Numerical Modelling Issues Associated with the 2D and 3D Analysis of Tunnel Excavation and Support within Weak Rock Masses

N. Vlachopoulos, M.S. Diederichs

In the proceedings of: GEO2010 Calgary: 63rd Canadian Geotechnical Conference & 6th Canadian Permafrost Conference

Session: W2-A

ABSTRACT: In spite of the gradual development of 3D analysis packages utilizing finite element models or finite difference algorithms for stress-strain calculations, 2D analysis is still used as the primary tool for tunnel behaviour and tunnel support analysis and design. 2D finite element analysis or analytical convergence confinement solutions, for example, depend on independence between the ground reaction curve and the support resistance. In addition, the longitudinal displacement profile, prior to support is assumed to be independent of the support effect. Also it is assumed that non-isotropic stresses and non-circular geometries can be handled in the same way as circular tunnels in isotropic conditions. The process involves generating a ground reaction curve (internal tunnel wall resistance versus tunnel closure) and calibrating this using a standardized longitudinal displacement profile (LDP). This paper examines the validity of these assumptions associated with weak rock masses and the error inherent in these extensions to 2D tunnel analysis. Anisotropic stresses and lagged (staged) excavation present a particular problem. Solutions are proposed for support LDP's in simplified conditions.

RÉSUMÉ: Malgré de le développement des programmes d'analyse 3D qui utiliser les modèles de « finite element » ou « finite difference » pour les calculs de stress, pour la plupart, la 2D analyse est encore employée comme l'outil de choix pour l'analyse du comportement de tunnel et du tunnel soutiennent pour l'excavation d'un tunnel. L'analyse en deux dimensions par les finité éléments ou les solutions analytiques de confinement de convergence, par l'exemple, sont prédiquer sur la notion de l'indépendance entre la courbe de réaction de terre et la résistance de soutien. De plus, on assume que le profil longitudinal de déplacement, avant l'installation de soutien, est indépendant de l'effet de résistance du soutien. En outre, on suppose que des stresses non-isotropes et les géométries non-circulaires peuvent être manipulés comme les tunnels circulaires en conditions isotropes. Le processus inclus la fabrication d'une courbe de réaction de terre (résistance interne de mur de tunnel contre la fermeture de tunnel) et de calibrer ceci avec un profil de déplacement longitudinal. Cet article examine la validité de ces prétentions et de l'erreur inhérente à ces prolongements à 2D analyses de tunnel. Stresses anisotropes et aussi l'excavation par étapes présents des problèmes particulier. On propose des solutions pour le profil de déplacement longitudinal de soutien en conditions simplifiée. 1 INTRODUCTION

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