Extrusion analysis of a bolt-reinforced tunnel face with finite ground-bolt bond strength


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Abstract

In this paper a new analytical model is proposed to analyse the displacement behaviour of a tunnel face reinforced by bolts, using the homogenization approach for periodic media. Based on previous works, this new model was developed to take into account a finite bond strength of the grout–soil interface, which is more realistic than the perfect bonding assumption. The interface behaviour is simulated by an elastic – perfectly plastic constitutive law. The interface sliding occurs when the shear stress reaches the bond strength. This new feature allows for a more correct estimate of the bolt tension and the quantitative contribution of the bolt to reducing displacement of the ground surface. Despite using less restrictive hypotheses, the solution process remains sufficiently simple, thus preserving the analytical character of the solution. This new analytical model has been validated by three-dimensional (3D) numerical calculations using the finite difference code FLAC3D and by comparing its predictions with in situ data from the Tartaiguille Tunnel construction project, which forms part of the Mediterranean TGV (high speed railway) network. The developed approach results in simple and efficient design tools, which are very useful at the preliminary design stage of a project.RésuméDans cet article, on propose un modèle analytique pour analyser le comportement en déplacement de la face d'un tunnel renforcée par des boulons, en utilisant une approche d'homogénéisation pour des milieux périodiques. Sur la base de travaux antérieurs, ce nouveau modèle a été développé pour prendre en compte une résistance du lien de l'interface coulis–sol, qui est plus réaliste que l'hypothèse de lien parfait. Le comportement de l'interface est simulé par une loi constitutive élastique parfaitement plastique. Le glissement de l'interface se produit lorsque la contrainte de cisaillement atteint la résistance du lien. Cette nouvelle caractéristique permet une estimation plus juste de la tension des boulons, de même que leur contribution quantitative à la réduction du déplacement de la surface du terrain. En dépit de l'utilisation d'hypothèses moins restrictives, le processus de solution demeure suffisamment simple, conservant ainsi le caractère analytique de la solution. Ce nouveau modèle analytique a été validé par des calculs numériques 3D au moyen du code de différences finies FLAC3D, et en comparant ses prédictions avec les données in situ d'un projet de construction — le tunnel Tartaiguille qui forme une partie du réseau du TGV (train à grande vitesse) méditerranéen. L'approche mise au point résulte en des outils de conception simples et efficaces qui sont très utiles au stade préliminaire de conception d'un projet.

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