Sensitivity of urban buildings to tunneling-induced settlements

Abstract

Tunneling construction represents an alteration to the distribution of soil pressures that will almost inevitably generate ground subsidence, which can endanger the adjacent buildings in urban areas. The risk of building damage can be substantially reduced with a comprehensive preliminary damage assessment during tunnel design phases, in combination with excavation techniques that minimize ground subsidence. The present research aims to increase the knowledge concerning the analytical and numerical techniques for building damage prediction related to tunneling. The thesis starts with the study of a real case of masonry building affected by the construction of the L9 metro line tunnel in Barcelona. Data available made possible to develop 2D and 3D numerical models of the building. The latter includes also the soil, the lining and interface models to simulate the contact between the building and the ground. The predicted crack patterns and opening widths in walls were verified by comparison to real damage reports. The case study also allowed a back analysis of the classical analytical prediction techniques based in the equivalent beam concept from Burland and Wroth. Analytical predictions of building damage are typically done for building walls aligned transversally or longitudinally with respect to the tunnel axis. These buildings are statistically representative, since many urban tunnels follow the tracks of avenues or streets. However, there is a significant number of buildings randomly aligned with respect to tunnel axes, in particular when using a Tunnel Boring Machine. For these buildings, the application of the classical analytical methodology can be done only with approximations, which can lead to unrealistic damage assessments. For this reason, a novel equation for the determination of ground strain has been developed. This equation allows the application of the classical settlement Gaussian profiles and the equivalent beam method in 3D, i.e. for buildings located in whichever position with respect to the tunnel axis. In addition, the model allows considering the position of the tunnel heading, which increases the realism of the settlement trough generated by tunnel construction. Another detected issue during the present research was the high sensitivity of both analytical and numerical damage predictions to certain parameters related to the characterization of ground. In the case of analytical predictions, the modeling of settlement troughs by Gaussian curves offers numerous mathematical advantages. However, the simplicity of this approximation leads to substantially different estimations of damage for small variations of the governing parameters. For this reason, the use of reliability-based methods can be useful for the assessment of building damage. In this way, the present thesis shows the development of a probabilistic model for the prediction of tunneling-induced damage. A procedure to determine the maximum allowable settlements that are used as monitoring threshold values of the construction process is also included. Furthermore, it is shown how the prediction of ground behavior and the allowable settlements can be updated with a Bayesian method by incorporating measurements made during the construction.

La construcció de túnels representa una alteració de la distribució de pressions del sòl que, de manera pràcticament inevitable, genera assentaments en superfície. Aquests poden provocar danys en edificis, especialment en zones urbanes. No obstant, aquest risc es pot reduir substancialment mitjançant la correcta predicció dels danys en les fases de disseny del túnel, juntament amb l¿ús de tècniques d'excavació que minimitzin els assentaments induïts. La present recerca aprofundeix en la metodologia de predicció de danys en edificis afectats per la construcció de túnels urbans. La tesi comença amb l'estudi d'un edifici real d'obra de fàbrica afectat per la construcció del túnel de la línia L9 del metro de Barcelona. Mitjançant les dades disponibles, s'han realitzat models numèrics en 2D i 3D de l'edifici. Aquest últim inclou a més el sòl, el túnel i un conjunt d'elements d'interfície que simulen el contacte entre l'edifici i el terreny. Els patrons de fissuració predits pel model han estat comparats amb aixecaments dels danys fets durant les obres. L'estudi d'aquest cas ha permès també l'aplicació i verificació de les tècniques de predicció de danys en edificis basades en el concepte de la biga equivalent ideat per Burland i Wroth durant la dècada dels 70. Les prediccions analítiques de dany en edificis es duen a terme generalment assumint els edificis posicionats transversalment o longitudinalment respecte l'eix del túnel. El nombre d'edificis que compleix aquesta hipòtesi és estadísticament representatiu, ja que molts túnels segueixen la traça dels carrers o les avingudes de les ciutats. Tot i així existeix un gran nombre d'edificis alineats arbitràriament respecte l'eix del túnel, especialment quan la construcció del túnel es realitza mitjançant l'ús de tuneladores (Tunnel Boring Machines - TBM). Per aquests edificis, l'aplicació de la metodologia analítica clàssica es pot efectuar només mitjançant aproximacions, la qual cosa pot implicar estimacions poc realistes dels danys. Per aquest motiu, s'ha desenvolupat una nova equació per al càlcul de la deformació del terreny. Aquesta equació permet l'aplicació dels perfils Gaussians d'assentament clàssics i del model de la biga equivalent en 3D, és a dir, en edificis ubicats en qualsevol posició respecte l'eix del túnel. A més, el model permet considerar la posició del front d'excavació, incrementant així el realisme del camp d'assentaments generat per la construcció del túnel. Un altre aspecte important detectat durant la recerca és l'extrema sensibilitat de les prediccions dels danys segons els valors dels paràmetres relacionats amb la caracterització del terreny. La modelització del camp d'assentaments mitjançant perfils Gaussians ofereix una sèrie d'avantatges matemàtics, però tot i així, la simplicitat del model comporta diferències notables en l'estimació dels danys si s'efectuen petites variacions dels paràmetres d'entrada. És per això que les tècniques de fiabilitat estructural poden ser útils per a l'estimació dels danys. En aquesta línia, la tesi mostra un model probabilístic per a la predicció dels danys provocats en edificis degut a la construcció de túnels. L'aplicació de tècniques de fiabilitat estructural permet a més la determinació dels llindars d'assentament que s'utilitzen durant el procés constructiu. En cas de tenir mesures prèvies d'assentaments de la zona d'estudi, es mostra també com el comportament del terreny i aquests valors llindars poden actualitzar-se a través d'un mètode Bayesià.