The safety of a tunnel under seismic motion is most often evaluated by ovalling deformation of tunnel. This paper research about tunnel's longitudinal deformation. Because of spatial variation of seismic ground motion, the longitudinal structures like tunnel are likely to experience relative displacements along longitudinal direction. The spatially variable ground motion can be estimated by coherency function obtained empirically, and can be considered from different arrival times of ground motion. As a result of estimating tunnel's relative displacements at maximum curvature of tunnel, the displacements and curvatures estimated by coherency function affect the tunnel's safety more than different arrival times. However, if tunnel's displacements by coherency function superpose on displacements by different arrival times, the relative displacements and curvatures of tunnel will be more severe. Therefore, to estimate accurately tunnel's deformation in longitudinal direction has to consider both coherency and wave passage effects.
An, Joon-Sang;Kim, Byung-Chan;Moon, Hyun-Koo;Song, Ki-Il
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.18
no.6
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pp.545-556
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2016
If a back analysis is used in various measurement information for the estimation of an operating subsea tunnel safety, it is possible to obtain the results within efficient error rate. With such a commercial geotechnical analysis program as FLAC3D, back analysis is performed with a DEA which was validated in previous studies. However, there is a problem that is relatively a time-consuming analysis. For this reason, beam-spring model-based FEM solver which takes shorter relative analysis time, was developed by Python language, and then combined with the built-DEA. In order to consider the assessment of safety of an operation tunnel near real-time, a program for longitudinal direction tunnel was developed due to its relative easy development for analysis solver engine.
Various components including wave scattering, wave passage, and site amplification effects cause the ground motion to vary spatially. The spatially varying ground motion can significantly influence the dynamic response of longitudinal structures such as bridges and tunnels. While its effect on bridges has been extensively studied, there is a lack of study on its effect on underground tunnels. This paper develops a new procedure for simulating the tunnel response under spatially varying ground motion. The procedure utilizes the longitudinal displacement profile, which is developed from spatially variable ground motion time histories. The longitudinal displacement profile is used to perform a series of pseudo-static three dimensional finite element analyses. Results of the analyses show that the spatially variable ground motion cause longitudinal bending of the tunnel and can induce substantial axial stress on the tunnel lining. The effect can be significant at boundaries at which the material properties of the ground change in the longitudinal direction.
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.
We conducted three-dimensional finite element analysis to predict the presence of upcoming fault zones during tunneling. The analysis considered longitudinal displacements measured at tunnel face, and used 28 numerical models with various fault attitudes. The x-MR (moving range) control chart was used to analyze quantitatively the effects of faults distributed ahead of the tunnel face, given the occurrence of a longitudinal displacement. The numerical models with fault were classified as fault gouge, fault breccia, and fault damage zones. The width of fault cores was set to 1 m (fault gouge 0.5 m and fault breccia 0.5 m) and the width of fault damage zones was set to 2 m. The results, suggest that fault centers could be predicted at 2~26 m ahead of the tunnel face and that faults could be predicted earliest in the 45° dip model. In addition, faults could be predicted earliest when the angle between the direction of tunnel advance and the strike of the fault was smallest.
Cho, Young Kyo;Lee, Young Hoon;Park, Beom Keun;Kim, Seong-Min
International Journal of Highway Engineering
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v.19
no.6
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pp.47-56
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2017
PURPOSES : The purpose of this study is to investigate the stresses of the middle slab in a double-deck tunnel owing to the slab lift to replace the underlying elastic pads during maintenance work. METHODS : The middle slab was divided into three different sections: typical section, expansion joint section, and emergency passageway section. Finite element analysis models of these three sections of middle slab were developed, and the stress distribution and maximum stresses were obtained using the models when the middle slab was lifted to replace the underlying elastic pads. Various slab lifting methods were examined in this study such as one-, two-, and multiple-point lifts, distributed lifts, and one or both slab side edge lifts. RESULTS : When the slab side edge is lifted, the longitudinal stresses of the slab are almost the same as the principal stresses. This implies that the governing stresses are the longitudinal stresses. The maximum stresses with both-edge lifts are generally smaller than those with one-edge lifts at all three sections of middle slab. CONCLUSIONS : If the middle slab in a double-deck tunnel is lifted for maintenance, the slab should be lifted at multiple points along the longitudinal direction to reduce the tensile stresses.
The selection of the support system is an important design parameter in design and construction of the tunnel using the new Australian tunnel method. It is a common practice to select the support based on the rock mass grade, in which the rock mass is classified into five rock groups. The method is applicable if the characteristics of the rock mass are uniform in the direction of tunnel excavation. However, such case is seldom encountered in practice and not applicable when the properties vary along the longitudinal direction. This study performs comprehensive three dimensional finite difference analyses to investigate the ground deformation pattern for cases in which the rock mass properties change in the direction of the tunnel axis. The numerically calculated displacements at the tunnel crown show that the displacement is highly dependent on the stiffness contrast of the rock masses. The results strongly indicate the need to select the support type $0.5\sim1.0D$ before the rock mass boundary. The paper proposes a new guideline for selecting the support type based the results of the analyses.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.21
no.6
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pp.825-835
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2019
When the tunnel is designed, the ground is classified into several grades and the corresponding support system is applied according to the support pattern table. However, a simple pattern application based on rock grade does not take into account the longitudinal stress transitions occurring at rock grade boundaries. In this study, three-dimensional numerical analysis was performed to estimate the stress change in the longitudinal rock grade change of NATM tunnel, and the influence zone of load transfer was investigated using the influence line and trend line. As a result, the downward change of rock grade in the direction of tunnel excavation occurs in the range of 0.35~0.7D from low-strength rock to high-strength rock around the grade change boundary. It is necessary to apply a downward pattern of about 1.0D to the safety direction in consideration of the influence range of 0.35D to 0.7D.
Wind tunnel experiments were conducted to investigate the wind characteristics in the mountainous valley terrain with 4 simplified valley models and a 1:500 scale model of an existing valley terrain in the simulated atmospheric neutral boundary layer model. Measurements were focused on the mean wind flow and longitudinal turbulence intensity. The relationship between hillside slopes and the velocity speed-up effect were studied. By comparing the preliminary results obtained from the simplified valley model tests and the existing terrain model test, some fundamental information was obtained. The measured results indicate that it is inappropriate to describe the mean wind velocity profiles by a power law using the same roughness exponent along the span wise direction in the mountainous valley terrain. The speed-up effect and the significant change in wind direction of the mean flow were observed, which provide the information necessary for determining the design wind speed such as for a long-span bridge across the valley. The longitudinal turbulence intensity near the ground level is reduced due to the speed-up effect of the valley terrain. However, the local topographic features of a more complicated valley terrain may cause significant perturbation to the general wind field characteristics in the valley.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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