Numerical Modelling Analysis of Radial Deformations Around a Circular Tunnel Excavated in Weak Rock Masses

Abstract

Different causes such as technological developments, population growth, safety and comfort desired for travel have recently led to more tunnel opening. During the tunnel excavation, the deformation prediction of the rock mass around the tunnel is an important parameter for the support design. Researchers emphasize that the deformations behind of the advancing face in circular tunnels vary depending on distance to the face and proposed different equations that give longitudinal deformation profile (LDP) for circular underground openings. By using these equations, deformations around the tunnel can be estimated approximately. Numerical or physical modeling is required to predict deformations occurring in an underground opening. Numerical modeling method is more preferred because it is both easy and economical. In this study, a condition representing weak rock mass was determined and a circular opening which is 6,63 m in diameter in this rock mass condition was modelled for different depths (in situ stresses) based on the finite difference method. LDP curves for different depths using the deformation values obtained from models were created and the changes of depth-dependent deformation were investigated. These LDP curves obtained by modeling were compared with the equations in the literature. 

Keywords

• Radial deformation,Numarical modelling,Finite difference,Weak rock mass

Zayıf Kaya Kütlesinde Açılan Dairesel Kesitli Bir Tünelde Radyal Deformasyonların Sayısal Modelleme ile Analizi

Abstract

Teknolojik gelişmeler, nüfus artışı, seyahat için istenen güven ve konfor gibi farklı nedenler son zamanlarda daha fazla tünel açımına neden olmuştur. Tünel kazısı sırasında tünel çevresindeki kaya kütlesinde oluşacak deformasyonun tahmini tahkimat tasarımı için önemli bir parametredir. Araştırmacılar dairesel tünellerde tünel ilerleme yönünün arkasındaki deformasyonların aynaya olan mesafeye bağlı olarak değiştiğini vurgulamışlar ve dairesel kesitli yer altı açıklıkları için uzunlamasına deformasyon profilini (LDP) veren farklı eşitlikler önermişlerdir. Bu eşitlikler kullanılarak tünel çevresinde oluşacak deformasyonlar yaklaşık olarak tahmin edilebilmektedir. Bir yer altı açıklığında meydana gelecek deformasyonları daha net tahmin etmek için sayısal veya fiziki modellemeler yapılması gerekmektedir. Sayısal modelleme yöntemi hem kolay hem de ekonomik olması nedeniyle daha çok tercih edilmektedir. Bu çalışmada, zayıf kaya kütlesini temsilen bir koşul belirlenmiş ve bu kaya kütlesi koşulunda, 6,63 m kazı çapında açılmış dairesel bir tünel farklı derinlikler (arazi gerilmesi) için sonlu farklar yöntemine dayalı olarak modellenmiştir. Modellerden alınan deformasyon değerleri kullanılarak farklı derinlikler için LDP eğrileri oluşturulmuş ve derinliğe bağlı deformasyon değişimleri araştırılmıştır. Modelleme ile elde edilen bu LDP eğrileri, literatürdeki eşitlikler ile karşılaştırılmıştır.    

Keywords

• Radyal deformasyon,Sayısal modelleme,Sonlu farklar,Zayıf kaya kütlesi

References

1. [1] Corbetta, F., Bernaud, D., Nguyen-Minh, D., 1991. Contribution á la Méthode Convergerce-Confinement Parle Principe de la Similitude. Rev Fr Géotech, 54 (1991), 5-11.
2. [2] Panet, M., 1995. Calcul des Tunnels par la Methodede Convergence-Confinement. Presses de l'ENPC, Paris.
3. [3] Panet, M., Guenot, A., 1982. Analysis of Convergence Behind the Face of a Tunnel. Proceedings of the International Symposium on Tunneling, London, 197-204.
4. [4] Panet, M., 1993. Understanding Deformations in Tunnels. Comprehensive Rock Engineering, 1 (1993), 663-690.
5. [5] Carranza-Torres, C., Fairhurst, C., 2000. Application of the Convergence Confinement Method of Tunnel Design to Rock Masses that Satisfy the Hoek-Brown Failure Criterion. Tunnelling and Underground Space Technology, 15:2 (2000), 187-213.
6. [6] Hoek, E., 1999. Personal communication conducted by Carranza-Torres and Fairhurst. Taken from Carranza-Torres and Fairhurst (2000)'s paper.
7. [7] Chern, J.C., Shiao, F.Y., Yu, C.W., 1998. An Empirical Safety Criterion for Tunnel Construction. Proceedings of the Regional Symposium on Sediment Rock Engineering, Taipei, 222-227.
8. [8] Unlu, T, Gercek, H., 2003. Effect of Poisson's Ratio on the Normalized Radial Displacements Occurring Around the Face of a Circular Tunnel. Tunnelling and Underground Space Technology, 18 (2003), 547-553.

9. [9] Vlachopoulos, N., Diederichs, M.S., 2009. Improved Displacement Profiles for Convergence Confinement Analysis of Deep Tunnels. Rock Mechanics and Rock Engineering, 42 (2009), 131-146.
10. [10] Basarir, H., Genis, M., Ozarslan, A., 2010. The Analysis of Radial Displacements Occurring Near the Face of a Circular Opening in Weak Rock Mass. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 47 (2010), 771-783.
11. [11] FLAC3D, 2005. Manuals, FLAC3D Version 3.0. Itasca Consulting Group, Inc., Mill Place, Minnesota.
12. [12] Karpuz, C., Hindistan, M.A., 2006. Kaya Mekaniği İlkeleri, Uygulamaları. TMMOB Maden Müh. Odası Yay., Eylül 2006, Ankara, 346 s.
13. [13] Bieniawski, Z.T., 1973. Engineering Classification of Jointed Rock Masses. Trans S Afr Inst Civ Eng, 15 (1973), 335-344.
14. [14] Barton, N.R., Lien, R., Lunde, J, 1974. Engineering Classification of Rock Masses for the Design of Tunnel Support. Rock Mechanics, 6:4 (1974), 189-239.
15. [15] Hoek, E., Marinos, P., Benissi, M., 1998. Applicability of the Geological Strength Index (GSI) Classification for Weak and Sheared Rock Masses-the Case of the Athens Schist Formation. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 57:2 (1998), 151-160.
16. [16] Bieniawski, Z.T., 1989. Engineering Rock Mass Classifications. Wiley, New York, 251 s.
17. [17] Hoek, E., Brown, E.T., 1997. Practical Estimates or Rock Mass Strength. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 34:8 (1997), 1165-1186.
18. [18] Hoek, E., Brown, E.T., 1988. The Hoek-Brown Failure Criterion-1988 Update. Proceedings 15th Canadian Rock Mechanics Symposium, Toronto, 31-38.
19. [19] Hoek, E., Carranza-Torres, C. and Corkum, B. 2002. The Hoek-Brown Failure Criterion - 2002 Edition. Proc. NARMS-TAC, 267-273.
20. [20] Serafim, J.L., Pereira, J.P., 1983. Consideration of the Geomechanical Classification of Bieniawski. Proceedings of International Symposium on Engineering Geology and Underground Construction, 1 (II), Lisbon, 33-44.
21. [21] Teknik Rapor, 2016. TBM Hat Tünelleri ∅ 5.7m İç Çaplı Segment Kaplama Teknik Raporu. Dudullu-Bostancı Metrosu İnşaat ve Elektromekanik İşleri, Yer Altı Aktarma Merkezleri (otoparklar), Depo Alanı ile Yönetim Binası ve Kontrol Merkezi İnşaatı, 07.10.2016, 250 s.
22. [22] NTF PTK, 2008. NTF firmasına Ait Proje Tanıtım Kitapçığı. Beykoz-Kavacık Paşabahçe Tünel Yapımı, 250 s.
23. [23] Brown, E.T., Hoek, E., 1978. Trends in Relationships Between Measured and in Situ Stresses and Depth. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 15:4 (1978), 211-215.