During tunnel excavation in urban area a systematic monitoring is important for the purpose of determination of support type and quantity, as well as for the control of stability of both surface structures and the tunnel itself due to the frequently, and in many cases, abruptly changing ground condition. In Austria absolute displacement monitoring methods have replaced relative displacement measurements by geodetic methods to a large extent. Prompt detection of weak ground ahead of the tunnel face as well as better adjustment of excavation and support to the geotechnical conditions is possible with the help of the improved methods of data evaluation on sites. Deformation response of the ground to excavation starts ahead of the tunnel face, therefore, the deformation and state of the tunnel advance core is the key factor of the whole deformation process after excavation. In other words, the rigidity and state of the advance core play a determining role in the stability of both surface structures and the tunnel itself. This paper presents the results from detailed three-dimensional numerical studies, exploring vertical displacements, vector orientations and extrusions on tunnel face during the progressive advancement for the shallow tunnel in various geotechnical conditions.
It is important to measure the displacement behind and ahead of a tunnel face during construction for evaluating mechanical stability by comparing it to a displacement criteria set by tunnel designers. The 30 m long horizontal inclinometer was installed frontward from the tunnel face and the displacement occurred ahead of a tunnel face during excavation was measured by using it. Tunnel arch settlements behind tunnel face were surveyed using a settlement pins on the arch. So total settlement and longitudinal displacement curve were obtained combining settlement measured by both the horizontal inclinometer ahead of tunnel face and the settlement pins behind the tunnel face.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.13
no.4
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pp.347-370
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2011
Slurry type shield would be very effective for the tunnelling in a sandy ground, when the slurry pressure would be properly adjusted. Low slurry pressure could cause a tunnel face failure or a ground settlement in front of the tunnel face. Thus, the stability of tunnel face could be maintained by applying an excess slurry pressure that is larger than the active earth pressure. However, the slurry pressure should increase properly because an excessively high slurry pressure could cause the slurry flow out or the passive failure of the frontal ground. It is possible to apply the high slurry pressure without passive failure if a horizontal impermeable layer is located in the ground in front of the tunnel face, but its location, size, and effects are not clearly known yet. In this research, two-dimensional model tests were carried out in order to find out the effect of a horizontal impermeable layer for the slurry shield tunnelling in a saturated sandy ground. In tests slurry pressure was increased until the slurry flowed out of the ground surface or the ground fails. Location and dimension of the impermeable layer were varied. As results, the maximum and the excess slurry pressure in sandy ground were linearly proportional to the cover depth. Larger slurry pressure could be applied to increase the stability of the tunnel face when the impermeable layer was located in the ground above the crown in front of the tunnel face. The most effective length of the impermeable grouting layer was 1.0 ~ 1.5D, and the location was 1.0D above the crown level. The safety factor could be suggested as the ratio of the maximum slurry pressure to the active earth pressure at the tunnel face. It could also be suggested that the slurry pressure in the magnitude of 3.5 ~4.0 times larger than the active earth pressure at the initial tunnel face could be applied if the impermeable layer was constructed at the optimal location.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.6
no.4
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pp.327-343
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2004
During tunnel construction, ground failures often occur due to existence of weak zones, such as faults, joints, and cavities, ahead of tunnel face. It is hard to detect effectively weak zones, which can lead underground structure to fail after excavation and before supporting, by using conventional characterization methods. In this study, an enhanced analytical method of predicting weak zones ahead of tunnel face is developed to overcome some problems in the conventional geophysical exploration methods. The analytical method is based on Coulomb's and Gauss' laws with considering the characteristics of electric fields subjected to rock mass. Using the developed method, closed form solutions are obtained to detect a spherical shaped zone and an oriented fault ahead of tunnel face respectively. The analytical results suggest that the presence of weak zones and their sizes, location, and states can be accurately predicted by combining a proper inversion process with resistance measured from several electrodes on the tunnel face. It appears that the skin depth or resistivity in rock mass is affected by the diameter of tunnel face, natural electric potential and noises induced by experimental measurement and spatial distribution of uncertain properties. The developed analytical solution is verified through experimental tests. About 1800 concrete blocks of 5cm by 5cm by 5cm in size are prepared and used to model a joint rock mass around tunnel face. Weak zones are simulated ahead of tunnel face with a material which has relatively higher conductivity than concrete blocks. Experimental results on the model test show a good agreement with analytical results.
Tunnelling under water table induces many geotechnical problems because of groundwater. In subsea tunneling, reduction of face stability can induce flooding in the vicinity of a fracture zone characterized by high permeability and high water pressure. In this study, the effects of high water pressure on the stability of a tunnel face in a limited zone with high permeability(hazardous zone) are analyzed. On the basis of the 'advance core' concept, the seepage force acting on a hypothetical cylinder ahead of a tunnel face is modeled. This study focuses on the hydraulic behavior of the ground ahead of the tunnel face by three-dimensional steady-state seepage analyses. The impact of the hazardous zone on the seepage force and stability of the tunnel face are simulated and analyzed. In light of the analysis results, it is estimated that the distance from the tunnel face to the exterior boundary limit, which the seepage force significantly affects the stability of the tunnel face, of a hypothetical cylinder is approximately 5 times the tunnel radii. Despite the restrictive assumptions of this study, the results are highly indicative regarding the risks of hazardous zones.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.18
no.1
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pp.1-12
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2016
When utilizing a Tunnel Boring Machine (TBM) for tunnelling work, unexpected ground conditions can be encountered that are not predicted in the design stage. These include fractured zones or mixed ground conditions that are likely to reduce the stability of TBM excavation, and result in considerable economic losses such as construction delays or increases in costs. Minimizing these potential risks during tunnel construction is therefore a crucial issue in any mechanized tunneling project. This paper proposed the potential risk events that may occur due to risky ground conditions. A resistivity survey is utilized to predict the risky ground conditions ahead of the tunnel face during construction. The potential risk events are then evaluated based on their occurrence probability and impact. A TBM risk management system that can suggest proper solution methods (measures) for potential risk events is also developed. Multi-Criterion Decision Making (MCDM) is utilized to determine the optimal solution method (optimal measure) to handle risk events. Lastly, an actual construction site, at which there was a risk event during Earth Pressure-Balance (EPB) Shield TBM construction, is analyzed to verify the efficacy of the proposed system.
You Kwang-Ho;Song Han-Chan;Kim Ki-Sun;Lee Dae-Hyuck;Park Yeon-Jun
Tunnel and Underground Space
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v.14
no.6
s.53
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pp.440-449
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2004
Rock mass includes natural discontinuities such as joints and faults during its formation. Discontinuities are also referred as planes of weakness because of their weak mechanical characteristics. In the design of underground structures, it is necessary to consider the properties of discontinuities to insure the stability. During the excavation of a tunnel, these discontinuities have to be identified as early as possible so that proper change in excavation method or support design can be made accordingly. The excavation of the tunnel in a stable rock mass causes a 3-dimensional arching effect around the excavation face. It was revealed by previous studies that the existence of a weak zone or a fault zone ahead of tunnel foe induces a typical displacement tendency of convergence. For better understanding of the meaning of influence/trend lines of various displacement components, three-dimensional numerical analyses were conducted while varying deformation moduli, thicknesses and orientations of discontinuities. Numerical results showed that the changes in influence/trend lines of various displacement components were very similar to those by measurements. The discrepancies from the expected values were dependent on the physical properties, thicknesses and orientations of discontinuities.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.21
no.2
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pp.227-242
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2019
This paper presents a method to predict ground types ahead of a tunnel face utilizing operational data of the earth pressure-balanced (EPB) shield tunnel boring machine (TBM) when running through soil ground. The time series analysis model which was applicable to predict the mixed ground composed of soils and rocks was modified to be applicable to soil tunnels. Using the modified model, the feasibility on the choice of the soil conditioning materials dependent upon soil types was studied. To do this, a self-organizing map (SOM) clustering was performed. Firstly, it was confirmed that the ground types should be classified based on the percentage of 35% passing through the #200 sieve. Then, the possibility of predicting the ground types by employing the modified model, in which the TBM operational data were analyzed, was studied. The efficacy of the modified model is demonstrated by its 98% accuracy in predicting ground types ten rings ahead of the tunnel face. Especially, the average prediction accuracy was approximately 93% in areas where ground type variations occur.
No Sang-Lim;Noh Seung-Hwan;Lee Sang-Pil;Kim Moon-Ho;Seo Jung-Woo
Tunnel and Underground Space
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v.15
no.3
s.56
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pp.177-184
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2005
The Sapaesan tunnel, the longest twin tube tunnel (4km) in Korea with 4 lanes each, is under construction with two years of delayed schedule because of the strong opposition from environmental bodies. Therefore, maximizing the construction efficiency was needed in tunnel project to compensate for time delay. This study includes improvements in the construction of the Sapaesan tunnel such as increasing excavation length and changing excavation sequence. In this paper the system for predicting tunnel face ahead is also introduced. Bulk-Emulsion explosive and Cylinder-Cut method were adopted in tunnel blasting to increase the excavation length. Optimum tunnel excavation step was designed to make up delayed time. Tunnel foe mapping, TSP survey and geological prediction system using computerized jumbo-drill were performed fnr safe construction of long and large twin tube tunnel.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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