One of the most popular pre-reinforcement methods of tunnel heading in cohesionless soils would be the fore-polling of grouted pipes, known as RPUM (reinforced protective umbrella method) or UAM (umbrella arch method). This technique allows safe excavation even in poor ground conditions by creating longitudinal arch parallel to the tunnel axis as the tunnel advances. Some previous studies on the reinforcing effects have been performed using numerical methods and/or laboratory-based small scale model tests. The complexity of boundary conditions imposes difficulties in representing the tunnelling procedure in laboratory tests and theoretical approaches. Full-scale study to identify reinforcing effects of the tunnel heading has rarely been carried out so far. In this study, a large scale model testing for a tunnel in granular soils was performed. Reinforcing patterns considered are four cases, Non-Reinforced, Crown-Reinforced, Crown & Face-Reinforced, and Face-Reinforced. The behavior of ground and pipes as reinforcing member were fully measured as the surcharge pressure applied. The influences of reinforcing pattern, pipe length, and face reinforcement were investigated in terms of stress and displacement. It is revealed that only the Face-Reinforced has decreased sufficiently both vertical settlement in tunnel heading and horizontal displacement on the face. Vertical stresses along the tunnel axis were concentrated in tunnel heading from the test results, so the heading should be reinforced before tunnel advancing. Most of maximum axial forces and bending moments for Crown-reinforced were measured at 0.75D from the face. Also it should be recommended that the minimum length of the pipe is more than l.0D for crown reinforcement.
Kim, Sang-Hwan;Kim, Ji-Tae;Lim, Chae-Ho;Lee, In-Keun
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.28
no.4
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pp.79-89
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2012
This paper presents experimental and numerical studies on the closure ratio of tunnel face to reduce pressure and displacement occurring at tunnel face during tunnel excavation. In experimental study, model tests are carried out according to the closure ratio of tunnel face and tunnel depth. Model test results are analyzed and interpreted by numerical calculation in order to verify results obtained from experimental and numerical studies. It is clearly found that tunnel face stability increases with the increase of the closure ratio of tunnel face. The results also show that tunnel face is stable when the closure ratio of tunnel face is larger than 80%. This research will be very useful to develop the economical tunnel face closing system.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.17
no.3
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pp.333-339
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2015
In this paper, the surface settlement resulted from the shallow TBM tunnelling has been numerically simulated. TBM tunnelling is especially used in urban area to avoid serious vibration and noise caused by explosion in NATM. Surface settlement is one of the most important problems encountered in all tunnelling and critical in urban areas. In this study, face vibration of TBM excavation is considered to estimate surface settlement trend according to TBM extrusion. The dynamic excavation forces are calculated by total torque on the TBM cutterhead in mixed-face of soil and weathered rock condition with shallow depth. A 3-dimensional FDM code is employed to simulate TBM tunnelling and mechanical-dynamic coupling analysis is performed. The 3D numerical analysis results showed that dynamic settlement histories and trend of surface settlement successfully. The maximum settlement occurred at the excavation point located at 2.5D behind the face, and the effect of face vibration on the surface settlement was verified in this study.
Kim, Yong-Man;Lee, Sang-Duk;Choo, Seok-Yeon;Koh, Sung-Yil
Journal of the Korean Society for Railway
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v.16
no.1
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pp.47-51
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2013
In this study, we carried out an experimental shield TBM excavation model test using a down-scale device in soft clay, to understand tunnel-face stability properties in relation to changes in slurry pressure. We performed five tests according to tunnel depth (0.5D, 0.75D, 1.0D, 1.25D, 1.5D), and compared theoretical tunnel-face pressure with model test results. The range in theoretical tunnel-face slurry pressure ($P_{min}{\leq}P_{slurry\;pressure}{\leq}P_{max}$), which is determined by earth pressure and water level, was very similar to the model test result. This result was due to the more isotropic condition of the soft clay ground, than of rocky ground.
In this paper, review was made for the excavation method and optimum bench length for unstable tunnel face in case of rock classification type V in order to make the best use of in-situ bearing capacity. 3D FEM analyses were performed to investigate the influences on the tunnel face and adjacent area with regard to the pattern and number of bolts when face bolts were used as a supplementary measure. As a result of this study, full section excavation method with sub-bench is effective in reducing the displacement greatly due to early section closure. Displacement-resistant effects in accordance with the bolting patterns are grid type, zig-zag type and then circular type in order of their effect. And horizontal extrusion displacement of tunnel face reduces as the number of bolts increase. A grid type face bolt covering $1.5m^2$ of tunnel face could secure the face stability in case of full section excavation method with sub-bench.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.25
no.5
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pp.373-386
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2023
To analyze the prediction of geological conditions and water-bearing zones, TSP was performed in the collapse zone of the fault zone. The results of the TSP were verified by comparing them to the face mapping results of the prediction zone. The rock quality prediction result of the TSP had an error of about 3 to 10 meters compared to the face mapping result, but the overall rock quality change and ground condition were analyzed to be relatively similar. In the water-bearing zones of the face mapping results, the Vp/Vs ratio ranges from 1.79 to 2.37 and the Poisson's ratio ranges from 0.27 to 0.39. In the sections other than the water-bearing zones, the Vp/Vs ratio ranges from 1.61 to 1.89, and the Poisson's ratio ranges from 0.19 to 0.3. As a result of analyzing the Vp/Vs ratio and Poisson's ratio in the water-bearing zones, it is analyzed that the sections with a Vp/Vs ratio of 2.0 or more and a Poisson's ratio of 0.3 or more have a high possibility of being water-bearing zones.
Tunnelling under water table induces many geotechnical problems because of groundwater. In subsea tunneling, reduction of face stability can induce flooding in the vicinity of a fracture zone characterized by high permeability and high water pressure. In this study, the effects of high water pressure on the stability of a tunnel face in a limited zone with high permeability(hazardous zone) are analyzed. On the basis of the 'advance core' concept, the seepage force acting on a hypothetical cylinder ahead of a tunnel face is modeled. This study focuses on the hydraulic behavior of the ground ahead of the tunnel face by three-dimensional steady-state seepage analyses. The impact of the hazardous zone on the seepage force and stability of the tunnel face are simulated and analyzed. In light of the analysis results, it is estimated that the distance from the tunnel face to the exterior boundary limit, which the seepage force significantly affects the stability of the tunnel face, of a hypothetical cylinder is approximately 5 times the tunnel radii. Despite the restrictive assumptions of this study, the results are highly indicative regarding the risks of hazardous zones.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.7
no.1
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pp.89-96
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2005
Due to fast development of digital equipments, various information techniques have been applied to the tunneling and a decision aid system based on IT has also been used during excavation stage. A PDA based informative tunneling method is, therefore, studied in this paper and the decision aids for tunneling using digital face mapping data as well as geologic information in terms of digital data is developed. For this, wireless network, mobile computer, CDMA and digital camera have been combined to generate the digital map of the tunnel face and reinforcement or excavation pattern can be estimated based on digitalized geologic conditions. Future studies will be concentrated on the enhancement of the PDA S/W so that reinforcement method as well as the amount of reinforcements can also be stored in the same DB. Furthermore, field application of the S/W will be undertaken and a virtual reality technique will also be introduced to visualize all the tunneling work on the computer monitor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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