Determination of Deformation Distribution around Modified Horseshoe Cross-sectional Tunnels in Weak Rock Mass

Yıl 2021, , 934 - 944, 31.08.2021

Alaattin Sakcalı

https://doi.org/10.35414/akufemubid.935746

Cited By: 1

Öz

Characterization of deformations occurring in the rock mass around the tunnel after tunnel excavation can be used as an auxiliary tool for support design. After the tunnel excavation, the deformations in front and behind of the tunnel face in perpendicular direction can be determined with the longitudinal deformation profile (LDP). There are equality proposals by considering the effects of different parameters for the establishment of the LDP in the literature. These equations are proposed for circular section tunnels by assuming that tunnel excavation is carried out under hydrostatic conditions. The highway tunnels in Turkey are generally opened with modified horseshoe cross-section and difficulties are encountered in precisely predicting deformations around the tunnel face. It is possible to analyze the deformations in the rock mass around the tunnel by numerical modeling. In this study, the most preferred modified horseshoe cross-sectional tunnels of 2 different sizes in highway tunnel excavation in Turkey are discussed. The tunnel excavations to be opened in the weak rock mass in the determined sections were modeled with FLAC3D based on finite difference method. In addition to the tunnel opened under hydrostatic conditions, non-hydrostatic conditions were also evaluated. The tunnels in the determined sections for conditions with horizontal stress / vertical stress ratio (k-value) between 0.5 and 2 were modeled as unsupported. The deformation distributions obtained from the model and the deformation values recorded in the points determined with an angular change of 15⁰ from the roof to the base were examined. With this study, it is concluded that numerical modeling can be a good auxiliary tool in determining LDP in tunnel excavations with non-circular (modified horseshoe cross-section).

Anahtar Kelimeler

Deformation distribution, Modified horseshoe cross-sectional, Numerical modelling, Tunnel

Zayıf Kaya Kütlelerinde Açılan Modifiye At Nalı Kesitli Tünellerdeki Deformasyon Dağılımının Sayısal Modelleme ile Belirlenmesi

Öz

Tünel kazısı sonrası tünel çevresindeki kaya kütlesinde meydana gelen deformasyonları karakterize etmek tahkimat tasarımı için bir yardımcı araç olarak kullanılabilmektedir. Tünel kazısı sonrası tünel aynasına dik doğrultuda aynanın ön ve arkasındaki deformasyonlar uzunlamasına deformasyon profili (Longitudinal Deformation Profile (LDP)) ile belirlenebilir. Literatürde farklı parametrelerin etkileri de göz önünde bulundurularak LDP’nin oluşturulmasına yönelik eşitlik önerileri vardır. Bu eşitlikler hidrostatik koşullarda tünel kazısı gerçekleştirildiği varsayımı yapılarak dairesel kesitli tüneller için önerilmiştir. Türkiye’de karayolu tünelleri genellikle modifiye at nalı kesitli açılmakta olup tünel aynası çevresindeki deformasyonların tam olarak tahmin edilmesinde zorluklarla karşılaşılmaktadır. Tünel çevresindeki kaya kütlesindeki deformasyonları sayısal modelleme ile analiz etmek mümkündür. Bu çalışmada, Türkiye’de kara yolu tünel kazılarında en çok tercih edilen 2 farklı boyuttaki modifiye at nalı kesitli tünel ele alınmıştır. Belirlenen kesitlerde zayıf kaya kütlesinde açılacak tünel kazısı sonlu farklar yöntemine dayalı FLAC3D ile modellenmiştir. Hidrostatik koşullarda açılan tünelin yanı sıra hidrostatik olmayan koşullar da değerlendirilmiştir. Yatay gerilme / dikey gerilme oranı (k-değeri) 0,5 ile 2 arasında değişen koşullar için belirlenen kesitlerde tüneller tahkimatsız olarak modellenmiştir. Modelden elde edilen deformasyon dağılımlarına ve tavandan tabana doğru 15⁰’lik açısal değişimle belirlenen yerlerde kaydedilen deformasyon değerleri incelenmiştir. Bu çalışma ile, dairesel olmayan (modifiye at nalı kesitli) tünel kazılarında LDP’nin belirlenmesinde sayısal modellemenin iyi bir yardımcı araç olabileceği sonucu elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Deformasyon dağılımı, Modifiye at nalı kesit, Sayısal modelleme, Tünel

Kaynakça

• Barton, N., Lien, R. and Lunde, J., 1974. Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support. Rock Mech., 6(4), 189-239.
• Basarir, H., Genis, M. and Ozarslan, A., 2010. The analysis of radial displacements occurring near the face of a circular opening in weak rock mass. Int. J. Rock Mech. Min. Sci., 47(5), 771-783.
• Bi, J. and Zhou, X.P., 2015. Numerical simulation of zonal disintegration of the surrounding rock masses around a deep circular tunnel under dynamic unloading. Int. J. Comp. Meth., 12(3), 1550020, 1-23.
• Bieniawski, Z.T., 1989. Engineering rock mass classifications. Wiley, New York, 251.
• Biron, C. and Arioglu, E., 1983. Design of supports in mines. John Wiley & Sons, New York, 283.
• Brown, E.T. and Hoek, E., 1978. Trends in relationships between measured and in situ stresses and depth. Int. J. Rock Mech. Min. Sci & Geomech. Abstr., 15(4), 211-215.
• Carranza-Torres, C. and Fairhurst, C., 2000. Application of the convergence-confinement method of tunnel design to rock masses that satisfy the Hoek-Brown failure criterion. Tunn. Undergr. Sp. Technol. 15, 187-213.
• Chern, J.C., Shiao, F.Y. and Yu, C.W., 1998. An empirical safety criterion for tunnel construction. Proceed of the Reg Symp on Sediment Rock Eng., 222-227.
• Corbetta, F., Bernaud, D. and Nguyen-Minh., D., 1991. Contribution a la methode convergerce-confinement par le principe de la similitude. Rev. Fr. Geotech., 54, 5-11.
• Hoek, E., 1999. Personal communication conducted by Carranza-Torres and Fairhurst. Taken from Carranza-Torres and Fairhurst (2000).
• Hoek, E., 2004. Numerical modelling for shallow tunnels in weak rock - unpublished notes.
• Hoek, E. and Brown, E.T., 1997. Practical estimates of rock mass strength. Int J Rock Mech Min Sci., 34(8), 1165-1186.
• Itasca, 2005. Version 3.0 user manuals. Itasca Consulting Group, Inc. Mill Place, Minnesota.
• Kanik, 2019. Evaluation of the limitations of RMR89 system for preliminary support selection in weak rock class. Comp. Geotech., 115, 103159, 1-11.
• Kaya, A., Bulut, F., Alemdağ, S. and Sayin, S., 2011. Analysis of support requirements for a tunnel portal in weak rock: A case study from Turkey. Sci. Res. Ess., 6(31), 6566-6583.
• KGM (Karayolları Genel Müdürlüğü), 2013. NATM uygulamalı yeraltı tünel işleri teknik şartnamesi. Karayolları Genel Müdürlüğü, Ankara.
• Meguid, M.A., Rowe, R.K. and Lo, K.Y., 2003. Three-dimensional analysis of unlined tunnels in rock subjected to high horizontal stresses. Can. Geotech. J., 40, 1208-1224.
• Palmström, A., 1995. RMi-A rock mass characterization system for rock engineering purposes. PhD. Thesis Norway: University of Oslo, 400.
• Panet, M. and Guenot, A., 1982. Analysis of convergence behind the face of a tunnel. Proceed Int Sym Tunneling, Inst Min Metall., 197-204.
• Panet, M., 1995. Calcul des tunnels par la methode convergence-confinement. Press de I’ecole Natinale des Ponts et Chaussees.
• Sakcali, A. and Yavuz, H., 2019a. Estimation of radial deformations around circular tunnels in weak rock masses through numerical modelling. Int. J. Rock. Mech. Min. Sci., 123, 104092, 1-14.
• Sakcali, A. and Yavuz., H., 2019b. Numerical modelling analysis of radial deformations around a circular tunnel excavated in weak rock masses. Süleyman Demirel Uni J Nat Appl Sci., 23(1), 66-73.
• Soroush, A., Foroozan, R. and Asadollahi, P., 2006. Simulation of 3D effect of excavation face advancement using a neural network trained by numerical models. E. J. Geotech. Eng., 11, 1-6.
• Unlu, T. and Gercek, H., 2003. Effect of Poisson’s ratio on the normalized radial displacements occurring around the face of a circular tunnel. Tunn. Undergr. Sp. Technol., 18(5), 547-553 (2003).
• Vlachopoulos, N. and Diederichs, M.S., 2009. Improved displacement profiles for convergence confinement analysis of deep tunnels. Rock Mech. Rock Eng., 42(2), 131-146.
• Yavuz, H., 2006. Support pressure estimation for circular and non-circular openings based on a parametric numerical study. S. Afr. Inst. Min. Metal., 106, 129-138.