Stability of dual square tunnels in cohesive-frictional soil subjected to surcharge loading

The stability of dual square tunnels in cohesive-frictional soils subjected to surcharge loading has been investigated theoretically and numerically assuming plane strain conditions. From the viewpoint of the efficient utilization of underground space for human activities, noncircular openings and tunnels should be preferred in the design stage. Despite the importance of this issue, previous research on the subject is very limited. At present, no generally accepted design or analysis method is available to evaluate the stability of multiple tunnels-openings in cohesive- frictional soils. In the design stage, it is important to consider the interaction effects of dual tunnels. Unlike the case of a single tunnel, the centre-to-centre distance appears as a new parameter that must be considered and plays a key role in tunnel stability. In this study, continuous loading is applied to the ground surface and a smooth interface condition is modelled. For a series of tunnel size-to-depth ratios and material properties, rigorous lower- and upper- bound solutions for the ultimate surcharge loading are obtained by applying finite element limit analysis techniques. For practical suitability, the results are presented in the form of dimensionless stability charts and a table with the actual tunnel stability numbers closely bracketed from above and below. As an additional verification of the solutions, upper-bound rigid-block mechanisms have been developed, and the predicted collapse loads from these mechanisms are compared with those from finite element limit analysis. Finally, a discussion is presented regarding the location of the critical tunnel spacing between dual square tunnels where interaction no longer occurs. Key words: dual square tunnels, stability, rigid-block mechanism, limit analysis, finite elements. La stabilite de tunnels doubles carres dans des sols cohesifs-frictionnels soumis a des sollicitations en surcharge a ete etudiee de fa^on theorique et numerique en supposant des conditions de deformation en plan. Du point de vue de l'utilisation judicieuse de l'espace souterrain pour des activites humaines, les ouvertures et tunnels non circulaires devraient etre favorises a l'etape de conception. Malgre l'importance de ce probleme, les recherches anterieures sur le sujet sont tres limitees. A ce jour, il n'y a pas de methode de conception ou d'analyse acceptee globalement qui est disponible pour evaluer la stabilite de multiples ouvertures et tunnels dans des sols cohesifs-frictionnels. A l'etape de conception, il est important de considerer les effets d'interaction des tunnels doubles. Contrairement au cas d'un tunnel unique, la distance centre-a-centre apparait comme un nouveau parametre du probleme et joue un role cle dans la stabilite du tunnel. Dans cette etude, des charges continues sont appliquees a la surface du sol, et une condition d'interface lisse est modelisee. Pour une serie de ratios de taille du tunnelprofondeur et de proprietes des materiaux, des solutions rigoureuses a frontiere inferieure et superieure pour la surcharge ultime sont obtenues en appliquant les techniques d'analyse limite par elements finis. Pour des raisons pratiques, les resultats sont exprimes sous forme de chartes de stabilites sans dimension ainsi que d'un tableau avec les nombres reels de stabilite des tunnels rapportes pour des courts intervalles. Afin d'offrir une verification additionnelle des solutions, des mecanismes de bloc rigide a frontiere superieure ont ete developpes, et les charges de rupture predites a partir de ces mecanismes sont compares avec celles obtenues par l'analyse limite par elements finis. Enfin, une discussion sur la position de l'espace critique entre les tunnels doubles carres ou l'interaction n'agit plus est presentee. [Traduit par la Redaction] Mots-cles: tunnels doubles carres, stabilite, mecanisme de bloc rigide, analyse limite, elements finis.
Introduction Accurately assessing the stability of multiple tunnels, pipelines, and disused mine workings in cohesive-frictional soils is an important task due to the ubiquitous construction of buildings and tunnels in [...]