It is the common practice to over design the reinforcement for the secondary tunnel lining due to the lack of rational insight into the ground loosening loads. and due to the conservative application of the empirical design methods. The main loads of the secondary lining are the ground Loosening loads and the ground water pressure, and the ground load is critical in the reinforcement design of the secondary lining in the case of drained tunnel. If the external load is absent around a tunnel, the reasons of the load far secondary tunnel lining are the deterioration of the primary supports such as shotcrete, steel rib, and rockbolts. Accordingly, the analysis method considering the ground-primary supports-secondary lining interaction should be required tar the rational design of the secondary tunnel lining. In this paper, the interaction was conceptually described by the simple mass-spring model and the load transfer from the ground and primary supports to the secondary lining is showed by the ground-primary supports-secondary lining reaction curves fur the theoretical solution of a circular tunnel. And also, the application of this proposed model to numerical analysis is verified in order to check the potential far the tunnel with the complex analysis conditions.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.17
no.6
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pp.575-586
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2015
In NATM tunnel, the Ground-Lining Interaction model(GLI model) had been proposed a one of the numerical analysis as the ground load estimation method of the concrete lining. But this model was not applied with the interface mechanism between the ground and the support member or concrete lining. Therefor in this study, it is implemented as a model for closer than actual states that the interface element applied to the existing GLI model. And the modified GLI formula is proposed with the ground load estimation that is from the numerical results for each ground and rock cover conditions. Based on the numerical results, the ground load acting on concrete lining is reduced to ave. 88~106% in case of IV ground condition and ave. 47~57% in case of weathered soil condition comparing with the existing GLI model. It can be anticipated that the results obtained from this study can be applied to an estimation of the ground load on the concrete lining modeled like as real states, consistent and economical design.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.11
no.4
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pp.427-435
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2009
This study deals with the analytical solution for soil-lining interaction in a deep and circular tunnel. Simple closed-form analytical solutions for thrust and moment in the circular tunnel lining due to static and seismic loadings are developed by considering the relations between displacement and interaction forces at the soil-lining interface. The interaction effect at the soil-lining interface is considered with new ratios (the normal and shear stiffness ratios). The effects of the ratios on the normalized thrust and the normalized moment are investigated.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.8
no.4
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pp.365-375
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2006
The structural analysis for the secondary lining of tunnels is generally performed by a frame analysis model. This model requires a ground loosening load estimated by some empirical methods, but the load is likely to be subjective and too large. The ground load acting on the secondary lining is due to the loss of the supporting function of the first support members such as shotcrete and rockbolts. Therefore, the equilibrium condition of the ground and the first support members should be considered to estimate the ground load acting on the secondary lining. Ground-lining interaction model, shortly GLI model, is developed on the basis of the concept that the secondary lining supports the ground deformation triggered by the loss of the support capacity of the first support members. Accordingly, the GLI model can take into account the ground load reflecting effectively not only the complex ground conditions but the installed conditions of the first support members. The load acting on the secondary lining besides the ground load includes the groundwater pressure and earthquake load. For the structural reinforcement of the secondary lining based on the ultimate strength design method, the factored load and various load combination should be considered. Since the GLI model has difficulty in dealing with the factored load, introduced in this study is the superposition principle in which the section moment and force of the secondary lining estimated for individual loads are multiplied by the load factors. Finally, the design method of the secondary lining using the GLI model is applied to the case of a shallow subway tunnel.
Shield tunnel having circular section located in the soil or soft rock layer is liable to deform in such a way that its two diagonal diameters crossing each other expand and contract alternately during earthquakes. Based on this knowledge, the ground-tunnel interaction effect for this particular vibration mode is investigated. The ground surrounding a tunnel is assumed to be a homogeneous elastic medium. The bonded boundary condition on the ground-tunnel interface is considered. This suggests a firm bond between the ground and the tunnel lining. As Poisson's ratio and stiffness of the ground increases, the strain induced within the tunnel lining increases.
GLI model was verified to consider the interaction between a ground and a tunnel lining and to rationally reduce the ground load acting on the secondary lining(concrete lining) of a tunnel. In this study, the economy and the construction condition of tunnel concrete linings designed by a conventional frame model at Lot O of OO line were highly enhanced through a field design change using GLI model. For a few safe considerations, not only about 50% saving of reinforcing steel could reduce the material cost but also the wide space between bars could make it easy to pour concrete mix without voids. There was large saving effect of reinforcing steel for poor ground conditions because Terzaghi's load used in the conventional frame model produces too much high loads for those conditions.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.7
no.2
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pp.97-108
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2005
This paper presents the effect of tunneling and groundwater interaction on tunnel behavior. As part of this study, design issuses for tunneling situations similar to that considered in this study are first identified. A parametric study is then conducted on tunneling situations frequently encountered in Seoul area using a 3D stress-pore presure coupled finite-element model with emphasis on the effects of ground and lining permeabilities. The results indicate that tunneling in water bearing ground results in a deeper and wider settlement trough, increased axial thrusts in shotcrete lining than those without the groundwater. Also revealed is that the axial thrusts in shotcrete lining are governed by the relative permeability between the ground and the lining. Design implications of the findings from this study are discussed.
This paper presents the effect of groundwater on tunnel excavation. Fundamental issues in tunneling under high groundwater table are discussed and the effect of groundwater on tunnel excavation was examined using a 3D stress-pore pressure coupled finite-element analysis. Based on the results the interaction mechanism between the tunnelling and groundwater is identified for cases having different lining permeabilities. Examined items include pore pressures around lining and lining stresses. Face deformation behavior as well as ground surface movement patterns was also examined. Besides, the effect of grouting pattern was investigated. The results indicated that the effect of groundwater on tunnel excavation increases lining stresses as well as ground movements, and that the tunnel excavation and groundwater interaction can only be captured through a fully coupled analysis. Implementations of the findings from this study are discussed in great detail.
In this study, the tunnel loads acting on the concrete lining are analyzed by comparing three methods - Terzaghi table, Terzaghi formula and Ground-Lining Interaction (G.L.I) model. The tunnel loads are analyzed by FLAC 2D. And the G.L.I model is analyzed under various rock mass ratings, tunnel depths (20~80m) and in-situ stress ratios ($K_0$=0.5~2.0). Terzaghi's method can be applied only to weathered rocks and soils, and cannot reflect the effect of various tunnel depths and in-situ stress ratio. The proposed G.L.I model can not only be applied to various ground conditions, but also relieves the tunnel loads by up to 30%.
A concrete lining of NATM tunnel is the final product of a process that involves planning and evaluation of user needs, geotechnical investigations, analysis of ground-lining interaction, construction, and observations and modifications during construction. The designer must consider the lining in context of the many function, construction, and geotechnical requirements. Also, the loss of supporting capacity of shotcrete lining due to poor rock qualities and shotcrete erosion must be considered. The values, shapes, and estimating methods of rock load and water pressure are very different with every designers. Estimating methods of rock loads used in the design of NATM tunnel concrete lining are investigated. Structural analyses are done in various load combinations, and the member forces(moment, axial force and shear force) are compared. The adequate load combination of rock load and water pressure is proposed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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