Influence of sand density and retaining wall stiffness on three-dimensional responses of tunnel to basement excavation: Fid-Bau Portal

Influence of sand density and retaining wall stiffness on three-dimensional responses of tunnel to basement excavation

Mašín, David

Basement excavation inevitably causes stress changes in the ground, leading to soil movements that may affect the serviceability and safety of adjacent tunnels. Despite paying much attention to the basement–tunnel interaction, previous research has mainly focused on the influence of tunnel location in relation to the basement, tunnel stiffness, and excavation geometry. The effects of sand density and basement wall stiffness on nearby tunnels due to excavation, however, have so far been neglected. A series of three-dimensional centrifuge tests were thus carried out in this study to investigate these effects on the complex basement–tunnel interaction. Moreover, three-dimensional numerical analyses and a parametric study by adopting a hypoplastic sand model were conducted to improve the fundamental understanding of this complex problem, and calculation charts were developed as a design tool. When the basement was constructed directly above the existing tunnel, excavation-induced heave and strain were more sensitive to a change in soil density in the transverse direction than that in the longitudinal direction of the tunnel. Because a looser sand possesses smaller soil stiffness around the tunnel, the maximum tunnel elongation and transverse tensile strain increased by more than 20% as the relative sand density decreased by 25%. Moreover, the tensile strain induced along the longitudinal direction was insensitive to the stiffness of the retaining wall, but the tensile strain induced along the transverse direction was significantly reduced by a stiff wall. When the basement was constructed at the side of the existing tunnel, the use of a diaphragm wall reduced the maximum settlements and tensile strains induced in the tunnel by up to 22% and 58%, respectively, compared with the use of a sheet pile wall. Under the same soil density and wall stiffness, excavation-induced maximum movement and tensile strains in the tunnel located at a side of the basement were about 30% of the measured values in the tunnel located directly beneath the basement centre.

Le creusement de fondations provoque inévitablement des changements des contraintes dans le sol et donc des mouvements du sol pouvant avoir des répercussions sur l’aptitude au service et la sécurité des tunnels adjacents. Même si elles se sont beaucoup intéressées à l’interaction entre les fondations et les tunnels adjacents, les études menées précédemment ont essentiellement porté sur l’influence de l’emplacement du tunnel par rapport à la fondation, de la rigidité de ce dernier et de la géométrie de l’excavation. Cependant, les effets de la densité du sable et de la rigidité des murs de la fondation sur les tunnels avoisinants, causés par l’excavation, ont jusqu’ici été négligés. Une série d’essais tridimensionnels en centrifugeuse ont donc été réalisés dans le cadre de la présente étude afin d’analyser les effets la densité du sable et de la rigidité des murs de la fondation sur l’interaction complexe entre la fondation et le tunnel. En outre, on a effectué des analyses numériques tridimensionnelles et une étude paramétrique en adoptant un modèle de sable hypoplastique afin de mieux comprendre en profondeur ce problème complexe et on a tracé des diagrammes de calcul servant d’outils de conception. Lorsque la fondation était construite directement au-dessus du tunnel existant, le soulèvement et la déformation causés par l’excavation étaient plus sensibles à une variation transversale de la densité du sol qu’à une variation de cette même densité dans le sens de la longueur du tunnel. Du fait la faible rigidité du sol tout autour du tunnel, due à la faible densité du sable qui le compose, les valeurs maximales d’élongation du tunnel et de déformation transversale par traction ont augmenté de plus 20 % lorsque la densité relative du sable a diminué de 25 %. De plus, la déformation longitudinale par traction n’était pas influencée par la rigidité des murs de soutènement de la fondation, tandis que la déformation transversale par traction a beaucoup diminué lorsque cette même rigidité augmentait. Quand la fondation a été construite à côté du tunnel existant, l’utilisation d’une paroi moulée a permis des réductions des valeurs maximales d’affaissement et de déformation par traction dans le tunnel pouvant atteindre respectivement 22 % et 58 % par rapport à celles obtenues lorsqu’on utilise une paroi en palplanches. Dans les mêmes conditions de densité du sol et de rigidité des murs, les valeurs maximales des déplacements et des déformations par traction causés par l’excavation dans le tunnel situé près d’un des côtés de la fondation étaient approximativement égales à 30 % de chacune des valeurs mesurées dans le tunnel situé juste en dessous du centre de la fondation. [Traduit par la Rédaction]