Population concentration in urban areas has led traffic management a central issue. To mitigate traffic congestions, the government has planned to construct large-cross-section tunnels deep underground. This study focuses on estimating the damage caused to frame structures owing to tunnel excavation. When constructing a tunnel network deep underground, it is necessary to divide the main tunnel and connect the divergence tunnel to the ground surface. Ground settlement is caused by excavation of the adjacent divergence tunnel. Therefore, predicting ground settlement using diverse variables is necessary before performing damage estimation. We used the volume loss and cover-tunnel diameter ratio as the variables in this study. Applying the ground settlement values to the settlement induction device, we measured the extent of damage to frame structures due to displacement at specific points. The vertical and horizontal displacements that occur at these points were measured using preattached LVDT (Linear variable differential transformer), and the lateral strain and angular distortion were calculated using these displacements. The lateral strain and angular distortion are key parameters for structural damage estimation. A damage assessment chart comprises the "Negligible", "Very Slight Damage", "Slight Damage", "Moderate to Severe Damage", and "Severe to Very Severe Damage" categories was developed. This table was applied to steel frame and concrete frame structures for comparison.
Model tests on propped retaining walls were performed for the investigation of wall displacement, distribution of earth pressure, surface settlement and underground movement at various excavation stage in sand. The result of model tests on the trough of surface settlement showed considerable difference depending on the characteristic of wall stiffness, wall friction and soil condition. The location of maximum underground movement were found to be at range of 0.15H to 0. 1H(H: Final excavation depth). Effect of arching by the redistribution of earth pressure were closely related to the stiffness of wall as well as the soil condition. The wall displacement and earth pressure distribution were simulated by elasto - plastic beam analysis program and finite element method with GDHM model respectively. The result of elasto-plastic analysis showed some discrepancy on the wall displacement and earth pressure, but result of underground movement by FEM with various wall stiffness were in good agreement with the model tests.
As the intensity of urban underground space development increases, more and more tunnels are planned and constructed, and sometimes it is inevitable to encounter situations where tunnels have to underpass the river embankments. Most previous studies involved tunnels passing river embankments perpendicularly or with large intersection angle. In this study, a project case where two EPB shield tunnels with 8.82 m diameter run parallelly underneath a river embankment was reported. The parallel length is 380 m and tunnel were mainly buried in the moderate / slightly weathered clastic rock layer. The field monitoring result was presented and discussed. Three-dimensional back-analysis were then carried out to gain a better understanding the interaction mechanisms between shield tunnel and embankment and further to predict the ultimate settlement of embankment due to twin-tunnel excavation. Parametrical studies considering effect of tunnel face pressure, tail grouting pressure and volume loss were also conducted. The measured embankment settlement after the single tunnel excavation was 4.53 mm ~ 7.43 mm. Neither new crack on the pavement or cavity under the roadbed was observed. It is found that the more degree of weathering of the rock around the tunnel, the greater the embankment settlement and wider the settlement trough. Besides, the latter tunnel excavation might cause larger deformation than the former tunnel excavation if the mobilized plastic zone overlapped. With given geometry and stratigraphic condition in this study, the safety or serviceability of the river embankment would hardly be affected since the ultimate settlement of the embankment after the twin-tunnel excavation is within the allowable limit. Reasonable tunnel face pressure and tail grouting pressure can to some extent suppress the settlement of the embankment. The recommended tunnel face pressure and tail grouting pressure are 300 kPa and 550 kPa in this study, respectively. However, the volume loss plays the crucial role in the tunnel-embankment interaction. Controlling and compensating the tunneling induced volume loss is the most effective measure for river embankment protection. Additionally, reinforcing the embankment with cement mixing pile in advance is an alternative option in case the predicted settlement exceeds allowable limit.
Rezaei, Amir H.;Shirzehhagh, Mojtaba;Golpasand, Mohammad R. Baghban
Geomechanics and Engineering
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v.19
no.2
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pp.153-165
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2019
A case study of monitoring and analysis of surface settlement induced by tunneling of Tabriz metro line 2 (TML2) is presented in this paper. The TML2 single tunnel has been excavated using earth pressure balanced TBM with a cutting-wheel diameter of 9.49 m since 2015. Presented measurements of surface settlements, were collected during the construction of western part of the project (between west depot and S02 station) where the tunnel was being excavated in sand and silt, below the water table and at an average axis depth of about 16 m. Settlement readings were back-analyzed using Gaussian formula, both in longitudinal and transversal directions, in order to estimate volume loss and settlement trough width factor. In addition to settlements, face support and tail grouting pressures were monitored, providing a comprehensive description of the EPB performance. Using the gap model, volume loss prediction was carried out. Also, COB empirical method for determination of the face pressure was employed in order to compare with field monitored data. Likewise, FE simulation was used in various sections employing the code Simulia ABAQUS, to investigate the efficiency of numerical modelling for the estimating of the tunneling induced-surface settlements under such a geotechnical condition. In this regard, the main aspects of a mechanized excavation were simulated. For the studied sections, numerical simulation is not capable of reproducing the high values of in-situ-measured surface settlements, applying Mohr-Coulomb constitutive law for soil. Based on results, for the mentioned case study, the range of estimated volume loss mostly varies from 0.2% to 0.7%, having an average value of 0.45%.
This paper describes the findings obtained from a research project aimed at investigating, via 1 g laboratory model tests, the ground movements caused by multiple side-by-side (sbs) tunnel construction in clay. The ground movements above a second tunnel showed different trends from those observed above a first tunnel. These trends include an increase in the overall volume loss, and a widening of the settlement troughs on the near limb of the trough accompanied by a shift of the maximum settlement towards existing tunnel. This would suggest that the use of simple predictive methods of adopting a Gaussian curve for analysing the ground settlements associated with twin (sbs) tunnel construction is not appropriate. Therefore the current paper adopts a method that modifies the Gaussian curve approach in order to improve the predictions. This paper comments on the parameter selection involved with adopting this new method to apply it to full-scale field situations, and also discusses its limitations.
본 고에서는 도심지 터널의 과학적인 설계/시공을 위한 요소기술 확보의 일환으로 기존의 연구자들이 제시한 손상평가 기법을 토대로 터널굴착에 따른 지중매설관 손상여부의 예비평가를 위한 평가기법을 제시하였다. 제시된 기법을 토대로 다양한 경우에 대한 매개변수 연구를 수행한 결과 지반침하곡선의 경사 및 곡률 등 침하곡선의 제반특성에 기반을 둔 본 연구에서 개발된 손상평가기법의 평가결과는 변곡점의 위치에 많은 영향을 받는 것으로 나타났으며, 따라서 현장 특유의 지반특성 및 시공조건이 반영된 변곡점 산정식의 개발을 위한 지속적인 연구가 필요한 것으로 판단된다. 아울러서 터널심도가 터널직경의 2.5배 이하인 경우 손상도가 현저히 증가하며, 전반적으로 관의 재질이나 조인트의 형식에 관계없이 관체의 인장변형률이 손상여부를 결정짓는 인자인 것으로 나타났다. 본 연구에서 얻어진 결과를 종합하여 터널과 매설관의 상대적 위치 및 지반손실량에 따라 매설관의 손상정도를 정량적으로 평가할 수 있는 설계도표를 제시하였다.
Brick wall models with window opening, length 1.844m $\times$ height 0.6m, representing 2-story building was constructed on a scale of 1/10 of actual size of brick building for the investigation of damage mechanism. Six settlement troughs presenting six stages of excavation were simulated by Peck(1969) and O'Rourke et al.(1976) methods. The results from the model tests using Peck(1969) and O'Rourke et al.(1976) method indicated that angular distortion of brick wall by O'Rourke et at. method was 21% greater than that of Peck method. Horizontal displacement by O'Rourke et al.(1976) was 24% greater than that of Peck. When the degree of building damage for the O'Rourke et al. method of settlement trough is plotted on the damage level graph(Boscardin & Cording, 1989), damage level becomes much more severe than the level obtained by peck's method. Also, building stiffness and soil-structure interface are considered important factors of expressing building damage.
Tunnel excavation leads to a disturbance on the initial stress balance of surrounding soils, which causes convergences around the tunnel and settlements at the ground surface. Considering the effective impact of settlements on the structures at the surface, it is necessary to estimate them, especially in urban areas. In the present study, ground settlements due to the excavation of East-West Line 7 of the Tehran Metro (EWL7) and the Abuzar tunnels are evaluated and the effect of the lateral earth pressure coefficient ($K_0$) on their extension is investigated. The excavation of the tunnels was performed by TBMs (Tunnel Boring Machines). The coefficient of lateral earth pressure ($K_0$) is one of the most important geotechnical parameters for tunnel design and is greatly influenced by the geological characteristics of the surrounding soil mass along the tunnel route. The real (in-situ) settlements of the ground surface were measured experimentally using leveling methods along the studied tunnels and the results were compared with evaluated settlements obtained from both semi-empirical and numerical methods (using the finite difference software FLAC3D). The comparisons permitted to show that the adopted numerical models can effectively be used to predict settlements induced by a tunnel excavation. Then a numerical parametric study was conducted to show the influence of the $K_0$ values on the ground settlements. Numerical investigations also showed that the shapes of settlement trough of the studied tunnels, in a transverse section, are not similar because of their different diameters and depths of the tunnels.
A set of slurry shield test system capable of cutter cutting and slurry automatic circulation is used to investigate the deformation characteristics, the evolution characteristics of support resistance and the distribution and evolution process of earth pressure during excavating and collapsing of slurry shield tunneling in circular-gravel layer. The influence of cover-span ratio on surface subsidence, support resistance and failure mode of excavation face is also discussed. Three-dimensional numerical calculations are performed to verify the reliability of the test results. The results show that, with the decrease of the supporting force of the excavation face, the surface subsidence goes through four stages: insensitivity, slow growth, rapid growth and stability. The influence of shield excavation on the axial earth pressure of the front soil is greater than that of the vertical earth pressure. When the support resistance of the excavation face decreases to the critical value, the soil in front of the excavation face collapses. The shape of the collapse is similar to that of a bucket. The ultimate support resistance increase with the increase of the cover-span ratio, however, the angle between the bottom of the collapsed body and the direction of the tunnel excavation axis when the excavation face is damaged increase first and then becomes stable. The surface settlement value and the range of settlement trough decrease with the increase of cover-span ratio. The numerical results are basically consistent with the model test results.
The influence of tunnelling on buildings has become an important issue in urban areas. The problem is an interactive one: not only do tunnelling settlements affect existing structures, but existing structures affect tunnel-induced soil movements. In order to examine the constraint of surface settlement and the degradation of building damage parameters, 3-dimensional elasto-plastic finite element analyses are peformed. Also, in this paper, the results of the parametric studies for the variations of the damage parameters due to the ground movements are presented by utilizing 2-dimensional elasto-plastic finite element models, totally 162 models. The width of a structure, its bending and axial stiffness, its position relative to the tunnel and the depth of tunnel are considered. The interaction is shown by reference to commonly-used building damage parameters, namely angular distortion, deflection ratio, maximum building settlements, maximum differential settlements and horizontal strain. By introducing relative stiffness parameters which combine the bending and axial stiffness of the structure with its width and stiffness of soil, design curves are established. These give a guide as to the likely modification of the greenfield settlement trough caused by a surface structure. They can be used to give initial estimates of likely building damage.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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