During excavation of shallow tunnels in soft ground, failure mechanism around the tunnel face have major influence on the stability of tunnels. In this paper, a series of laboratory tests under plane strain condition on the small scale of a shallow tunnel considering unsupported tunnel length has been performed. The results have shown that tunnel failure mechanism changes from failure mode 1 to failure mode 2 as unsupported tunnel length increases. By comparing the experimental and the numerical results, the loosening pressure for the shallow tunnel and progressive failure have been investigated.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.19
no.6
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pp.871-885
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2017
Nowadays, the construction of tunnels with a shallow depth drastically in urban areas increases. But the effect of sidewall displacement in shallow tunnel on its behavior is not well known yet. Most studies on the shallow tunnel have been limited to the stability and the failure of the tunnel and the adjacent ground in plane strain state. Therefore, the model tests were conducted in a model ground which was built with carbon rods, in order to investigate the impact of the tunnel sidewall displacement on the lateral load transfer to the adjacent ground. The lateral displacement of the tunnel sidewall and the load transfered to the adjacent ground were measured in model tests for various overburdens (0.50D, 0.75D, 1.00D, 1.25D). As results, if the cover depth of tunnel was over a constant depth (0.75D) in a shallow tunnel, the tunnel sidewall was failed with a constant shape not depending on the tunnel cover depth and also not affected by the opposite side of the wall. But, if the cover depth of tunnel was under a constant depth (0.75D), the failure of the tunnel sidewall could affect the opposite sidewall. In addition, if the displacement of tunnel sidewall with 50% of the critical displacement occurred, the tunnel failure was found to be at least 75%. However, additional studies are deemed necessary, since they may differ depending on the ground conditions.
도심지에서의 터널은 주로 얕은 토층비에서 이루어진다. 따라서, 본 연구에서는 토층비 1, 2 정도의 얕은 터널에 대한 터널시공을 고려하였다. 또한, 도심지 얕은 터널에서 겪게 되는 어려움 중 하나인 지상구조물의 손상을 방지하는 것이다. 이러한 경우, 구조물의 손상을 방지하기 위해 소형장비로 간단하고 저렴한 시공이 가능한 마이크로 파일공법의 채택이 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 마이크로 파일의 설치위치와 설치각도 및 두부 고정도를 달리한 실험을 실시하여 토압 및 지표면 침하를 중심으로 그 영향을 평가하였다. 마이크로 파일의 설치위치에 있어서 거리비(A/L$_{p}$) 0.5 이내에서 침하감소면에서 대략 22%~37% 정도의 효과가 있었으며, 마이크로 파일의 두부는 파일간 서로 결속하는 것이 더 효과적임을 알 수 있었다. 이러한 경향은 토압분포에서도 마찬가지이다.다.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.19
no.5
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pp.761-778
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2017
The need of the underground space for the infrastructures in urban area is increasing, and especially the demand for shallow tunnels increased drastically. It is very important that the shallow tunnel in the urban area should fulfill not only its own safety conditions but also the safety condition for the adjacent structures and the surrounding sub-structure. Most of the studies on the behavior of shallow tunnels concentrated only on their behaviors due to the local deformation of the tunnel, such as tunnel crown or tunnel sidewall. However, few studies have been performed for the behavior of the shallow tunnel due to the deformation of the entire tunnel. Therefore, in this study the behavior of the surrounding ground and the stability caused by deformation of the whole tunnel were studied. For that purpose, model tests were performed for the various ground surface slopes and the cover depth of the tunnel. The model tunnel (width 300 mm, height 200 mm) could be simulationally deformed in the vertical and horizontal direction. The model ground was built by using carbon rods of three types (4 mm, 6 mm, 8 mm), in various surface slopes and cover depth of the tunnel. The subsidence of ground surface, the load on the tunnel crown and the sidewall, and the transferred load near tunnel were measured. As results, the ground surface subsided above the tunnel, and its amount decreased as the distance from the tunnel increased. The influence of a tunnel ceased in a certain distance from the tunnel. At the inclined ground surface, the wider subsidence has been occurred. The loads on the crown and the sidewall were clearly visible, but there was no effect of the surface slope at a certain depth. The load transfer on the adjacent ground was larger when the cover depth (on the horizontal surface) was lager. The higher the level (on the inclined surface), the wider and smaller it appeared. On the shallow tunnel under inclined surface, the transfer of the ambient load on the tunnel sidewall (low side) was clearly visible.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.19
no.5
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pp.733-747
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2017
In the shallow tunnel, the surrounding ground could be loosened and deformed, which could be the cause of stress change in the ground. Terzaghi has clarified the development of a ground arching induced by the deformation of a tunnel crown in the trap door tests. However, he considered only the case in which that the tunnel crown deformed uniformly. He did not consider the effect of deformation shapes. Therefore, the relation between the shape of the ground relaxation above the tunnel crown and the deformation shape of the tunnel crown is not clear yet. In this study, model tests were performed for the three types of the tunnel crown, such as uniform, concave and convex shapes. As results, it was found that the vertical load would be transferred in various types depending on the deformation shapes of the tunnel crown.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.20
no.3
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pp.575-592
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2018
Tunnelling is getting more important solutions for problems induced by the growth population in urban areas. Many studies on tunnelling below existing structure are carried out by many researchers. In general, however, ground water condition is ignored for most of researches using laboratory model test, so far. In case of ground behavior, error can occur if the result of effective stress related to hydraulic condition can't be taken into considerations. In this study, therefore, laboratory model test and the close range photogrammetry were conducted to investigate behaviour of ground and shallow foundation using newly device drainage system which is available to express the ground water condition. Also, numerical analysis was carried out to compare to results from the laboratory model test, and was performed with two methods, one is plastic and the other one is fully coupled analysis. Results from those two methods were compared to that of the laboratory model test.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.19
no.6
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pp.887-903
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2017
Lots of shallow tunnels are constructed in the mountainous areas where the stress distribution in the ground around tunnel is not simple, also the impact of stress conditions on the longitudinal load transfer characteristics is unclear. The tunnel construction methods and the ground conditions would also affect the longitudinal load transfer characteristics which would be dependant on the displacement patterns of tunnel face. Therefore, in this study, the slope of the ground surface was varied in $0^{\circ}$, $10^{\circ}$, $20^{\circ}$, $30^{\circ}$, and the longitudinal load transfer depended on the deformation conditions of tunnelface (that were maximum deformation on the top, constant deformation, and maximum deformation on the bottom), and the stress distribution at tunnelface. As results, when the tunnelface deformed, the earth presure on the tunnelface decreased and the load at tunnel crown increased. The load transferred on the crown was influenced by the earth presure on tunnel face. Smaller load would be transfered to the wide areas when the slope of ground surface decreased. When the slope of ground surface became larger, the longitudinal load transfer would be smaller and would be concentrated on tunnelface, In addition, the shape of the transferred load distribution in the longitudinal direction was dependant on the deformation shape of tunnelface. The deformation shape of tunnelface and stress conditions in longitudinal sections would affect the shape and the magnitude of the load transfer in the longitudinal directions.
While the study of the shallow tunnel has been mainly on the longitudinal load transfer and horizontal surface conditions, the study of the ground behavior of shallow tunnel under the slope is not sufficient. Therefore, in this study on the ground behavior around a tunnel due to the sidewall deformation of shallow tunnel under the slope that is excavated in longitudinal direction, a scale-down model test has been performed. The model tunnel has the dimension of 320 mm wide, 210 mm high and 55 mm long with enough material strength in aluminum and the model ground has the uniform ground conditions by 3 types of carbon rods. The model test has been performed with the variables of slopes and the cover depths by controlling the tunnel sidewall deformation, and the change of sidewall-load, load transfer, ground subsidence was monitored and analyzed. According to the increase of the slope, the maximum ground subsidence increased by 20~39% compared to the horizontal surface. The load ratio increased by maximum 20% in the tunnel crown and decreased in sidewall according to the surface slope. The load transfer shows maximum 128% of increase at the cover depth of 1.0D, while at the 1.5D cover depth it shows non-critical difference from horizontal surface. The slope has major effects on load transfer at the cover depth of 1.0D.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.5
no.4
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pp.323-336
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2003
Recently, the development of tunnel reinforcement method has been required relating to the shallow tunnelling in soft ground. In this study, the improvement method on tunnel stability is proposed by evaluating the efficiency of face reinforcement which enables to control extrusion of advance core, however, it is often neglected in urban tunnelling under the poor ground conditions. Systematic pre-confinement ahead of the face improves the tunnel stability, subsequently, displacement of the crown and surface settlement can be restrained by proper method. 3-dimensional numerical analysis including horizontal reinforcement modelling on a face is applied to estimate the behaviour of a tunnel in relation to the ground and reinforcement conditions. Consequently, extrusion at the face decreases significantly after using the horizontal reinforcement and the effect of reinforcement is much increased in case of applying the supplemental reinforcement ahead of the face together. Especially, confinement effect around the tunnel and the core is proved by means of the core reinforcement in poor ground conditions.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.13
no.3
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pp.215-231
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2011
In this study, the behavior of a shallow 2-arch tunnel during the excavation in the sandy ground containing vertical discontinuity plane was experimentally studied. Load transfer mechanism in the pillar caused by a 2-arch tunnel excavation was observed. The position of the vertical discontinuity plane was varied. Model tests were carried out in the normal construction sequence of 2-arch tunnel. Test results-showed that the load transfer caused by the 2-arch tunnel excavation was concentrated in the discontinuity plane, and was cut by the discontinuity plane, so no load transfer took place above the discontinuity plane. It was also shown that the effect of adjacent tunnel excavation on the pillar load and the ground deformation was greater when excavating the upper half-face of the main tunnel, more than when excavating the lower half-face.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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