With the recent increase in underground urban development as well as for transportation, tunnels need to he driven in increasingly dif&ult soil conditions. In most cases the ground itself is not stable and face stability is achieved by applying fluid pressure to the tunnel front. The question of determining the retaining pressure to he used has received special consideration in the past hecause of the concern for safety during construction, and also hecause of the damage that could he caused to surface structures by the failure of a shallow tunnel. The problem is three-dimensional and can he studied by using the limit state design method. Solutions are available for the case of a circular tunnel in purely cohesive ground, but very little is known of the face stability of a tunnel driven in sandy soils. This Paper approaches this latter problem from the point of view of limit analysis. Both safety against face collapse and blow-out are considered. Three upper hound solutions are derived from the consideration of mechanisms based on the motion of rigid conical blocks. The results are compared with lower hound solutions published in a previous article. A failure criterion is proposed for the tunnel face in the general case of a cohesive and frictional soil, and charts are provided to allow a bracketed estimate of the required retaining pressure. A comparison with centrifuge laboratory tests shows close agreement between the theoretical upper hound solutions and the face pressures at collapse measured experimentally.
RésuméLa réalisation d'un tunnel dans de bonnes conditions de sécurité nécessite un examen préalable de la stabilité du front de taille pendant l'excavation. Lorsque l'ouvrage est creusé à faible profondeur et à l'aide d'une machine foreuse per mettant un soutènement continu du front de taille, il faut tenir compte dans l'analyse, de trois effets de chargement : influence du poids des terrains, sur charges de surface, pression de soutènement au front. L'approche par le calcul à la rupture est choisie ici pour estimer les conditions de stabilité du front de taille. Deux types de matériau sont considérés : dans le cas d'un matériau purement cohérent (critère de TRESCA) la combinaison de l'approche par l'intérieur et de l'approche par l'extérieur permet d'aboutir à un encadrement des conditions de stabilité dans un diagramme de chargement à deux paramètres. Dans le cas plus complexe d'un critère de MOHR-COULOMB, il est nécessaire de prendre effectivement en compte trois paramètres de char gement et seule l'approche par l'intérieur est considérée dans la présente étude. Abstract Front stability must be examined prior to tunnel construction in order to
RésuméLe problème de la stabilité du front de taille d'un tunnel a fait l'objet de nom breuses études au cours des vingt dernières années en raison de la construc tion d'ouvrages dans des conditions de plus en plus difficiles. En particulier la théorie du calcul à la rupture a permis d'aboutir à un encadrement de la pres sion de soutènement à appliquer au niveau du front de taille pendant les tra vaux pour assurer la stabilité du tunnel. L'étude décrite dans cet article est destinée à améliorer les estimations théori ques du risque d'instabilité au front de taille dans le cas d'un tunnel circulaire creusé à faible profondeur dans un terrain purement cohérent. L'accent est mis sur l'approche par l'extérieur. Les mécanismes examinés permettent de tenir compte du caractère tridimensionnel du problème abordé ainsi que des risques d'instabilités globales et locales. Les résultats conduisent à penser que les dif férences constatées entre bornes supérieures et inférieures des chargements potentiellement supportables pourraient provenir de la surestimation des capa cités de résistance du terrain, qui résultent de leur caractérisation par un cri tère de TRESCA (autorisant la mise en traction du terrain). AbstractTunnel face stability has received special consideration over the past twenty years, due to the construction of tunnels in increasingly difficult conditions. In particular, yield calculation principles have been used to find a bracketted esti mate of the tunnel pressure that should be used to stabilize the face during construction. The purpose of the present study is to improve existing methods used to esti mate the face stability of shallow circular tunnels driven in purely cohesive soils. New upper bound estimates are considered. The failure mechanisms conside red allow to account for the three-dimensional nature of the problem and include local as well as global failure conditions. The results support the idea that the differences between estimated upper and lower bound solutions could result from overestimated ground resistance properties, consecutive to the use of the TRESCA criterion (which allows for tensile stresses in the ground).
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