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Date
2024Type
- Doctoral Thesis
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Abstract
Mechanised tunnelling through squeezing ground is very demanding because the space available to accommodate ground deformations is limited. If the converging ground closes the shield gap in the machine area, a pressure starts to develop upon the shield and the tunnel boring machine (TBM) might get stuck. Behind the machine, if ground deformations are prevented by a stiff lining, a prohibitively high rock pressure develops, and the lining might get damaged. Shield jamming and lining damages are the main hazards while tunnelling in squeezing ground conditions, and may increase significantly construction cost.
Ground deformations are often assumed to occur instantaneously. This assumption might result in overestimating the rock pressure acting upon the shield during TBM advance and short standstills, as field records suggest that ground deformations develop over time. Time-dependency can be traced back to the rheological behaviour of the ground (creep) or to the dissipation of excess pore water pressure (consolidation).
This dissertation aims to help improve the design and construction of tunnels excavated with TBM in squeezing ground considering especially the effect of creep. More specifically, motivated by the simplified approach of typical TBM-ground interaction analyses, the present thesis: (i) analyses numerically the effect of creep on the evolution of rock pressure over time and proposes a novel method for simulating the TBM advance which improve the reliability of shield jamming and lining damage risk assessment in squeezing ground; (ii) develops an equation based on numerical results and pre-existing nomograms for estimating the required thrust force in order to prevent shield jamming under creeping squeezing ground conditions during ongoing TBM advance, as well as, during construction standstills; (iii) compares numerically the effect of creep and consolidation on shield tunnelling and discusses whether these could be distinguished in practical situations; (iv) investigates numerically whether the risk of shield jamming depends on the tunnel diameter and assess the effect of an adjacent tunnel on shield loading. Show more
Maschineller Vortrieb durch druckhafte Gebirge ist sehr anspruchsvoll, weil der verfügbare Platz um Baugrundverformungen zuzulassen sehr limitiert ist. Schliesst der Baugrund die Spaltbreite im Maschinenbereich, so entsteht ein Druck auf dem Schild und die Tunnelbohrmaschine (TBM) kann sich verklemmen. Dagegen wenn Verformungen hinter dem Schildbereich von einem starren Ausbau verhindert werden, kann sich ein sehr hoher Druck aufbauen und der Ausbau kann sich beschädigen. Verklemmen des Schildes und Beschädigung des Ausbaus sind die hauptsächlichen Gefährdungsbilder, welche im Tunnelbau im druckhaften Gebirge eintreten können und die Baukosten erheblich erhöhen können.
Verformungen vom Baugrund werden oft als zeitunabhängig angenommen. Diese Annahme kann zu einer Überschätzung der Schildbelastung während des Vortriebs und bei kurzen Stillständen führen. Feldmessungen zeigen jedoch, dass sich diese Verformungen langsam im Laufe der Zeit entwickeln. Zeitabhängigkeit kann aufgrund des rheologischen Verhaltens des Bodens (Kriechen) oder durch Dissipation von Porenwasserüberdruck (Konsolidation) herbeigeführt werden.
Diese Dissertation soll dazu beitragen, die Planung und den Bau von Tunneln, die im TBM Vortrieb im druckhaften Gebirge aufgefahren werden, zu verbessern, wobei insbesondere die Auswirkungen von Kriechen berücksichtigt werden. Motiviert durch den vereinfachten Ansatz einer typischen TBM-Baugrund Interaktionsanalyse untersucht die vorliegende Dissertation: (i) numerisch den Effekt von Kriechen auf den zeitabhängigen Gebirgsdruck und schlägt eine neue Methode zur Simulation des TBM-Vortriebs, welche die Zuverlässigkeit für die Bewertung des Risikos eines Schildverklemmens und einer Beschädigung des Ausbaus im druckhaften Gebirge verbessern; (ii) entwickelt eine Gleichung, welche auf numerischen Resultaten und vorhandene Nomogramme basiert, um die nötige Vorschubkraft zu ermitteln, um ein Verklemmen des Schildes zu verhindern. Dies in einen kriechenden druckhaften Baugrund während laufenden TBM-Vortrieb, und bei einem Vortriebsstopp; (iii) vergleicht numerisch den Effekt von Kriechen und Konsolidation auf TBM-Schildvortrieb, und erörtert, ob diese in praktischen Situationen unterschieden werden können; (iv) untersucht numerisch, ob das Risiko des Schildverklemmens vom Tunneldurchmesser abhängig ist und den Effekt eines nebenliegenden Tunnels auf die Schildbelastung. Show more
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https://doi.org/10.3929/ethz-b-000670352Publication status
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Contributors
Examiner: Anagnostou, Georgios
Examiner: Nordas, Alexandros
Examiner: Peila, Daniele
Examiner: Pellet, Frederic
Examiner: Ramoni, Marco
Publisher
ETH ZurichSubject
Tunnel boring machine (TBM); creep; Perzyna; Shield jamming; Lining overstressing; Standstill; metamodel; consolidation; cutterhead jamming; seepage forces; scale effects; tunnel interaction effectsOrganisational unit
03655 - Anagnostou, Georgios / Anagnostou, Georgios
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