Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.25
no.6
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pp.423-446
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2023
Shield TBM tunnel linings are segmented into segments and rings. This study investigates the response characteristics of the stress and displacement of the segment lining under seismic waves through modeling that considers the interface behavior between segments by applying a shell interface element to the contact surface between segments and rings. And there is no management criteria for ovaling deformation of segment linings in Korea. So, this study the ovality criteria and meaning of segment lining. The results of study showed that the distribution patterns of stress and displacement under seismic waves were similar between continuous linings and segment linings. However, the maximum values of stress and displacement showed differences from segment linings. The stress distribution of the continuous lining modeled as a shell type has a stress distribution that has continuity in the 3D cylindrical shape, but the segment lining is concentrated outside the segment, and the largest stress occurs at the location where the contact surface between the segment and the ring is concentrated. This intermittent and localized stress distribution shows an increasing as the ovality of the lining increases at seismic waves. The ovality at which the increase in stress distribution begins to show irregularity and localization is about 150‰. Ovality of 150‰ is an unrealistic value that cannot represent actual lining deformation. Therefore, the ovality of the segment lining increase with depth, but it does not have a significant impact on the stability caused by seismic load.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.25
no.4
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pp.305-330
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2023
Unlike NATM tunnels, Shield TBM tunnels have split linings. Therefore, the stress distribution of the lining is different even if the lining is under the same load. Representative methods for analyzing the stress generated in lining in Shield TBM tunnels include Non-joint Mode that does not consider connections and a 2-ring beam-spring model that considers ring-to-ring joints and segment connections. This study is an analysis method by Break-joint Mode. However, we do not consider the structural role of segment lining connections. The effectiveness of the modeling is verified by analyzing behavioral characteristics against vibration loads by modeling with segment connection interfaces to which vertical stiffness and shear stiffness, which are friction components, are applied. Unlike the Non-joint mode, where the greatest stress occurs on the crown for static loads such as earth pressure, the stress distribution caused by contact between segment lining and friction stiffness produced the smallest stress in the crown key segment where segment connections were concentrated. The stress distribution was clearly distinguished based on segment connections. The results of static analysis by earth pressure, etc., produced up to seven times the stress generated in Non-joint mode compared to the stress generated by Break-joint Mode. This result is consistent with the stress distribution pattern of the 2-ring beam-spring model. However, as for the stress value for the train vibration load, the stress of Break-joint Mode was greater than that of Non-joint mode. This is a different result from the static mechanics concept that a segment ring consisting of a combination of short members is integrated in the circumferential direction, resulting in a smaller stress than Non-joint mode with a relatively longer member length.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.26
no.3
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pp.255-280
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2024
If there are concerns about the stability of segment lining due to section deficiency or large deformation in shield TBM tunnel, reinforcement can be done through ground grouting outside the tunnel or by using steel plate reinforcement, ring beam reinforcement, or inner double layer lining inside the tunnel. Traditional analyses of shield TBM tunnels have been conducted using a continuum method that does not consider the segmented nature of segment lining. This study investigates the reinforcement mechanism for double layer reinforced sections with internal steel linings. By improving the modeling of segment lining, this study applies Break-joint mode (BJM), which considers the segmented characteristics of segment lining, to analyze the deformation characteristics of double layer reinforced sections. The results indicate that the existing concrete segment lining functioned similarly to ground reinforcement around the tunnel, rather than distribution the load. In general, both the BJM model considering the segmentation of segment lining and the continuum rigid method were similar deformation shapes and stress distributions of the lining under load. However, in terms of deformation, when the load strength exceeded the threshold, the deformation patterns of the two models differed.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.20
no.6
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pp.1125-1146
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2018
Segment lining applied to the TBM tunnel is mainly made of concrete, and it requires sufficient structural capacity to resist loads received during the construction and also after the completion. When segment lining is design to the Limit State Design, both Ultimate Limit State (ULS) and Service Limit State (SLS) should be met for the possible load cases that covers both permanent and temporary load cases - such as load applied by TBM. When design segment lining, it is important to check structural capacity at the joints as both temporary and permanent loads are always transferred through the segment joints, and sometimes the load applied to the joint is high enough to damage the segment - so called bursting failure. According to the various design guides from UK (PAS 8810, 2016), compression stress at the joint surface can generate bursting failure of the segment. This is normally from the TBM's jacking force applied at the circumferential joint, and the lining's hoop thrust generated from the permanent loads applied at the radial joint. Therefore, precast concrete segment lining's joints shall be designed to have sufficient structural capacity to resist bursting stresses generated by the TBM's jacking force and by the hoop thrust. In this study, bursting stress at the segment joints are calculated, and the joint's structural capacity was assessed using Leonhardt (1964) and FEM analysis for three different design cases. For those three analysis cases, hoop thrust at the radial joint was calculated with the application of the most widely used limit state design codes Eurocode and AASHTO LRFD (2017). For the circumferential joints bursting design, an assumed TBM jack force was used with considering of the construction tolerance of the segments and the eccentricity of the jack's position. The analysis results show reinforcement is needed as joint bursting stresses exceeds the allowable tensile strength of concrete. This highlights that joint bursting check shall be considered as a mandatory design item in the limit state design of the segment lining.
Park, Inn-Joon;Koh, Sung-Yil;Hwang, Chang-Hee;Oh, Myung-Ho;Kim, Young-Jun
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.14
no.5
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pp.547-559
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2012
The concrete structural design in domestic has based on the allowable stress design (ASD) method and ultimate strength design (USD) method. Recently limit state design (LSD) method has issued and attempted to adopt in geotechnical design. Because ASD method and USD method have restriction in economic design. In this study, the generated member forces were calculated about high strength concrete segment lining based on japanese LSD code. And it compared with domestic USD code for identifying the economic design possibility of LSD and domestic applicability. In analysis results, the aspect of moment had generated similarly each other but the member forces of japanese LSD code were decreased (26.0% of moment and 26.7% of shear force) comparing with USD method. For that reason, possibility of economic segment design with stable condition were identified.
For a hydro power plant project, the headrace tunnel having a finished diameter of 3.3 m was constructed in volcanic rocks with well-developed vertical joint and high groundwater table. The intake facility was located 20.3km upstream of the powerhouse and headrace tunnel of 20km in length and penstock of 440m in height connected the intake and the powerhouse. The typical caldera lake, Lake Toba set the geology at the site the caving of the ground caused tension cracks in the vertical direction to be developed and initial stresses at the ground to be released. High groundwater table(the maximum head of 20bar) in the area of well-connected vertical joints delayed the progress of tunnel excavation severely due to the excessive inflow of groundwater. The excavation of tunnel was made using open-shield type TBM and mucking cars on the rail. High volume of water inflowraised the water level inside tunnel to 70cm, 17% of tunnel diameter (3.9m) and hindered the mucking of spoil under water. To improve the productivity, several adjustments such as modification of TBM and mucking cars and increase in the number of submersible pumps were made forthe excavation of severe water inflow zone. Since the ground condition encountered during excavation turned out to be much worse, it was decided to adopt PC segment lining instead of RC lining. Besides, depending on the conditions of the water inflow, rock mass condition and internal water pressure, one of the invert PC segment lining with in-situ RC lining, RC lining and steel lining was applied to meet the site specific condition. With the adoption of PC segment lining, modification of TBM and other improvement, the excavation of the tunnel under severe groundwater condition was successfully completed.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.23
no.5
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pp.325-337
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2021
On the road and rail tunnels, the evacuation pathway and facilities such as smoke-control and fire suppression system are essential in tunnel fire. In the long twin tunnels, the cross-connection tunnel is usually designed to evacuate from the tunnel where the fire broke out to the other tunnel. In twin shield tunnels, the segment lining has to be demolished to construct the cross-connection tunnel. Considering the modern shield TBM is mostly the closed chamber type, the exposure of underground soil induced by removal of steel segment lining is the most danger construction step in the shield tunnel construction. This case study introduces the excavation method using the thrust of large steel pipe and reviews the measured data after the construction. The large steel pipe thrust method for the cross-connection tunnel can stabilize the excavated face with the two mechanisms. Firstly, the soil in front of excavated face is cylindrically pre-supported by the large steel pipe. Secondly, the excavated face is supported by the plugging effect caused by the soil pressed into the steel pipe. It was reviewed that the large steel pipe thrust method in the cross-connection tunnel is enough to secure the construct ability and stability in soil from the measurement results about the deformation and stress of steel pipe.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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