The contribution of horizontal arching to tunnel face stability

The article revisits the classic problem of tunnel face stability with special emphasis on the effect of horizontal stresses. These are important for shear resistance and thus also for the equilibrium of the potentially unstable body in front of the tunnel face, but they also present the difficulty of static indeterminacy. Starting from the computational model of Anagnostou and Kovári, an alternative model is presented, which is based on the so-called method of slices, and is consistent with silo theory, but does not need an a priori assumption as to the distribution of horizontal stress. In addition, a simple design equation for estimating support pressure under this model is presented and the results of comparative analyses concerning the average stresses in the wedge and the effects of shear resistance at the lateral slip surfaces are shown. The analytical results obtained by the method of slices agree very well with published results of numerical analyses and physical tests.

Beitrag der räumlichen Tragwirkung zur Stabilität der Tunnelbrust.
Der vorliegende Artikel untersucht das klassische Problem der Stabilität der Ortsbrust unter besonderer Beachtung der Horizontalspannungen. Letztere sind zwar sehr wichtig für den Gleitwiderstand und somit auch für die Stabilität von potenziellen Bruchkörpern, können aber nicht allein aufgrund von Gleichgewichtsbetrachtungen ermittelt werden. Im Beitrag wird eine Berechnungsmethode vorgestellt, die das Berechnungsmodell nach Anagnostou und Kovári insofern verbessert, dass sie keine a priori Annahme über die Verteilung der Spannungen im keilförmigen Bruchkörper vor der Ortsbrust benötigt und auf konsistente Weise das Gleichgewicht im Keil und im darüber liegenden prismatischen Bruchkörper analysiert. Basierend auf der Lamellenmethode wird eine einfache Bemessungsformel aufgestellt und der Einfluss der horizontalen Verspannung auf den erforderlichen Stützdruck der Ortsbrust aufgezeigt. Die Modellprognosen stimmen mit veröffentlichten Ergebnissen von numerischen Spannungsanalysen sowie mit Versuchsresultaten gut überein.