francis Group, London, 2007
• 27. G. Volkmann, E. Button, W. Schubert, “A Contribution to the Design of Tunnels Supported by a Pipe Roof”; The 41st U.S. Symposium on Rock Mechanics (USRMS), June 17–21 2006; Golden, CO, American Rock Mechanics Association, 2006