Comparison of displacement field predicted by 2D and 3D finite element modelling of shallow NATM tunnels in clays

The 2D load-reduction method for simulating NATM tunnels using plane strain finite elements is evaluated in the paper by comparison with fully 3D simulations. Three real shallow tunnels in urban environment in different stiff clays were simulated. The soil behaviour was described by an advanced non-linear soil constitutive model based on the hypoplasticity theory. Time-dependent behaviour of shotcrete lining was considered in 3D simulations, whereas constant final stiffness was used in the plane strain analyses. The 2D analyses were thus controlled by a single parameter that accounts for 3D effects. It is shown that for an optimum value of this parameter, the displacement field predicted by the 2D method agrees well with the 3D simulations. In some cases only, a discrepancy was observed in the close vicinity of the tunnel. The controlling parameter was, however, found to be dependent on the problem simulated (for the same material) and also on the material properties (for the same tunnelling problem). Considering the material properties, the shear modulus at very small strain was found to be more influential than the shear modulus at large strain. The initial K0 stress state did not influence the controlling parameter substantially.

Vergleich der Prognose des Verschiebungsfeldes durch 2D- und 3D-FE-Modellierungen von seichten Tunneln im Ton
Die mit finiten Elementen mit ebenem Spannungszustand arbeitende 2D-Lastreduktionsmethode zur Simulierung von NÖTTunneln wird im vorliegenden Aufsatz im Vergleich zu vollen 3DSimulationen bewertet. Es wurden drei existierende oberflächennahe Stadttunnel in verschieden festen Tonböden simuliert. Das Bodenverhalten wurde durch ein komplexes, nicht-lineares Bodenmodell auf Basis der Hypoplastizitätstheorie beschrieben. In den 3D-Simulationen wurde das zeitabhängige Verhalten der Spritzbetonauskleidung untersucht, wohingegen in den Analysen der ebenen Spannungszustände die konstante, endgültige Festigkeit des Betons verwendet wurde. Die 2D-Analysen wurden auf diese Weise durch einen einzelnen Parameter bestimmt, der den 3D-Wirkungen Rechnung trägt. Die Untersuchung zeigt, dass für einen Optimalwert dieses Parameters das mittels der 2D-Methode prognostizierte Verschiebungsfeld weitestgehend mit den 3DSimulationen übereinstimmt. Nur in einigen Fällen war in unmittelbarer Nähe zum Tunnel eine Diskrepanz zu beobachten. Es wurde jedoch festgestellt, dass der bestimmende Parameter von der Art des simulierten Problems abhängt (für dasselbe Material) und auch von den Materialeigenschaften (für dasselbe Tunnelbauproblem). Für die Materialeigenschaften wurde festgestellt, dass der Schubmodul bei sehr kleinen Spannungen eine größere Rolle spielt als bei großen Spannungen. Der anfängliche K0-Lastzustand hatte keinen wesentlichen Einfluss auf den bestimmenden Parameter.