Development of an automation method to conduct sensitivity analysis on weakness zones using Finite Element Modelling - with focus on total deformations

Abstract

I områder med harde bergarter, tilsvarende det Norske geologiske landskapet, er svakhetssoner en av de viktigste årsakene til stabilitetsrelaterte problemstillinger møtt i tunnelindustrien. Det er derfor nødvendig å få tilgang på representative data tilknyttet slike soner tidlig nok, til å kunne redusere dets negative konsekvenser angående økonomiske forhold og eventuell stans under driving. Gjennom årene har det vært bange bidrag for å inkludere svakhetssonens negative innvirkning på tunnelstabiliteten. Fleste parten av disse er empiriske konstruksjoner, som beskriver det totale stabilitetsbildet basert på feltobservasjoner. Men, det faktum at de er tuftet på empiri, medfører at de ikke er optimalisert. Det har blitt vist at overforbruk av sikringstiltak og/eller feil valg av sikringstiltak forkommer ofte i tunneldriving i norske tunneler når svakhetssoner er innenfor influensavstanden visavis tunnelen. Denne masteroppgaven tar for seg en sensitivitetsstudie angående svakhetssoners effekt på en tunnels totalstabilitet ved å benytte programvare basert på endelig-element metoden (EEM). Hovedgrunnen til å benytte EEM var på grunn av dets evne til å modellere komplekse geometrier og materialoppførsler. Den 2-dimensjonale EEM-baserte programvaren RS2, distribuert av RockScienceTM, var valgt grunnet dets popularitet i industrien, og grunnet at dets bruk er vel dokumentert. Men, RS2 er ikke optimal når det skal utføres en sensitivitetsanalyse, siden det ikke er mulig å definere modellene ved å anvende scriptbaserte løsninger direkte, som igjen ville kunne begrense antallet modeller som kunne blitt laget. For å overkomme denne hindringen ble det utviklet et script for å automatisere modelleringsprosessen prosessen til Rs2 og den påfølgende dataprosesseringen. Det utviklede scriptet muliggjorde å konstruere totalt 3696 modeller i løpet av få dager, noe som ikke ville vært mulig uten det. Sensitivitetsstudien ble fokusert til å i hovedsak angå svakhetssonens geometriske parametere, hvor det ble kun sett på forkastningssoner. Dette er en av de hyppigst møtte svakhetssoner i hardt berg tilsvarende norske forhold. Følgende parametere ble undersøkt: (a) mektigheten til sonen, (b) overdekningen, (c) sonevinkelen, og (d) korteste avstand fra tunnelsenter til sonen. En viktig innsikt var at sonevinkelen Θ ikke hadde en signifikant innvirkning på tunnel stabiliteten for alle sonetykkelser Τ, overdekninger Η og den normaliserte korteste avstand mellom tunnelsenter og svakhetssone Γ_norm. En annen kuriositet var at den maksimale tøyning ϵ_max= ϵ_tot (Γ_norm=1.1)∀Τ,Η . En tredje innsikt var at svakhetssonen forekom utenfor influensavstanden til tunnelen når Γ_norm≈2. Den eksponentielle vekst av ϵ_tot med økende Η skjyter ytterligere fart når Τ samtidig blir økt. Det er grunner til å tro at det vil være mulig å kunne utvikle et enhetsløst tall analogt til Reynoldstallet i fluidmekanikken. Dette tallet ville kunne uttrykke punktet hvor sonen forlater influensavstanden relativt tunnelen. For å gjøre dette må en mer omfattende studie bli utført, der hvor tunnelradiusen må bli endret, og hvor elastitets- og styrke parametere for sone og omkringliggende berg blir inkludert.

In hard rock areas, such as the Norwegian geological landscape, are weakness zones one of the most prominent reasons for instability related problems met in the tunnelling industry. It is therefore imperative to gain reliable information regarding such zones early enough, to make the impact on the economy and the excavation time of the project as low as possible. Over the years, many contributions have been made to include the effect weakness zone has on the general stability of the tunnels. Most of these contributions are empirically based, assessing the stability based on field observations. However, due to being empirically based, these systems are not optimized. It has been proven that the usage of security measures often is unnecessary high or the wrong security method is chosen in Norwegian road tunnelling projects in areas affected by weakness zones. In this thesis, a sensitivity study on weakness zones’ impact on the overall stability of a tunnel has been done using computer based Finite Element Modelling-tools. The FEM method was mainly chosen due to its abilities in modelling the complex geometries and material behavior. The 2-dimensional FEM program RS2 distributed by RockScienceTM was chosen in this thesis due to its popularity in the industry and being well documented. However, RS2 is not optimal when conducting a sensitivity study, since it does not support model creation using scripting. This would potentially limit the number of models to be created. To overcome this problem, it was developed a script to automize the model construction, calculation and data gathering process of RS2. The development of the script made it possible to run in the total of 3696 models in matter of days, which would not be possible without it. The focus of the sensitivity study was on geometrical features regarding weakness zones resembling faults, which is one of the most usual type of weakness zone faced in hard rock tunnelling as there is Norway. The included parameters were: (a) the zone thickness, (b) the overburden, (c) the zone angle and (d) the shortest distance between tunnel center and the zone. An important finding was that the zone angle Θ did not have any significance on the tunnel stability for any zone thicknesses Τ, overburdens Η, and normalized shortest distances between tunnel center and weakness zones Γ_norm. Another important insight was that maximum strain ϵ_max= ϵ_tot (Γ_norm=1.1)∀Τ . A third curiosity was that the weakness zone was out of the influence zone of the tunnel when Γ_norm>≈2. The exponential increase of ϵ_tot with increasing Η is severely primed when Τ also is increased. It is believed that the method developed in the thesis could be used to define a dimensionless number, analogous to the Reynolds number used in Fluid mechanics. This number can be used to predict when the weakness zone no longer affects the stability of the tunnel. To do this the tunnel size must be varied in addition with a more thoroughly defined sensitivity study in where the material behavior also must be varied.