Hydro-mechanical risk analysis of submarine tunnels with segments lining crossing faults or fractured formations - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Hydro-mechanical risk analysis of submarine tunnels with segments lining crossing faults or fractured formations

Analyse des risques hydromécaniques des tunnels sous-marins avec des revêtements en voussoirs traversant des failles ou des formations fracturées

Kyeunghye Ahn
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1303050
  • IdRef : 272959251

Résumé

In countries with many islands (Korea, Singapore, Japan, the Philippines, etc.), as a means of connecting land to land, submarine tunnel are needed and their design highly challenging due to high water pressures existing around the tunnel and ignorance of the ground environment. The «Busan-Tsushima» submarine tunnel project, the shortest distance from Korea to Japan, meets the Yangsan submarine fault zone (active fault). Therefore, it is essential to consider the fault zone when designing this submarine tunnel.This research was initiated with an investigation of geographic and geophysical properties (empirical method) of the Busan-Tsushima seabed between Korea and Japan.To analyze hydraulic pressure effects, we proceeded to find an appropriate method in numerical modeling with adequate load paths (drainage & non-drainage) by using a Finite Element code (Disroc-FEM).First, we compared the theoretical results and numerical analysis modeling results according to various conditions and focused on the estimation of the amount of inflow into the tunnel for different hydraulic properties of the lining and the ground.The modeling considers a sophisticated tunnel segment-joint model in in which the segment lining is modeled as a bulk material rather than a single beam model often used in existing 2D simulations. This model has the advantage of performing a more complete numerical analysis of the lining behavior and take into account elastoplastic ground behavior. As a matter of fact, existing studies in the literature were limited to elastic soil behavior. The volume-type continuum segment lining was modeled and first compared to existing theoretical models and then to the numerical analysis results for one-ring lining. Theses comparisons showed the advantages of bulk lining model compared to the beam model. Then, in response to the convergence stage (deconfinement ratio) of excavation with bulk segment lining, the influence of the interface (grouting, tail void gap) between the lining and the ground was analyzed. In this part, a comparative analysis was performed for different classes of rock properties and different horizontal earth pressure ratios. It was found that the non-linear stress-strain relationship between for the soil-lining contact could control the final load supported by the lining. Finally, the effects of the joint properties between segment elements of the lining were analyzed.For long-term analysis of low-depth soft ground tunnel under drained and undrained conditions, the effects of the hydraulic properties of the interface and the ground with different Biot coefficients were analyzed. This analysis provided also the stress evolution around the tunnel with taking into account the segment's joints with highly non-linear mechanical behavior.Due to complex geological conditions, an analysis of segmented tunnels with different locations in respect to the fault zone was performed. Fault zones with very poor mechanical properties, compared to the ground properties around the tunnel, were considered under different hydraulic and conditions and the related hydraulic and mechanical integrity risks were analyzed. The results of this analysis can pave the road for a design of the lining structure to prevent some unexpected risk situations.The hydromechanical analyses for undrained conditions were performed for elastic behavior of the lining and the ground. The evolution under undrained conditions for elastoplastic materials showed some numerical difficulties the investigation of which constitutes the perspective of the present work.
Le projet de tunnel sous-marin «Busan-Tsushima», la plus courte distance de la Corée au Japon, rencontre la zone de faille sous-marine de Yangsan (faille active). Par conséquent, il est essentiel de considérer la zone de faille lors de la conception de ce tunnel sous-marin.Cette recherche a été initiée par une étude des propriétés géographiques et géophysiques (méthode empirique) du fond marin de Busan-Tsushima entre la Corée et le Japon.Pour analyser les effets de la pression hydraulique, nous avons procédé à la recherche d'une méthode appropriée dans la modélisation numérique avec des chemins de charge adéquats (drainage et non-drainage) en utilisant un code d'éléments finis (Disroc-FEM).Dans un premier temps, nous avons comparé les résultats théoriques et les résultats de la modélisation de l'analyse numérique selon diverses conditions et nous nous sommes concentrés sur l'estimation de la quantité d'afflux dans le tunnel pour différentes propriétés hydrauliques du revêtement et du sol.La modélisation considère un modèle sophistiqué de joint de segment de tunnel dans lequel le revêtement de segment est modélisé comme un matériau en vrac plutôt qu'un modèle de poutre unique souvent utilisé dans les simulations 2D existantes. Ce modèle a l'avantage de réaliser une analyse numérique plus complète du comportement du revêtement et de prendre en compte le comportement élastoplastique du sol. En fait, les études existantes dans la littérature se sont limitées au comportement élastique du sol. Le revêtement du segment de continuum de type volume a été modélisé et d'abord comparé aux modèles théoriques existants, puis aux résultats d'analyse numérique pour le revêtement à un anneau. Ces comparaisons ont montré les avantages du modèle de revêtement massif par rapport au modèle de poutre. Puis, en réponse à l'étape de convergence (taux de déconfinement) de l'excavation avec le revêtement du segment massif, l'influence de l'interface (injection, écart de queue) entre le revêtement et le sol a été analysée. Dans cette partie, une analyse comparative a été effectuée pour différentes classes de propriétés rocheuses et différents rapports de pression horizontale des terres. Il a été constaté que la relation contrainte-déformation non linéaire entre le contact sol-revêtement pouvait contrôler la charge finale supportée par le revêtement. Enfin, les effets des propriétés des joints entre les éléments de segment du revêtement ont été analysés.Pour l'analyse à long terme d'un tunnel de sol mou de faible profondeur dans des conditions drainées et non drainées, les effets des propriétés hydrauliques de l'interface et du sol avec différents coefficients de Biot ont été analysés. Cette analyse a également fourni l'évolution des contraintes autour du tunnel en prenant en compte les joints du tronçon à comportement mécanique fortement non linéaire.En raison de conditions géologiques complexes, une analyse de tunnels segmentés avec différents emplacements par rapport à la zone de faille a été réalisée. Les zones de failles aux propriétés mécaniques très médiocres, par rapport aux propriétés du sol autour du tunnel, ont été considérées dans différentes conditions hydrauliques et les risques d'intégrité hydraulique et mécanique associés ont été analysés. Les résultats de cette analyse peuvent ouvrir la voie à une conception de la structure de revêtement pour prévenir certaines situations à risque imprévues.Les analyses hydromécaniques en conditions non drainées ont été réalisées pour le comportement élastique du revêtement et du sol. L'évolution en conditions non drainées des matériaux élastoplastiques a montré quelques difficultés numériques dont l'investigation constitue la perspective du présent travail.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04269781 , version 1 (03-11-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04269781 , version 1

Lien texte intégral

Citer

Kyeunghye Ahn. Hydro-mechanical risk analysis of submarine tunnels with segments lining crossing faults or fractured formations. Géotechnique. École des Ponts ParisTech, 2023. English. ⟨NNT : 2023ENPC0019⟩. ⟨tel-04269781⟩
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