Elasto-plastic finite element analysis of stresses in the pillar zone of deep interacting tunnels – A comparative study

I.A. Khan

In the proceedings of: GeoVancouver 2016: 69th Canadian Geotechnical Conference

Session: FUNDAMENTALS - V Soil & Rock Mechanics

ABSTRACT: The purpose of the present study is to carry out a parametric study and compare the stresses developed in the pillar zone of twin interacting horse shoe tunnels and twin interacting circular tunnels with different W/D and Ko conditions in the rock mass. The plain strain elastic and elasto-plastic finite element analysis with Hoek-Brown yield criterion have been performed. Three pillar width (W) to diameter (D) ratios (W/D) as 0.3, 0.6 and 1.2 have been introduced for each of three considered insitu stress ratio (Ko) as 0.5, 1.0 and 1.5 in the rock mass. The tunnels have been considered to be excavated simultaneously. Variation of principal stresses in the pillar zone and at the tunnel boundary have been studied in the analysis. The results have also been compared with the results of that of excavation of a single tunnel. It has been concluded that for lower W/D ratio of 0.3 and for all insitu stress ratios, the maximum principal stresses developed in case of twin circular tunnels are significantly larger than that of twin horse shoe tunnels at both the boundary of tunnels and centre of pillar zone. But as the W/D ratio increases to 0.6 or higher the pattern reverses at the centre of pillar zone only for insitu stress ratio of 1.0 or more. From the study of elastic and elasto-plastic analysis as well as single and interacting tunnel analysis, it is concluded that at the tunnel boundary the difference in maximum principal stresses are higher for circular tunnels than that of horse shoe tunnels for all W/D and Ko ratios. But at the centre of pillar zone the differences are higher for horse shoe tunnels for W/D ratio of 0.6 or more and insitu stress ratio of 1.0 or more. .

RÉSUMÉ: Le but de la présente étude est de réaliser une étude paramétrique et de comparer les contraintes développées dans la zone de pilier de jumeaux interagissant tunnels de fer à cheval et à double interaction tunnels circulaires avec différentes conditions D et Ko / W dans la masse rocheuse. L'élastique et élasto-plastique analyse par éléments finis de déformation simple avec critère de rendement Hoek-Brown ont été réalisées. Trois piliers largeur (W) à des rapports diamètre (D) (W / D) de 0,3, 0,6 et 1,2 ont été introduites pour chacun des trois considérés comme rapport de contraintes in situ (Ko) de 0,5, 1,0 et 1,5 dans la masse rocheuse. Les tunnels ont été considérés comme excavé simultanément. Variation de contraintes principales dans la zone de colonne et à la limite de tunnel ont été étudiés dans l'analyse. Les résultats ont été comparés avec les résultats de celle du creusement d'un tunnel unique. Il a été conclu que pour le bas du rapport W / D de 0,3 et pour tous les rapports de contraintes in situ, les principales contraintes maximales développées dans le cas de tunnels circulaires doubles sont nettement plus importants que celui des deux tunnels de fer à cheval à la fois à la limite de tunnels et de centre de zone de pilier. Mais comme les W / D ratio augmente à 0,6 ou plus le motif inverse au centre de la zone de pilier que pour le rapport de contrainte in situ de 1,0 ou plus. De l'étude de l'analyse élastique et élasto-plastique ainsi que l'analyse simple et d'interagir tunnel, il est conclu que le tunnel limite la différence de contraintes maximales principaux sont plus élevés pour les tunnels circulaires que celle des tunnels de fer à cheval pour tous les W / D et ratios Ko. Mais au centre de la zone de pilier, les différences sont plus élevés pour les tunnels de fer à cheval pour le rapport W / D de 0,6 ou plus et insitu rapport de contrainte de 1,0 ou plus.

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Cite this article:
I.A. Khan (2016) Elasto-plastic finite element analysis of stresses in the pillar zone of deep interacting tunnels – A comparative study in GEO2016. Ottawa, Ontario: Canadian Geotechnical Society.

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