A soft computing approach to tunnel face stability in a probabilistic framework

Tunnel face is important for shallow tunnels to avoid collapses. In this study, tunnel face stability is studied with soft computing techniques. A database is created based on the literature which is used to train some broadly adopted soft computing techniques, ranging from linear regression to the artificial neural network. The soil dry density, cohesion, friction angle, cover depth and the tunnel diameter are used as the input parameters. The soft computing techniques state whether the face support is stable and predict the face support pressure. It is found that the artificial neural network outperforms the other techniques. The face support pressure is predicted with the artificial neural network for statistically distributed samples, and the failure probability is obtained with Monte Carlo simulations. In this way, the stability of the tunnel face can be reliably assessed and the support pressure can be estimated fairly accurately.

Numerical investigation of the tunnel face stability

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής, είναι η διερεύνηση της ευστάθειας μετώπου εκσκαφής, τόσο σε ρηχές όσο και σε βαθιές σήραγγες. Η παρούσα εργασία βασίστηκε σε ένα σύνολο (περισσοτέρων από 1600) αριθμητικών αναλύσεων με την χρήση του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Simulia Abaqus. Το σύνολο των αναλύσεων βασίστηκε σε τριδιάσταστα (3D) αριθμητικά προσομοιώματα, ώστε να μπορέσει να διερευνηθεί η επιρροή της τρίτης διάστασης στην ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής, αλλά και να μπορέσει να διερευνηθεί η επιρροή των μέτρων προϋποστήριξη του μετώπου, που έχουν δράση στην τρίτη διάσταση του χώρου.Η ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής βασίστηκε στην προκαλουμένη εξώθηση του μετώπου (παραμόρφωση μετώπου εκσκαφής προς το εσωτερικό της σήραγγας), λόγω της διάνοιξης της σήραγγας. Σε περιπτώσεις όπου η εξώθηση του μετώπου εκσκαφής αυξάνει ακαριαία με την προχώρηση της διάνοιξης της σήραγγας, το μέτωπο χαρακτηρίζεται ως ασταθές, επειδή η εδαφική μάζα τείνει να εισχωρήσει στο εσωτερικό της σήραγγας. Στο σύνολο των αριθμητικών αναλύσεων, η εξώθηση του μετώπου εκσκαφής εκφράστηκε με τον αδιάστατο παράγοντα (Ωh) και συσχετίστηκε με το αδίαστατο παράγοντα εδάφους (Λο), ο οποίος συνοψίζει τα μηχανικά χαρακτηριστικά του εδάφους και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της εκσκαφής. Η παρούσα έρευνα διερεύνησε τις ακόλουθες παραμέτρους που έχουν άμεση επιρροή στην ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής σηράγγων: a) την επιρροή των μηχανικών παραμέτρων του περιβάλλοντος εδάφους ή βραχόμαζας (αντοχή, παραμορφωσιμότητα) b) την επιρροή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της εκσκαφής (υπερκείμενα εκσκαφής, διάμετρος σήραγγας) c) την επιρροή των μέτρων προϋποστήριξη του μετώπου εκσκαφής.Για την προσομοίωση του εδάφους χρησιμοποιήθηκε το κριτήριο αστοχίας Mohr – Coulomb, ενώ στις περιπτώσεις βραχόμαζας το κριτήριο αστοχίας Generalized Hoek & Brown (2002), όπου και στις δυο προηγούμενες περιπτώσεις το γεωυλικού είχε γραμμικώς ελαστική – πλήρως πλαστική συμπεριφορά. Επίσης στις περιπτώσεις προϋποστήριξης του μετώπου εκσκαφής, έγινε συσχέτιση των προκαλούμενων συγκλίσεων της εκσκαφής στην περιοχή του μετώπου εκσκαφής με τις αντίστοιχες συγκλήσεις σε διδιάστατα (2D) αριθμητικά προσομοιώματα, χρησιμοποιώντας τον ισοδύναμο συντελεστή αποτόνωσης (λ). Με την μέθοδο αυτό μπορεί να αναλυθεί η ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής με ή χωρίς την παρουσία μέτρων προϋποστήριξης, σε απλές διδιάστατες αριθμητικές αναλύσεις.Η παρούσα διδακτορική διατριβή, διαρθρώνεται ως ακολούθως:Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή του σκοπού της παρούσας έρευνας.Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται παρουσίαση της μεθόδου εκσκαφής των σηράγγων (συμβατική και μηχανοποιημένη), καθώς και των μεθόδων σχεδιασμού των σηράγγων (εμπειρικά κριτήρια σχεδιασμού, μέθοδοι σύγκλισης – αποτόνωσης).Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή της συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής λόγω της διάνοιξης της σήραγγας, καθώς των μέτρων προϋποστήριξη του. Στην συνέχεια γίνεται εκτενής αναφορά στην βιβλιογραφία σχετικά με την ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής, με παράθεση εργαστηριακών μεθόδων, αναλυτικών λύσεων και αριθμητικών μεθόδων.Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή των αριθμητικών προσομοιωμάτων της παρούσας διατριβής, καθώς και των βασικών παραμέτρων και παραδοχών που ελήφθησαν υπόψιν στις αριθμητικές αναλύσεις. Επίσης περιγράφεται ο τρόπος που έγινε προσομοίωση της ομπρέλας των δοκών προπορείας.Στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιείται διερεύνηση της συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής σε περιπτώσεις που αυτό δεν υποστηρίζεται. Στην συνέχεια γίνεται συσχέτιση της προκαλούμενης εξώθησης του μετώπου με τα μηχανικά χαρακτηριστικά του εδάφους και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της εκσκαφής. Παράλληλα εξετάζεται η επιρροή της εξώθησης σε άλλα προκαλούμενα μεγέθη, όπως το εύρος της πλαστικής ζώνης και η σύγκλιση της σήραγγας. Στο έκτο κεφάλαιο πραγματοποιείται διερεύνηση της συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής σε περιπτώσεις που αυτό προϋποστηρίζεται από ομπρελά δοκών προπορείας (forepoling umbrella). Στην συνέχεια προσδιορίζεται η μείωση της εξώθησης του μετώπου εκσκαφής, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της ομπρέλας των δοκών προπορείας. Παράλληλα συσχετίζεται η επιρροή της εξώθησης στην σύγκλιση της σήραγγας, ενώ προσδιορίζεται ο ισοδύναμος βαθμός αποτόνωσης (λ) σε περίπτωση χρήσης δοκών προπορείας. Στο έβδομο κεφάλαιο πραγματοποιείται διερεύνηση της συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής σε περιπτώσεις που αυτό προϋποστηρίζεται από αγκύρια μετώπου (fiberglass nails). Στην συνέχεια προσδιορίζεται η μείωση της εξώθησης του μετώπου εκσκαφής, ανάλογα με την ισοδύναμη πίεση μετώπου από τα αγκύρια. Παράλληλα συσχετίζεται η επιρροή της εξώθησης στην σύγκλιση της σήραγγας, ενώ προσδιορίζεται ο ισοδύναμος βαθμός αποτόνωσης (λ) σε περίπτωση που εφαρμόζονται αγκύρια μετώπου εκσκαφής.Στο όγδοο κεφάλαιο πραγματοποιείται διερεύνηση της συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής σε περιπτώσεις που αυτό προϋποστηρίζεται από συνδυασμό αγκυρίων μετώπου (fiberglassnails) και ομπρέλας δοκών προπορείας (forepoling umbrella). Στην συνέχεια προσδιορίζεται η προκαλούμενη μείωση της εξώθησης του μετώπου εκσκαφής και συσχετίζεται η επιρροή της στην μείωση των συγκλίσεων της σήραγγας.Στο ένατο κεφάλαιο πραγματοποιείται διερεύνηση της μείωσης των διαστάσεων του μετώπου εκσκαφής, στην προκαλουμένη μείωση της εξώθησης, όταν το μέτωπο είναι ανυποστήρικτο ή προϋποστηρίζεται. Στο δέκατο κεφάλαιο γίνεται συσχέτιση της εξώθησης του μετώπου εκσκαφής, σε περιπτώσεις ρηχών σηράγγων, με τα αντίστοιχα προκαλούμενα μεγέθη των επιφανειακών καθιζήσεων, όπως μέγιστη καθίζηση και απώλεια εδαφικού όγκου. Στο ενδέκατο κεφάλαιο παρατίθενται τα βασικά συμπεράσματα της παρούσας εργασίας και οι προτάσεις για μελλοντική έρευνα.

Analisis Stabilitas dan Deformasi Terowongan Kereta Cepat Indonesia dengan Pendekatan Numerik Tiga Dimensi

ABSTRAKWilayah perkotaan yang didalamnya terdapat perkantoran dan tempat yang memiliki tingkat kegiatan yang sangat tinggi, menjadikan struktur terowongan bawah tanah sebagai salah satu solusi untuk meningkatkan infrastruktur transportasi secara optimal. Terowongan kereta cepat Indonesia merupakan salah satu terowongan yang dibangun dan berlokasi di Halim, DKI Jakarta. Terowongan dengan panjang 1.885 m ini memiliki jalur ganda (Double Track Railway). Untuk mengetahui stabilitas dan deformasi terowongan pada saat konstuksi, dilakukan analisis geoteknik. Analisis yang dilakukan yaitu analisis statik dan kondisi longterm dengan analisis dinamik. Tunneling Bore Machine (TBM) dengan sistem perkuatan linning precast dan grouting dipilih sebagai metode konstruksi untuk membangun terowongan. Pemodelan analisis statik menghasilkan deformasi terbesar 0,03056 m dan nilai faktor keamanan 1,869.Kata kunci: terowongan kereta cepat Indonesia, stabilitas, deformasi, faktor keamanan, TBM, PLAXIS 3D, linning, grouting ABSTRACTUrban areas with offices and places that have a very high level of activity make underground tunnel structures one of the solutions to optimally improve transportation infrastructure. The Indonesian fast train tunnel is one of the tunnels built and located at Halim, DKI Jakarta. The tunnel with a length of 1,885 m has a double track (Double Track Railway). To determine the stability and deformation of the tunnel during construction, a geotechnical analysis was performed. The analysis performed is static analysis and longterm conditions with dynamic analysis. Tunneling Bore Machine (TBM) with precast linning reinforcement and grouting system was chosen as the construction method for tunneling. Static analysis modeling produces the largest deformation 0.03056 m and a safety factor value of 1.869.Keywords: tunnel, face stability, deformation, safety factor, TBM, numerical method, PLAXIS 3D, linning, grouting

Design and Construction for Tunnel Face Stability: Theoretical and Modeling Approach

Tunneling is considered to be among the most important projects in all countries worldwide. However, interspersed, some tunnels rise to problems of instability during excavation. This chapter is a case study of the tunnel of “Djebel El Kantour” which is part of the East–West Algerian Highway. Face stability is the most critical problems that affect the subject of our research. This study is carried out via analytical and numerical methods based on the instability relationship, characteristics of the ground and the geometry of the tunnel, to draw conclusions and recommendations for overcoming this problem.