Numerical analysis of traditionally excavated shallow tunnels

Among the problems that civil engineers have to face, the design and verification of an underground construction is one of the most challenging. A tunnel engineer has to tackle with a complex three-dimensional soil-structure interaction problem where many factors and uncertainties come into play. This is the reason why professional experience and engineering judgment usually play a crucial role. In recent years, numerical calculation techniques, which can provide an important basis for a better understanding of the problem, have strongly improved. They have become a fundamental resource for underground construction design, but they also entail some drawbacks: - only engineers with a strong numerical background can handle complex soil-structure interaction problems; - numerical calculations, especially if 3D, can be very time-consuming; - material parameters should be carefully evaluated, according to the particular problem and adopted constitutive law; - numerical models need to be validated with field monitoring data. The goal of this thesis is to investigate the main issues regarding the applicability of numerical analyses to the design and verification of traditionally excavated shallow tunnels. Despite, the remarkable technological improvement in mechanised tunnelling, traditional techniques still represent, in some cases, the most suitable and convenient solution. The principal advantage of traditional techniques is the high flexibility in the choice of supports and reinforcement measures. However, design flexibility implies a deep understanding of the ground response to underground openings as well as a conscious use of numerical models. This work provides a contribution to the numerical design of shallow tunnels by focusing on three principal issues: - stability of reinforced and unreinforced excavation faces; - Eurocodes applicability to a numerically-based design; - parameters calibration and numerical validation through comparison with monitoring data.

Lo scavo di gallerie rappresenta sicuramente una tra le sfide più impegnative che un ingegnere civile possa affrontare. Ciò è dovuto principalmente alla natura tridimensionale di questo problema di interazione terreno-struttura ma anche alle numerose incertezze che possono entrare in gioco nella progettazione. Recentemente, le tecniche di calcolo numeriche, che permettono una più ampia comprensione del problema, hanno subito un notevole sviluppo, diventando una risorsa fondamentale per la progettazione di scavi in sotterraneo. Tuttavia, solo ingegneri con una buona preparazione numerica sono in grado di gestire la modellazione di problemi di interazione terreno-struttura così complessi. Inoltre, tali modelli richiedono una attenta calibrazione dei parametri e una costante validazione con dati di monitoraggio. Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare alcune delle principali problematiche legate alla progettazione di gallerie superficiali scavate in tradizionale. Il vantaggio principale dello scavo in traditionale rispetto a quello meccanizzato è legato alla maggiore flessibilità nella scelta dei rivestimenti e delle techniche di rinforzo del cavo e del fronte della galleria. Tuttavia, una maggiore flessibilità progettuale è necessariamente legata ad una profonda conoscenza del comportamento deformativo dell’ammasso, nonché ad un utilizzo consapevole delle tecniche modellazione numerica. Il presente lavoro è principalmente incentrato sulle seguenti tematiche riguardanti la progettazione di gallerie superficiali: - la stabilità di fronti di scavo rinforzati e non rinforzati; - l’applicabilità degli Eurocodici ad una progettazione condotta mediante tecniche di modellazione numerica; - la calibrazione dei parametri del modello numerico e la sua validazione attraverso dati di monitoraggio.