In this study, the behavior and safety of an existing tunnel and its facilities are investigated when a new tunnel adjacent to the existing tunnel is blasted. The design of the new tunnel puts priority on stability of the tunnel itself over the safety of the facilities which are installed within the existing tunnel such as jet fans. And thus, a detailed consideration on securing the safety of the existing facilities has been insufficient. An analysis on the types of traffic accidents in the last ten years shows that most incidents were due to the driver's improper response in emergency situations and unexpected obstacles. In consideration of this analysis, the safety of the facilities in the existing tunnel was secured by minimizing the charging amount for each hangfire and changing the excavation method of evacuation communication shelters to the large center hole cut blasting method to reduce blasting vibration. For a more quantitative analysis, measurement devices were installed inside the existing tunnel, at houses adjacent to the new tunnel, near jet fans in the existing tunnel. This enabled real time measurement of displacements of the existing tunnel, adjacent houses, and jet fans without interrupting traffic flow. Therefore, the improvements of charging amount for each hangfire, the blasting method, and the measurement method are suggested in this paper to secure the safety of the facilities in the existing tunnel when a new tunnel, located on a large city and adjacent to an existing tunnel, is designed.
The development of a city is closely linked to the construction and operation of its subway system. However, constructing a new subway tunnel under an existing station is an extremely complex task, and the deformation characteristics and mechanical behavior of the new subway tunnel during the excavation process can greatly impact the normal operation of the existing station. Although the previous studies about the case of underpass engineering have been carried out, there is limited research on the condition of a newly-built subway tunnel that closely undercrossing an existing station with zero distance between them. Therefore, this study analyzes the deformation law and mechanical behavior characteristics of the preliminary lining of the underpass tunnel during the excavation process based on the real engineering case of Chengdu Metro Line 8. This study also makes an in-depth comparison of the influence of different excavation methods on this issue. Finally, the accuracy of numerical simulation is verified by comparing it with on-site result. The results indicate that the maximum bending moment mainly occurs at the floor slab of the preliminary lining, while that of the ceiling is small. The stress state at the ceiling position is less affected by the construction process of the pilot tunnel. Compared to the all-in-one excavation method, although the process of partial excavation method is more complicated, the deformation of preliminary lining caused by it is basically less than the upper limit value of the standard, while that of the all-in-one excavation method is beyond standard requirements.
In order to release the pressure fluctuations and micro-pressure wave induced by the entering of train into the small cross sectional tunnel, it has been reported that the construction of air shaft has more advantages with respect to economy and constructability than the enlargement of cross section of existing tunnel. The field monitorings and analytical studies were conducted simultaneously in this study to analyze the mechanical behavior of existing railway tunnel, new cross tunnel and new shaft by the construction of new shaft nearby. The results showed that the minimum distance from existing tunnel to new shaft which secures the stability of existing tunnel was found to be half diameter of existing tunnel. On the three dimensional mechanical behavior of existing tunnel by the construction of new shaft, the results from the analytical study and field monitoring had a similar trend. The analytical study and field monitoring results, however, produced somewhat different results on the mechanical behavior of new shaft itself. These conclusions induce that the analytical method which has been applied on the analyses of horizontal tunnel could not be applied in the same way on the analysis of vertical shaft.
When the ground is excavated adjacent to the existing tunnel, which is loaded by the surcharge on the ground surface, the tunnel stability would be very sensitive to the deformation of the ground induced by the horizontal displacement of braced wall. The stability of the existing surcharged tunnel could be controlled by pre-loading on the braced wall. In this paper, it was investigated, if it would be possible to keep the existing surcharged tunnel stable by preventing the horizontal displacement of a braced wall by imposing the pre-loading during the ground excavation. For this purpose, large scale model tests were performed in a scale 1/10 at the test pit which was 2.0m in width and 6.0m in height and 4.0m in length. Isotropic test ground was constructed homogeneously by wet sand. Model tunnel was constructed in the test ground. Surcharge was loaded on the ground surface above the tunnel. During the tests, the behavior of model tunnel and model braced wall was measured. Numerical analyses were also performed in the same condition as the tests. And their results were compared to that of the model tests. Consequently, the effect of a surcharge could be compensated by imposing the pre-loading on the braced wall. The existing tunnel and the braced wall could be kept stable by preventing the horizontal displacement of the braced wall through pre-loading, although the tunnel is surcharged.
The dynamic response of crossing tunnels under heavy-haul train loads is still not fully understood. In this study, based on the case of a high-speed tunnel underneath an existing heavy-haul railway tunnel, a model experiment was performed to research the dynamic response characteristics of crossing tunnels. It is found that the under-crossing changes the dynamic response of the existing tunnel and surrounding rock. The acceleration response of the existing tunnel enhances, and the dynamic stress of rock mass between crossing tunnels decreases after the excavation. Both tunneling and the excitation of heavy-haul train loads stretch the tunnel base, and the maximum tensile strain is 18.35 µε in this model test. Then, the measured results were validated by numerical simulation. Also, a parametric study was performed to discuss the influence of the relative position between crossing tunnels and the advanced support on the dynamic behavior of the existing tunnel, where an amplifying coefficient of tunnel vibration was introduced to describe the change in acceleration due to tunneling. These results reveal the dynamic amplifying phenomenon of the existing tunnel during the new tunnel construction, which can be referred in the dynamic design of crossing tunnels.
A certain range of the original ground around the tunnel should be preserved to ensure structural safety of the tunnel when other structures are made around the tunnel, and thus this range is defined as safety zone of the tunnel. The main points to ensure the stability of an existing tunnel when constructing a new tunnel in an inter-crossing area are distance between two tunnels, size of the new tunnel, excavation method for the new tunnel, ground condition around the tunnel, and lining type of the existing tunnel etc. When the new tunnel is excavated above the existing tunnel, the existing tunnel is likely to suffer deformation at a crown zone, damage of arching effect, and live load of the new tunnel etc. On the other hand, when the new tunnel is excavated below the existing tunnel, the existing tunnel is likely to be damaged due to settlement. This study has been made on the behavior of the existing tunnel by means of model test and numerical analysis when the new tunnel is excavated below the existing tunnel. Safety zone of the tunnel was estimated by the results of strength/stress ratio obtained from numerical analysis, and the movement of ground was estimated by the model test. The results of earth pressure, ground displacements, and convergence of the tunnel obtained from model test were compared with those of numerical analysis, and show a similar trend.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.20
no.3
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pp.609-623
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2018
If the ground is excavated in a depth which is deeper than the adjacent existing tunnel, the behavior of the braced wall is known to be greatly affected by the presence of the tunnel. By the way it is expected to be also affected by the structure on the ground surface, There are not many examples of studies which are conducted on this subject. As a result, largel scale model tests and analysis were conducted, to measure the behavior of the tunnel under the building whose location on the ground surface was varied during the adjacent ground excavation. For this purpose, the location of a building load was varied in 0 m, 1D, 2D on ground surface. In this paper, the behaviors of braced wall and adjacent tunnel was studied. Model tests in 1 : 10 scale were performed in real construction sequences. The size of test pit was $2.0m(width){\times}6.0m(height){\times}4.0m(length)$ in dimension. As a result, it was found that the stability of the existing tunnel under the influence of the building load on the ground surface adjacent to the braced wall.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2002.03a
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pp.717-724
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2002
To investigate the behavior of air-shaft and existing tunnel by excavating the small-diameter shaft into the existing tunnel, prototype air-shaft was constructed and analyzed in this study. Geotechnical characterization was conducted by boring and rock cores obtained were tested in the laboratory. Field monitoring including radial and tangential stresses and displacements was conducted with the 3-dimensional numerical analysis of prototype air-shaft. Results of field monitoring were compared with the numerical results. The results showed that maximum displacement of 2.11mm and maximum tangential stress of 54.0 kg/$\textrm{cm}^2$ were obtained during shaft excavation near the right shoulder of the existing tunnel. The comparison of these field measurements with 3-dimensional numerical analysis showed that much more higher stress was measured during excavation compared to the numerical results even though the trends of stress and displacement were similar.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2006.10a
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pp.179-190
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2006
The water supply tunnel has different characteristics which play a important role in stable water supply to the public from mechanical behavior and maintenance in comparison with road md railway tunnel. In this study, the present state and characteristics of water supply tunnels controlled by K-water have been investigated. The distribution of effective stresses that takes into account the effect of seepage forces induced by internal water pressure are estimated from closed-form and numerical method. The analysis of stress-strain behavior, seepage problem and hydrojacking for ensuring safety of existing water supply tunnel against neighboring new construction has been conducted.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.20
no.3
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pp.640-655
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2018
Recently, the construction of the urban area has been rapidly increasing, and the excavation work of the ground has been frequently performed at the upper part of the existing underground structures. Especially, when the structure is constructed after the excavation of the ground, the loading and unloading process in the ground under the excavation basement can affect the existing underground structures. Therefore, in order to maintain the stability of the existing underground structure due to the excavation of the ground, it is necessary to accurately grasp the influence of the excavation and the structure load in the adjoining part. In this study, the effect of the excavation of the ground and the new structure load on the existing tunnel was experimentally implemented and the influence of the adjacent construction on the existing tunnel was investigated. For this purpose a large testing model with 1/5 scale of the actual size was manufactured. The influence of ground excavation, width of the load due to new structure, and distance between centers of tunnel and of excavation on the existing tunnel was investigated. In this study, it was confirmed that the influence on the existing tunnel gets larger, as the excavation depth get deeper. At the same distance, it was confirmed that the tunnel displacement increased up to three times according to the increase of the building load width. That is, the load width influences the existing tunnel larger than the excavation depth. As the impact of the distance between centers of tunnel and of excavation, it was confirmed that tunnel crown displacement decreased by 48%. The result showed that a tunnel is located in the range of 1D (D: tunnel diameter) from the center of excavation, the effect of excavation is the largest.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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