Effect of a frontal impermeable layer on the excess slurry pressure during the shield tunnelling in the saturated sand

Slurry type shield would be very effective for the tunnelling in a sandy ground, when the slurry pressure would be properly adjusted. Low slurry pressure could cause a tunnel face failure or a ground settlement in front of the tunnel face. Thus, the stability of tunnel face could be maintained by applying an excess slurry pressure that is larger than the active earth pressure. However, the slurry pressure should increase properly because an excessively high slurry pressure could cause the slurry flow out or the passive failure of the frontal ground. It is possible to apply the high slurry pressure without passive failure if a horizontal impermeable layer is located in the ground in front of the tunnel face, but its location, size, and effects are not clearly known yet. In this research, two-dimensional model tests were carried out in order to find out the effect of a horizontal impermeable layer for the slurry shield tunnelling in a saturated sandy ground. In tests slurry pressure was increased until the slurry flowed out of the ground surface or the ground fails. Location and dimension of the impermeable layer were varied. As results, the maximum and the excess slurry pressure in sandy ground were linearly proportional to the cover depth. Larger slurry pressure could be applied to increase the stability of the tunnel face when the impermeable layer was located in the ground above the crown in front of the tunnel face. The most effective length of the impermeable grouting layer was 1.0 ~ 1.5D, and the location was 1.0D above the crown level. The safety factor could be suggested as the ratio of the maximum slurry pressure to the active earth pressure at the tunnel face. It could also be suggested that the slurry pressure in the magnitude of 3.5 ~4.0 times larger than the active earth pressure at the initial tunnel face could be applied if the impermeable layer was constructed at the optimal location.

포화 사질토에서 전방 차수층이 쉴드터널 초과 이수압에 미치는영향

이수가압식 쉴드공법은 이수압을 적정 수준으로 관리하면 특히 사질토에서 적용성이 우수하지만, 이수압이 낮으면 이수 유출 및 지반변형이 발생하기도 한다. 따라서 이수가압식 쉴드공법에서는 초기 막장압보다 큰 초과 이수압을 가하여 막장의 안정을 유지한다. 그러나 이수압이 너무 높으면 전방 지반의 수동 파괴를 유발하므로 전방 지반의 수동 파괴 위험성을 배제하고 이수압을 증가시키는 방법으로 막장 전방에 수평 차수층을 설치하는 방안이 있으나 그 위치와 규모 및 효과가 잘 알려져 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 포화된 사질토에서 막장 전방에 차수 그라우팅을 적용할 경우에 발생하는 효과를 규명하기 위하여 모형실험을 수행하였다. 실험에서는 차수층의 위치와 길이를 변화시거면서 이수의 유출이나 지반 파괴 이전까지 이수압을 가하여 최대 이수압과 지반 변위 및 이수의 유출로 인한 파괴 형상을 측정하여 분석하였다. 실험 결과, 전방 차수층이 없는 경우에 최대 이수압과 초과 이수압은 토피고에 선형비례 하였으며, 차수층이 존재하는 경우에는 차수층이 없는 경우보다 이수압을 크게 가할 수 있어서 전방 차수층이 막장 안정성을 증대시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 막장 안정성 증대에 가장 큰 영향을 주는 적정 차수층의 규격은 길이 1.0 ~ 1.5D, 설치높이 1.0D로 나타났다. 초기 막장압 대비 최대 이수압의 비로 막장의 자립 안전율(F)을 제안할 수 있으며, 전방 차수층을 적정 위치에 설치할 경우 초기 막장압보다 3.5~4.0배 크게 이수압을 가할 수 있는 것으로 나타났다.