Shield tunneling method is widely used to build tunnels in complex geological environment. Stability control of tunnel face is the key to the safety of projects. To improve the excavation efficiency or perform equipment maintenance, the excavation chamber sometimes is not fully filled with support medium, which can reduce the load and increase tunneling speed while easily lead to ground collapse. Due to the high risk of the face failure under non-fully support mode, the tunnel face stability should be carefully evaluated. Whether compressive air is required for compensation and how much air pressure should be provided need to be determined accurately. Based on the upper bound theorem of limit analysis, a non-fully support rotational failure model is developed in this study. The failure mechanism of the model is verified by numerical simulation. It shows that increasing the density of supporting medium could significantly improve the stability of tunnel face while the increase of tunnel diameter would be unfavorable for the face stability. The critical support ratio is used to evaluate the face failure under the nonfully support mode, which could be an important index to determine whether the specific unsupported height could be allowed during shield tunneling. To avoid of face failure under the non-fully support mode, several charts are provided for the assessment of compressed air pressure, which could help engineers to determine the required air pressure for face stability.
The construction of shield tunnels is being expanded from the small-bore tunnels such as power, telecommunications, water supply, and sewerage pipes to the large bore tunnels such as road and railway tunnels with the advancement of the shield TBM (Tunnel Boring Machine) manufacturing technology. Accordingly, the construction of twin shield tunnels is increasing. Peck (1969) reported that the surface settlement trough is well described by a Gaussian distribution on a single shield tunnel. Hereafter, many studies about the surface settlement trough were performed by the field measurement, laboratory model test, and numerical analysis. This study confirmed that the additional surface settlement trough induced by the 2nd tunneling were well described by using each Gaussian curve for the right and left sides of the settlement trough.
Kim, Dongku;Pham, Khanh;Park, Sangyeong;Oh, Ju-Young;Choi, Hangseok
Geomechanics and Engineering
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v.21
no.2
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pp.153-164
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2020
Tunnel excavation in shallow soft ground conditions of urban areas experiences inevitable surface settlements that threaten the stability of nearby infrastructures. Surface settlements during shield TBM tunneling are related to a number of factors including geotechnical conditions, tunnel geometry and excavation methods. In this paper, a database collected from a construction section of Hong Kong subway was used to analyze the correlation of settlement-inducing factors and surface settlements monitored at different locations of a transverse trough. The Pearson correlation analysis result revealed a correlation between the factors in consideration. Factors such as the face pressure, advance speed, thrust force, cutter torque, twin tunnel distance and ground water level presented a modest correlation with the surface settlement, while no significant trends between the other factors and the surface settlements were observed. It can be concluded that an integrated effect of the settlement-inducing factors should be related to the magnitude of surface settlements.
Reasonable estimates of tunnel lining dislocations in the operation stage, especially under longitudinal differential settlement, are important for the design of waterproof gaskets. In this paper, a modified shell-joint model is proposed to calculate shield tunnel dislocations under longitudinal differential settlement, with the ability to consider the nonlinear shear stiffness of the joint. In the case of shell elements in the model, an elastoplastic damage constitutive model was adopted to describe the nonlinear stress-strain relationship of concrete. After verifying its applicability and correctness against a full-scale tunnel test and a joint shear test, the proposed model was used to analyze the dislocation behaviors of a shield tunnel in Shanghai Metro Line 2 under longitudinal differential settlement. Based on the results, when the tunnel structure is solely subjected to water-earth load, circumferential and longitudinal joint dislocations are all less than 0.1 mm. When the tunnel suffers longitudinal differential settlement and the curvature radius of the differential settlement is less than 300 m, although maximum longitudinal joint dislocation is still less than 0.1 mm, the maximum circumferential joint dislocation is approximately 10.3 mm, which leads to leakage and damage of the tunnel structure. However, with concavo-convex tenons applied to circumferential joints, the maximum dislocation value reduces to 4.5 mm.
Sang-Hwan Kim;Soo-Jin Lee;Jung-Nam Kwon;Dong-gyun Yoo;Yong-Woo Kim;Kwang-Eun Cho
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.25
no.4
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pp.285-303
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2023
Interest in building underground spaces is increasing for the creation of downtown infrastructure and efficient space utilization. A representative method of utilizing underground space is a tunnel, and in addition to road tunnels, the construction of utility tunnels such as power conduits and utility conduits is gradually increasing. The current basic tunnel construction method can be divided into NATM (New Austrian Tunnelling Method) and TBM (Tunnel Boring Machine). The NATM is a reliable method, but it is accompanied by vibration and noise due to blasting. In the case of the TBM excavation method, there are disadvantages in terms of construction period and construction cost, but it is possible to improve economic feasibility by introducing appropriate complementary methods. In this study, a blasting method was develop using the NATM after TBM pre-excavation using the protective shield method. This is a method that compensates for the disadvantages of each tunnel construction method, and is expected to reduce construction costs, blasting vibration, and noise. In order to review the performance of the developed method, an experiment was conducted to evaluate the performance of explosion-proof tube to which a protective shield scale model was applied, and the impact of blasting vibration of the protective shield method was analyzed.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.9
no.1
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pp.1-18
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2007
This study is about an arrangement method of trapezoidal pre-cast segment lining that can be applied in shield tunnel construction. Trapezoidal segment lining is formed by assembling tapered pre-cast concrete segments taking advantage of the tapered shape of pre-cast segments upon delivery on site. By calculating tapering of the segments manufactured in single type and rotating the segments when putting them together, a variety of tunnel alignments can be arranged in the most efficient way. Once the design criteria and tunnel alignment (straight or curved) is analyzed, the sequence of assembling trapezoidal segments in compliance with tunnel alignment will be computed. On site an operator can utilize the softwareto automatically determine sequential arrangement of trapezoidal segments. When the actual arrangement of segmental lining is different from the computed output, the operator can input the actually measured values to coincide the computerized calculation with the real status of assembly. Then the adjustment will be the basis of subsequent arrangement of segments, thus the continuity of work can be guaranteed.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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1999.10a
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pp.217-223
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1999
Mostly, water leakage took place in construction joints. In case of cable tunnels constructed by open-cut method, waterstops have been used to prevent the water leakage. But, we haven't any experience to install the waterstops in NATM cable tunnels. So, it is necessary to develope the waterstops and test the performance of it in laboratory. We manufactured cable tunnel lining quarter scale model by pouring concrete, and installed the waterstops. After filling the inside of concrete lining about two-third with water, we put the air pressure on the water, In addition, it is also carried out water leakage test for concrete lining model without waterstops. As a result, we confirmed the performance of waterstops and its adaptability. It is also tested that the performance of rubber gaskets used in concrete segments of Shield tunnelling. In addition, we determined the allowable infiltration rate for cable tunnel with non-drainage system.
There are many cross tunnelling methods such as NTR, TRCM, Messer Shield, Front Jacking, and Pipe Roof Method. The advantages of adopting RPS(Roof Panel Shield) method in crossing tunnel construction with comparing other existing cross tunnelling method are needed a little space and easy to change the direction of cutting shoe during the construction of pipe roof. The 3-dimensional numerical analysis of RPS was performed for the application in the crossing tunnel under railroad. The earth pressure distribution and settlement were predicted when the RPS method was applied during the excavation for crossing railroad tunnel construction.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.24
no.1
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pp.79-94
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2022
The demand for tunnel construction is increasing as part of underground space development due to urban saturation. The shield TBM method minimizes vibration and noise and minimizes ground deformation that occurs simultaneously with excavation, and shield TBM is generally applied to tunnel construction in urban areas. The importance of urban ground settlement prediction is increasing day by day, and in the case of shield TBM construction, ground deformation is minimized, but ground settlement due to tunnel excavation inevitably occurs. Therefore, in this study, the correlation between shield TBM, which is highly applicable to urban areas, and ground settlement is analyzed to suggest the shield TBM construction factors that have a major effect on ground settlement. Correlation analysis was performed between the shield TBM construction data and ground settlement measurement data collected at the actual site, and the degree of correlation was expressed as a correlation coefficient "r". As a result, the main construction factors of shield TBM affecting ground settlement were thrust force, torque, chamber pressure, backfill pressure and muck discharge. Based on the results of this study, it is expected to contribute to the presentation of judgment criteria for major construction data so that the ground settlement can be predicted and controlled in advance when operating the shield TBM in the future.
Park Hae Geun;Lee Myeong Sub;Jeon Sang Eun;Park Dong Kyu
Proceedings of the Korea Concrete Institute Conference
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2004.05a
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pp.32-35
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2004
In recent years a number of catastrophic tunnel fires, the Euro tunnel, the Mont Blanc tunnel, the Tauem tunnel and the Gotthard tunnel, have occurred and inflicted serious damages to European countries. If a fire occurs in shield tunnels, the reinforced concrete segment linings playing as an important structural member is expected to damage severely and finally can be caused the collapse of tunnel. The purpose of this study is to evaluate the performance of concrete segment lining under heat exposure and to obtain information to assist a new technical approach to fighting fires in tunnels. In order to evaluate the fire-resistance performance of concrete segment by adding Polypropylene fibers, fire tests using the RABT heat-load curve is carried out. The temperature rise of this curve is very rapid up to $1200^{\circ}C$ within 5 minutes, and duration time of the $1200^{\circ}C$ exposure is 55 minutes. From the fire test, it was found that the explosive spalling was rapidly reduced by adding polypropylene fibers and this method is considered as an effective fireproof material to upgrade fire safety in tunnels economically.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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