Comparison of 2D and 3D finite element models of tunnelling in granular soil under existing raft foundation

Sumi Siddiqua, Ahmed ElMouchi, Asmaa M. Hassan, Mohamed I. Amer

In the proceedings of: GeoEdmonton 2018: 71st Canadian Geotechnical Conference; 13th joint with IAH-CNC

Session: Soil Mechanics and Foundations (Numerical Analysis I)

ABSTRACT: Modeling the excavation process of underground tunnels under existing raft foundations is a 3D problem. However, 2D plane strain analysis is used to study tunnel-raft performance especially during the preliminary design stage of a project. This study focuses on comparing 2D and 3D finite element modelling results. The TBM tunnelling process is modeled in 2D and 3D and the calculated ground surface settlement troughs have been validated with field measurements from a selected case study (Second Heinenoord Tunnel in the Netherlands). In the current study, the contraction ratio (C) is used to account for 3D effects in the 2D analysis. In addition, an extensive 3D sensitivity analysis is conducted to evaluate the effect of related parameters including; tunnel diameter (D), tunnel cover (Z), and horizontal clearance between the raft centerline and the tunnel centerline (CL). The results of the sensitivity analysis are used to obtain values for the contraction ratio (C) that account for the 3D behavior of the tunnelling process in granular soils.

RÉSUMÉ: La modélisation du processus d'excavation des tunnels souterrains sous la base de radeau existante est un problème 3D. Cependant, la 2D analyse de contrainte d'avion est employée pour étudier la représentation de tunnel-radeau particulièrement pendant l'étape de conception préliminaire d'un projet. Cette étude se concentre sur comparer entre le 2D et les modèles d'élément 3D fini. Le processus de perçage d'un tunnel de TBM est simulé utilisant 3D et le 2D élément fini et les cuvettes extérieures moulues calculées de règlement ont été validés avec des mesures sur le terrain d'une étude de cas sélectionnée (en second lieu tunnel de Heinenoord aux Pays-Bas). Dans l'étude actuelle, le rapport de contraction (c) est employé pour expliquer l'effet 3D en la 2D analyse. En outre, une étude paramétrique étendue est entreprise pour évaluer l'effet des paramètres relatifs comprenant ; percez un tunnel le diamètre (d), la couverture de tunnel (z), et le dégagement horizontal entre la ligne centrale de radeau et la ligne centrale de tunnel (CL). Les résultats de l'étude paramétrique sont employés pour obtenir les valeurs pour le rapport de contraction (c) qui expliquent le comportement 3D du processus de perçage d'un tunnel dans sols granulaires.

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