Διερεύνηση της ευστάθειας μετώπου εκσκαφής αβαθών σηράγγων

Abstract

Η διδακτορική διατριβή συνίσταται στην αριθμητική διερεύνηση της ευστάθειας και της παραμορφωσιακής συμπεριφοράς του μετώπου εκσκαφής, με έμφαση στις αβαθείς σήραγγες, καθώς και της επίδρασης και της αποτελεσματικότητας συγκεκριμένων μεθόδων βελτίωσης της ευστάθειάς του και ελέγχου των παραμορφώσεων στην περιοχή μπροστά και πάνω από αυτό, μέσω τριδιάστατων αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων. Εντός των αστικών περιοχών οι απαιτήσεις και οι περιορισμοί κατά τη διάνοιξη σηράγγων πολλαπλασιάζονται. Αυξημένος βαθμός δυσκολίας προκύπτει κατ’ αρχήν λόγω του γεγονότος ότι η διάνοιξη γίνεται εντός συνήθως χαλαρών εδαφών (λόγω μικρού βάθους), αλλά και λόγω της περιορισμένης δυνατότητας ανακατανομής των τάσεων πάνω από τη σήραγγα, που έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία αστάθειας και σημαντικών παραμορφώσεων σε μέγεθος και εύρος, ακόμα και όταν η αντοχή του εδάφους δεν είναι πολύ χαμηλότερη από την επιτόπου τάση. Επιπλέον, μια ενδεχόμενη αστάθεια και κατάρρευση έχει σημαντικά δυσμενέστερες συνέπειες στην κοινωνία, ενώ ουσιαστικά αλλάζει και η σημασία της έννοιας «αστοχία», καθώς πλέον σχετίζεται όχι μόνο με κατάρρευση της σήραγγας, αλλά και με οποιοδήποτε αποτέλεσμα το οποίο θα έχει συνέπειες μη ανεκτές από το αστικό περιβάλλον (βλάβες σε κτίρια, κάποια από τα οποία έχουν μηδαμινή ανοχή σε μετακινήσεις, σε δίκτυα κοινής ωφέλειας, σε μνημεία σημαντικής πολιτιστικής αξίας, σε δρόμους σημαντικής κυκλοφορίας κ.λπ.). Υπό το πρίσμα αυτό, καθίσταται εξαιρετικά σημαντικός ο περιορισμός σε πολύ χαμηλά επίπεδα των προκαλούμενων παραμορφώσεων και ειδικά αυτών που λαμβάνουν χώρα μπροστά από την εκσκαφή και μέχρι την εγκατάσταση της υποστήριξης της σήραγγας, καθώς εάν η τελευταία έχει μεγάλη δυσκαμψία, μπορεί να παραλάβει τα (σχετικά περιορισμένα λόγω μικρού βάθους) φορτία του εδάφους με αμελητέες πρόσθετες παραμορφώσεις. Το στοίχημα επομένως επικεντρώνεται στην ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής και τον έλεγχο της παραμορφωσιακής συμπεριφοράς του πυρήνα προώθησης (του προς εκσκαφή δηλαδή γεωυλικού μπροστά από τη σήραγγα). Εξάλλου, η εμπειρία έχει δείξει ότι το μεγαλύτερο ποσοστό αστοχιών σε σήραγγες, και ειδικά σε αβαθείς - αστικές, προκύπτει στο μέτωπο εκσκαφής ή πλησίον αυτού, ενώ ακόμα και σήμερα η κατάρρευση του μετώπου αβαθών σηράγγων αποτελεί πρόβλημα που προκαλεί σοβαρές κατασκευαστικές καθυστερήσεις και οικονομικές επιβαρύνσεις. Η ευστάθεια του μετώπου εκσκαφής σηράγγων, ιδιαίτερα των αβαθών, είναι ένα θέμα που έχει απασχολήσει πολλούς ερευνητές κατά το παρελθόν, οι οποίοι κατέδειξαν τη σημαντικότητά του για την ασφαλή κατασκευή σηράγγων. Οι σημαντικότερες ερευνητικές προσπάθειες έχουν επικεντρωθεί στην εκτίμηση της απαιτούμενης πίεσης αντιστήριξης του μετώπου ώστε αυτό να είναι οριακά ευσταθές. Οι προτάσεις που έχουν δημοσιευθεί βασίζονται σε πειραματικά δεδομένα (δοκιμές σε φυγοκεντριστή, σε προσομοιώματα σηράγγων μικρής κλίμακας κλπ.), σε αναλυτικές μεθοδολογίες (επιλύσεις κάτω ορίου με αποδεκτό πεδίο τάσεων ή άνω ορίου με θεώρηση συγκεκριμένου μηχανισμού αστοχίας) αλλά και, προσφάτως, σε αριθμητικές αναλύσεις συνεχούς ή ασυνεχούς μέσου. Το πλήθος των διαθέσιμων μεθοδολογιών και εργασιών βασίστηκε σε διαφορετικές παραδοχές, με αποτέλεσμα το εύρος τιμών που προκύπτει από αυτές για δεδομένες γεωτεχνικές συνθήκες να είναι συχνά πολύ σημαντικό. Επιπλέον, μικρή μόνο σύνδεση έχει έως τώρα πραγματοποιηθεί μεταξύ της ευστάθειας και της παραμορφωσιμότητας του μετώπου εκσκαφής, παρόλο που το αυστηρότερο κριτήριο σχεδιασμού σε σήραγγες μικρού βάθους σε αστικό περιβάλλον αφορά σε παραμορφώσεις (οριακή κατάσταση λειτουργικότητας). Τέλος, η πλειονότητα των μεθοδολογιών σχεδιασμού αφορά κυρίως σε σήραγγες που διανοίγονται με μηχανήματα ολομέτωπης κοπής (TBM) και επιβολή πίεσης αντιστήριξης στο μέτωπο, ενώ ο σχεδιασμός των μέτρων βελτίωσης της ευστάθειας του μετώπου κατά τη συμβατική διάνοιξη σηράγγων γίνεται ακόμα κυρίως με βάση τη διαθέσιμη εμπειρία. Στο πλαίσιο αυτό επιχειρείται αρχικά (Κεφάλαιο 5), μέσω αποτελεσμάτων τριδιάστατων αναλύσεων πεπερασμένων στοιχείων, να συνδεθεί ο βαθμός ευστάθειας του μετώπου εκσκαφής σήραγγας, χωρίς την εφαρμογή μέτρων αντιστήριξης, ενίσχυσης ή προστασίας του, με την έκθλιψη του μετώπου εκσκαφής, ένα παραμορφωσιακό δηλαδή μέγεθος και να γεφυρωθεί η διαφορά μεταξύ του τρόπου εκδήλωσης της αστάθειας του μετώπου σε αβαθείς και βαθιές σήραγγες, κατανοώντας τι σημαίνει αστάθεια σε μικρό και μεγάλο βάθος διάνοιξης. Θεωρώντας ότι, καθώς η αντοχή του εδάφους μειώνεται, η αστοχία του μετώπου επέρχεται όταν παρατηρηθεί σημαντική αύξηση της εξώθησής του για μικρή μείωση της αντοχής, προτείνεται ένας νέος συντελεστής ευστάθειας ανυποστήρικτου μετώπου ΛF (για βάθη σήραγγας H≤5D), που εξαρτάται από τις γεωτεχνικές (συνοχή c, γωνία τριβής φ και ειδικό βάρος γ του γεωυλικού) και τις γεωμετρικές (βάθος H και διάμετρος D της σήραγγας) παραμέτρους του προβλήματος, τέτοιος ώστε τιμές ΛF<1 να αντιστοιχούν σε ασταθές μέτωπο και τιμές ΛF≥1 να αντιστοιχούν σε ευσταθές μέτωπο. Ο συντελεστής ΛF συνδέεται στη συνέχεια μέσω απλών σχέσεων, τόσο με την έκθλιψη του μετώπου, όσο και με τον συντελεστή ασφαλείας FS, ενώ συγκρίνεται και με διαθέσιμες αναλυτικές μεθοδολογίες εκτίμησης της ευστάθειας του μετώπου και τα αποτελέσματα της σύγκρισης σχολιάζονται και αιτιολογούνται. Τέλος προτείνεται μία απλή μεθοδολογία πρόβλεψης της απομείωσης της εξώθησης μπροστά από το μέτωπο, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με μετρήσεις εξώθησης κατά την κατασκευή για την πρόβλεψη των επιτόπου συνθηκών μπροστά από τη σήραγγα. Στη συνέχεια (Κεφάλαιο 6), επιχειρείται αρχικά η προσέγγιση του μηχανισμού αστοχίας του μετώπου εκσκαφής, με σκοπό (α) την παρατήρηση της εξέλιξης και διαφοροποίησης του μηχανισμού αστοχίας για διαφορετικές γεωτεχνικές (αργιλικά – αμμώδη υλικά) και γεωμετρικές (βάθος διάνοιξης) συνθήκες και (β) τη σύγκριση του παρατηρούμενου μηχανισμού αστοχίας με τις μορφές που παρατηρούνται σε αντίστοιχες εργασίες (πειραματικές, αναλυτικές και αριθμητικές). Επιπλέον, γίνεται σύγκριση της εκτιμώμενης οριακής πίεσης αντιστήριξης στο μέτωπο εκσκαφής από τις αριθμητικές αναλύσεις, με τις αντίστοιχες τιμές που προκύπτουν από τη διεθνή βιβλιογραφία (πειραματικές προσεγγίσεις σε προσομοιώματα σήραγγας υπό κλίμακα ή σε φυγοκεντριστή), ώστε να αξιολογηθεί η καταλληλότητα και η ορθότητα της χρησιμοποιούμενης μεθόδου (πεπερασμένα στοιχεία) για το συγκεκριμένο πρόβλημα οριακής ισορροπίας σε αβαθείς σήραγγες. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων της διατριβής με τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα κρίνεται σαφώς ικανοποιητική. Στο Κεφάλαιο 7 της διατριβής, διερευνάται εκτενώς μέσω παραμετρικών αριθμητικών αναλύσεων η επίδραση της ενίσχυσης μετώπου με οριζόντια αγκύρια από υαλονήματα (fibreglass) στην ευστάθειά του, αλλά και στην παραμορφωσιακή του συμπεριφορά. Με βάση τα αποτελέσματα των αναλύσεων προτείνεται τροποποίηση - επέκταση του συντελεστή ευστάθειας μετώπου, με την ονομασία ΛF,R, για σήραγγες βάθους H≤3D, ώστε αυτός να περιλαμβάνει και την επίδραση των αγκυρίων μέσω της πυκνότητας τους d (αγκύρια/m2). Η έκφραση του συντελεστή είναι τέτοια, ώστε η οριακή τιμή ΛF,R=1 να αντιστοιχεί σε μία «οριακή κατάσταση λειτουργικότητας», κάτω από την οποία υπάρχει αύξηση των παραμορφώσεων, κάτι που κρίνεται μη επιθυμητό σε αβαθείς σήραγγες. Με βάση τον συντελεστή ΛF,R προτείνεται μεθοδολογία ορθολογικού σχεδιασμού του καννάβου των αγκυρίων μετώπου και δίνονται διαγράμματα για την πρακτική εφαρμογή της. Επιπλέον, δίνονται προτάσεις για την εκτίμηση του βέλτιστου μήκους των αγκυρίων Lopt, το οποίο ουσιαστικά καθορίζει την επικάλυψη των διαδοχικών διατάξεων αγκυρίων στο μέτωπο και εξαρτάται κυρίως από τη γωνία τριβής του εδαφικού υλικού και λιγότερο από τον συντελεστή οριζοντίων τάσεων Κ. Η γνώση του μήκους αυτού συμβάλλει σημαντικά τόσο στην εξασφάλιση των κριτηρίων σχεδιασμού της μελέτης αναφορικά με την ευστάθεια του μετώπου και τις παραμορφώσεις, όσο και στην οικονομία της κατασκευής. Τέλος, προτείνεται 2 μεθοδολογίες (απλοποιημένη και πλήρης) για την εκτίμηση της πίεσης αντιστήριξης του μετώπου εκσκαφής που έχει την ίδια επίδραση στο μέτωπο με μία συγκεκριμένη διάταξη αγκυρίων ενίσχυσης. Η τιμή της ισοδύναμης αυτής πίεσης επηρεάζεται κυρίως από το βάθος διάνοιξης και τη γωνία τριβής, αλλά και από την παραμορφωσιμότητα του εδάφους και τη δυστένεια των αγκυρίων. Με βάση τις μεθοδολογίες αυτές, προτάθηκε μία μέθοδος έμμεσου σχεδιασμού της πυκνότητας του καννάβου αγκυρίων ενίσχυσης του πυρήνα προώθησης, μέσω των διαθέσιμων αναλυτικών μεθοδολογιών εκτίμησης της απαιτούμενης πίεσης αντιστήριξης μετώπου για την επίτευξη του επιθυμητού συντελεστή ασφαλείας. Στο Κεφάλαιο 8 της διατριβής, διερευνάται η επίδραση της προστασίας του μετώπου εκσκαφής και του ανυποστήρικτου τμήματος της σήραγγας με τη χρήση ομπρέλας μεταλλικών δοκών προπορείας (forepole umbrella, steel tube umbrella), τόσο στην ευστάθειά του μετώπου εκσκαφής, όσο και γενικότερα στην παραμορφωσιακή συμπεριφορά της σήραγγας μπροστά και πάνω από το μέτωπο εκσκαφής. Πιο συγκεκριμένα, αφού περιγράφεται η μεταβολή του τασικού και παραμορφωσιακού πεδίου μπροστά και πάνω από τη σήραγγα λόγω της προστασίας του μετώπου εκσκαφής, σε σχέση με την περίπτωση ενός ανυποστήρικτου μετώπου με προβλήματα ευστάθειας, γίνονται σχόλια και εξάγονται συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση της μεθόδου στη βελτίωση της ευστάθειας του μετώπου. Με βάση τα αποτελέσματα των αναλύσεων δίνονται σαφείς προτάσεις για τον ορθολογικό σχεδιασμό των δοκών προπορείας, ώστε η εφαρμογή της μεθόδου να στοχεύει στις πραγματικές δυνατότητες που αυτή έχει όταν χρησιμοποιείται μεμονωμένα και όχι σε συνδυασμό με άλλα μέτρα ενίσχυσης της ευστάθειας του μετώπου. Οι δυνατότητες της μεθόδου δεν αφορούν στην αποτροπή μιας εκτεταμένης τασικής αστοχίας στην περιοχή του μετώπου αλλά στη συγκράτηση κυρίως βαρυτικών μορφών αστοχίας και στη μείωση των καθιζήσεων σε σήραγγες πολύ μικρού βάθους χωρίς σοβαρά προβλήματα ευστάθειας. Τέλος (Κεφάλαιο 9) προσομοιώνεται η συνδυασμένη εφαρμογή δοκών προπορείας και αγκυρίων μετώπου, πρακτική που είναι πολύ συνηθισμένη τόσο στην Ελλάδα όσο και σε άλλες χώρες κατά τη διάνοιξη κάτω από δύσκολες γεωτεχνικές συνθήκες. Η προσομοίωση δείχνει τόσο τη συγκριτική επίδραση της κάθε μεθόδου, όσο και τον τρόπο που η συνδυασμένη εφαρμογή τους μπορεί να επηρεάσει τον σχεδιασμό της κάθε μεθόδου ξεχωριστά, οδηγώντας σε πιο οικονομική κατασκευή χωρίς «εκπτώσεις» στην ασφάλεια. Με βάση τα αποτελέσματα των αναλύσεων διατυπώνονται απόψεις για την αποφυγή της υπερδιαστασιολόγησης των δοκών προπορείας, που αποτελεί συχνό φαινόμενο όταν αυτές τοποθετούνται σε συνδυασμό με μεθόδους αντιστήριξης ή ενίσχυσης του μετώπου εκσκαφής, οι οποίες εξασφαλίζουν την ευστάθειά του. Συνολικά, σκοπό της παρούσας διατριβής αποτελεί η διαμόρφωση κατά το δυνατόν απλών, και οπωσδήποτε προσιτών στους μηχανικούς σηράγγων, μεθοδολογιών και προτάσεων για ασφαλή, ορθολογικό και οικονομικό σχεδιασμό της εκσκαφής και της αντιστήριξης της περιοχής του μετώπου εκσκαφής σηράγγων, με έμφαση σε περιπτώσεις διάνοιξης με συμβατική μέθοδο σε μικρό βάθος από την επιφάνεια του εδάφους. Οι μέθοδοι αυτές, με παραδοχές που δεν επηρεάζουν σημαντικά την ακρίβεια και έχουν επιλεγεί προσεκτικά ώστε τα όρια εφαρμογής τους να είναι σαφή, μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αρχικά στάδια μελετών και κατά περίπτωση σε τελικά στάδια μελετών σηράγγων, ανεξάρτητα ή σε συνδυασμό με πιο πολύπλοκες αριθμητικές ή αναλυτικές μεθόδους. Λόγω του εφαρμοσμένου χαρακτήρα της έρευνας δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στην αξιολόγηση δεδομένων από τη μελέτη και κατασκευή σηράγγων, έτσι ώστε το αποτέλεσμα να είναι αφενός επιστημονικά επαρκές και πρωτότυπο, αλλά συγχρόνως εφαρμόσιμο και χρήσιμο στην πρακτική της μελέτης και κατασκευής.

The present doctoral thesis focuses on the numerical investigation (a) of the stability and deformational behaviour of the tunnel excavation face, with emphasis on shallow tunnels, and (b) of the influence and effectiveness of certain measures - methods that improve the stability and control deformations in the area ahead of and above the tunnel face, via three-dimensional finite element analyses. In urban areas, the demands and restrictions during tunnelling are multiplied. An increased degree of difficulty rises firstly due to the fact that the excavation usually proceeds through loose geomaterials (because of the small depth) and due to the limited stress redistribution above the tunnel that results in instability and important deformation (regarding both its magnitude and its extent), even when the soil strength is not much lower than the in-situ stress. Additionally, a potential instability and collapse has significantly more unfavourable implications on the society, whereas the meaning of “failure” changes, as it is connected, not only to the collapse, but also to any result with consequences that are not tolerable by the urban environment (damages to buildings, some of which have negligible tolerance to imposed displacements, to public networks, to monuments of important cultural value, to roads with significant traffic, etc.). From this point of view, it is very important to seriously limit the induced displacements and especially those that take place in front of the tunnel face and until placement of the tunnel support, as a stiff support can take the (limited due to the small depth) loads of the surrounding geomaterial with minimal additional deformation. The goal therefore focuses on the stability of the tunnel face and the control of the deformational behaviour of the advance core (i.e. the geomaterial to be excavated ahead of the tunnel). In addition, experience has shown that most failure incidents during tunnel construction, especially in shallow - urban tunnels, take place at or around the tunnel face, while even today tunnel face collapse of shallow tunnels is a problem that causes serious construction delays and budget overruns. The stability of the excavation face, especially of shallow tunnels, is an issue that concerned a lot of researchers in the past, who have pointed out its importance for safe tunnel construction. The most important research efforts have been concentrated on the estimation of the minimum required support pressure on the tunnel face to achieve its stability. The published proposals are based on experimental data (centrifuge tests, small scale tests, etc.), analytical methodologies (lower bound solutions with an admissible stress field or upper bound solutions with consideration of a specific failure mechanism) and (recently) numerical analyses of continuous or discontinuous media. The number of available methodologies and studies has been based on different assumptions and admissions, often resulting in a very important range of the proposed values for given geotechnical conditions. Moreover, only limited connection has been undertaken so far between the stability and the deformation of the tunnel face, although the more strict design criterion in shallow tunnels within urban areas is related to deformations (serviceability limit state). Finally, the majority of design methodologies mainly concerns tunnels excavated with tunnel boring machines (TBM) that apply a retaining pressure on the tunnel face, while the design of measures to improve face stability during conventional tunneling is still mainly based on the available experience. In that concept an attempt is initially made (Chapter 5) to connect, using results of three-dimensional finite element analyses, the degree of stability of the tunnel face, without application of any retaining, reinforcing or protective measures, with the extrusion of the tunnel face, and to bridge the difference between the onset of excavation face instability in shallow and deep tunnels, understanding the cause of instability in small and large tunnelling depths. Considering that, as soil strength decreases, the failure of the tunnel face occurs when there is a significant increase of the extrusion for a small reduction of strength, the new unsupported tunnel face stability factor ΛF is proposed for tunnel depths H≤5D. This factor depends on the geotechnical (cohesion c, friction angle φ and unit weight of the geomaterial γ) and geometrical (depth H and diameter D of the tunnel) parameters of the problem, in such a way that values of ΛF<1 correspond to unstable tunnel face and values of ΛF≥1 correspond to a stable tunnel face. Additionally, the factor ΛF is related through simple relationships, not only with face extrusion, but also with the factor of safety FS, while it is also compared with available analytical methodologies for assessing the stability of the face and the results of the comparison are commented and explained. Finally a simple methodology is proposed for predicting the decrease of extrusion ahead of the tunnel face, to be used in conjunction with extrusion measurements during construction for the prediction of ground conditions ahead of the tunnel. In Chapter 6, it is initially attempted to approach the failure mechanism of the excavation face, aiming to (a) observe the evolution and differentiation of the failure mechanism for various geotechnical (sandy – clayey soils) and geometrical (tunnel depth) conditions and (b) compare the observed failure mechanism with the shapes that are observed in relevant studies (experimental, analytical and numerical). Additionally, a comparison is carried out between the estimated limit face support pressure from the numerical analyses and the corresponding values from the bibliography (experimental approaches with small scale or centrifuge modeling), in order to evaluate the adequacy and the accuracy of the method used (finite elements) for the specific limit equilibrium problem in shallow tunnels. The results of the present doctoral thesis are found to be in very good agreement with the available experimental data. Chapter 7 of the doctoral thesis focuses on the investigation via parametric numerical analyses, of the effect of tunnel face reinforcement using horizontal fibreglass nails, on the stability and the deformation of the excavation face. Using the results of the conducted analyses, a modification - extension of the tunnel face stability factor, named ΛF,R is proposed, for tunnel depths up to 3D, to include the effect of fibreglass nails through their density d (nails/m2). The expression of factor ΛF,R is such that the limit value ΛF,R=1 corresponds to a kind of a “serviceability limit state”, below which considerable increase of deformation takes place, which is not wanted in shallow tunnels. Based on factor ΛF,R a methodology is proposed for the rational design of the face reinforcement density and diagrams for its application in practice are given. Moreover, proposals are made for the estimation of the optimum nail length Lopt, which basically determines the overlapping length of successive nail sets in the excavation face and depends mainly on the friction angle of the geomaterial and less on the horizontal stress ratio K. Knowledge of this optimum length contributes significantly both to the meeting and the ensuring of the design criteria regarding the face stability and the deformation distribution and to the economy of the construction. Finally, 2 methodologies (simplified and full) are proposed to estimate the retaining pressure on the excavation face that has the same effect on it as a specific pattern of reinforcing nails. The value of this equivalent pressure is mainly affected by the tunnelling depth and the friction angle, but also by the deformability of the ground and the stiffness of the nails. Based on these methodologies, a proposal for an indirect design of the fibreglass nail pattern density is expressed, via available analytical methodologies that estimate the required face support pressure to achieve a desired value of the safety factor. The effect of the protection of the excavation face and the unsupported span of the tunnel, with the use of a forepole umbrella, on the stability of the face and the deformational behaviour ahead of and above the tunnel, is investigated in Chapter 8. More specifically, the change in the stress and strain field ahead of and above the tunnel due to the application of the forepole umbrella, compared to the case of an unstable unsupported face, is described and useful conclusions are drawn on the effect of the specific method on the stability of the tunnel face. Based on the analyses results, specific guidelines are given for the rational design of the forepole umbrella, so that the application of the method will aim to its real capability when used solely and not in combination with other face stability improvement measures. The capabilities of the method do not concern prevention of an extensive stress induced failure around the excavation face. On the other hand, the umbrella can hold gravity driven failures and control surface settlements in shallow tunnels without serious overall stability issues. Finally, in Chapter 9, combined use of forepole umbrella and face nailing is modeled, which is a very common practice in many countries, including Greece, during tunnelling under adverse geotechnical conditions. The analyses show both the comparative effect of each measure and the way that their combined use affects the design of each method separately, leading to a more economic construction with no “discount” in safety. Based on the analyses results, guidelines are given to avoid overdesigns of the forepole umbrella, which is very common when the umbrella is used together with methods that ensure the stability of the tunnel face by retaining or reinforcement of the advance core. Overall, the present doctoral thesis aims to present quite simple, and in any case accessible to the tunnelling engineer, methodologies and guidelines for a safe, rational and economical design of the excavation and support of the excavation face, with emphasis to conventional tunnelling in shallow depths. These methodologies, with admissions that do not considerably affect their accuracy and carefully selected so that their limits of application are clear, can be used in the preliminary and in some cases in final stages of tunnel designs, solely or in combination with more sophisticated numerical or analytical methodologies. Due to the nature of the present research, emphasis was given on the evaluation of data from the design and construction of real tunnels, so that the result is not only scientifically sound and original, but on the same time applicable and useful in the design and construction practice.