Numerical Analysis of a Soil Tunnel with Jet Grouting
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3021071Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Løsmassetunneler er et komplekst ingeniørproblem, og kan være utfordrende både å forstå og designe. Økt urbanisering i Norge, kombinert med at mange store byer er lokalisert ved løsmasseavsetninger og marin leire, medfører behov for løsninger som ikke berører eksisterende bebyggelse og teknisk infrastruktur, som for eksempel løsmassetunneler. Denne masteroppgaven starter med en litteraturstudie om tunneler i løsmasser, og en case-studie analysert i Plaxis 2D og 3D. Case-studien består blant annet av en 290 meter lang urban jernbanetunnel i kohesjonsløs morene med liten overdekning. En jetpelring installeres fra overflaten langs hele tunnelen før driving for å gi minst mulig ulemper for nærmiljøet, samt sikre drivingen uten å påvirke grunnvannet i området.
Teknisk designbasis for prosjektet setter krav om at midlertidige sikringer, dvs. jetpelring og arbeidssikring med sprøyebetong, ikke skal inngå som en del av den permanente konstruksjonen. Det er utført en innledende 3D analyse, som skal kalibrere den videre 2D analysen, for å finne realistiske deformasjoner og spenningsfordelinger i betongkonstruksjonene. En teoretisk nedbryting av midlertidige sikringer over levetiden er modellert. I tillegg er kontaktflaten mellom betongkonstruksjonene undersøkt, som følge av en tradisjonell plastmembran og en potensiell bruk av sprøytemembran for vanntetting.
Den kalibrerte 2D analysen viser lignende resultater for deformasjoner i henget og trykkrefter i sprøytebetongen som den innledende 3D analysen. Bruk av en innledende 3D analyse kan gi ingeniøren en effektiv metode for å finne realistiske krefter i konstruksjonene og kalibrere en to-dimensjonal modell.
Resultater fra oppgaven viser at jetpelringen har teoretisk kapasitet til å ta full last fra overdekningen for en kortsiktig situasjon. En fullstending nedbryting av jetpelringen er ikke realistisk basert på tilgjengelig litteratur. Analysen med delvis nedbryting av jetpelringen viser en reduksjon av de indre kreftene i den støpte permanente konstruksjonen sammelignet med en teoretisk full nedbryting av jetpelringen. Tre ulike metoder for å modellere nedbryting er utført, og de viser ulik hastighet av spenningsoverføring. Dersom den strukturelle kapasiteten til jetpeler i løsmassetunneler kan verifiseres, kan beregninger med jetpelers fulle- eller delvise strukturelle bidrag medføre en reduksjon i den indre støpte betongens tykkelse. Dette vil bidra til lavere kostnader og mindre miljøutslipp for løsmassetunneler med jetpelsikring.
Resultater fra analysen viser at en potensiell bruk av sprøytemembran for vanntetting ikke ga gunstigere indre krefter sammelignet med en plastmembran i den spesifikke konfigurasjonen. Videre arbeid er foreslått og diskutert i oppgaven. Utførte analyser baserer seg på flere forenklinger for å få relevante resultater. Soil tunnelling is a complex civil engineering problem, which can prove challenging to understand and design. Urbanization in Norway, where major cities often are located on soil deposits and marine clay, leads to an increased demand in underground construction works such as soil tunnels. In this thesis, a literature review is conducted on soil tunnelling and a case study is analysed in Plaxis 2D and 3D. The case study features an approx. 290 m urban shallow railway tunnel in cohesionless soil. To enable safe excavation and complete groundwater control, a jet grout ring is installed from the terrain surface prior to excavation.
Design criteria for the case study states that the jet grout ring and the primary sprayed concrete lining is neglected in long-term design. The goal of the thesis is to find the effect of the temporary supports on the permanent structure. The thesis features a preliminary 3D analysis used to calibrate a 2D analysis to find realistic deformations and stress distributions in the linings. Modelled degradation of temporary supports in long-term is performed. In addition, membrane interaction from a traditional sheet membrane and a potential use of sprayed membrane between primary and secondary lining is investigated.
Calibration of the 2D analysis show similar results as the preliminary 3D analysis in terms of crown displacements and axial forces in the primary lining. Application of an efficient preliminary 3D analysis can provide the engineer with a suitable method to calibrate a 2D analysis.
Results from the thesis show that the capacity of the jet grout ring in short-term have a sufficient theoretical capacity to withstand the full overburden pressure. Complete degradation of the jet grout is not realistic according to available literature. The analysis with partial degradation of jet grout showed a reduction in internal forces on the secondary lining compared to a theoretical full degradation. Three different approaches to model the degradation was performed, all of which showed different rates of stress transfer. If the structural capabilities of jet grout used in soil tunnelling can be verified, design with full- or partial capacity can offer reduction in designed thickness of the secondary lining. This could lower the cost and emission from soil tunnelling with jet grout supports.
Results from the analysis did not yield beneficial internal forces for the potential sprayed membrane compared to the sheet membrane. Extensions for further work is suggested and discussed. The analysis features several simplifications to find appropriate results.