Practical solutions that are available today for assessing stability of tunnel working face are largely based on the concept of critical stability ratio. The accuracy of a prediction of the soil behavior in the working face, thus, depends on the ability of the solution to completely and accurately describe the stress fields or kinematics generated by the excavation and the accuracy of the undrained shear strength of the soil introduced in the computation. This paper reviews the selected solutions describing stability of the tunnel heading in squeezing ground, and suggests a reference solution which is established based on comparison of the solutions and field data on stability of tunnel headings in clays. Although dealing with the shear strength determination is an important companion part of the geotechnical prediction for stability of the tunnel heading in clays, this part is beyond the scope of this paper at this time.
Shanglong Zhang;Xuansheng Cheng;Xinhai Zhou;Yue Sun
Geomechanics and Engineering
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제32권2호
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pp.145-157
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2023
This paper aims at investigating the face stability of large-diameter underwater shield tunnels considering seepage in soft-hard uneven strata. Using the kinematic approach of limit upper-bound analysis, the analytical solution of limit supporting pressure on the tunnel face considering seepage was obtained based on a logarithmic spiral collapsed body in uneven strata. The stability analysis method of the excavation face with different soft- and hard-stratum ratios was explored and validated. Moreover, the effects of water level and burial depth on tunnel face stability were discussed. The results show the effect of seepage on the excavation face stability can be accounted as the seepage force on the excavation face and the seepage force of pore water in instability body. When the thickness ratio of hard soil layer within the excavation face exceeds 1/6D, the interface of the soft and hard soil layer can be placed at tunnel axis during stability analysis. The reliability of the analytical solution of the limit supporting pressure is validated by numerical method and literature methods. The increase of water level causes the instability of upper soft soil layer firstly due to the higher seepage force. With the rise of burial depth, the horizontal displacement of the upper soft soil decreases and the limit supporting pressure changes little because of soil arching effect.
Tunneling in difficult geological conditions is often inevitable especially in urban areas. Ground improvement and reinforcement techniques are often required to guarantee safe tunnel excavations and/or to prevent damage to adjacent structures. The steel pipe-reinforced multi-step grouting method has been recently applied to tunnel sites in Korea as an auxiliary technique. In this study, the face stability with steel pipe-reinforced multi-step grouting was evaluated by simultaneously considering two factors: one is the effective stress acting on the tunnel face calculated by limit theorem and limit equilibrium method; the other is the seepage force obtained by means of numerical analysis. The study revealed that the influence of the steel pipe-reinforced multi-step grouting on the support pressure in dry condition is not significant while there is relatively a large amount of reduction in seepage forces by adopting the technique in saturated condition. The effect of the anisotropy of permeability on the seepage force acting on the tunnel face was also estimated by conducting the coupled analysis. It was found that a higher horizontal permeability compared with the vertical one causes reduction in the seepage force acting on the tunnel face.
To give a solution for seismic stability of tunnel faces subjected to earthquake ground shakings, the pseudo-dynamic approach is originally introduced to analyze tunnel face stability in this study. In the light of the upper-bound theorem of limit analysis, an advanced three-dimensional mechanism combined with pseudo-dynamic approach is proposed. Based on this mechanism, the required support pressure on tunnel face can be obtained by equaling external work rates to the internal energy dissipation and implementing an optimization searching procedure related to time. Both time and space feature of seismic waves are properly accounted for in the proposed mechanism. For this reason, the proposed mechanism can better represent the actual influence of seismic motion and has a remarkable advantage in evaluating the effects of vertical seismic acceleration, soil amplification factor, seismic wave period and initial phase difference on tunnel face stability. Furthermore, the pseudo-dynamic approach is compared with the pseudo-static approach. The difference between them is illustrated from a new but understandable perspective. The comparison demonstrates that the pseudo-static approach is a conservative method but still could provide precise enough results as the pseudo-dynamic approach if the value of seismic wavelengths is large or the height of soil structures is small.
It is a key issue in the tunnel design to evaluate the stability of the excavation face. Two efficient analytical models in the context of the limit equilibrium method (LEM) and the limit analysis method (LAM) are used to carry out the deterministic calculations of the safety factor. The safety factor obtained by these two models agrees well with that provided by the numerical modelling by FLAC 3D, but consuming less time. A simple probabilistic approach based on the Mote-Carlo Simulation technique which can quickly calculate the probability distribution of the safety factor was used to perform the probabilistic analysis on the tunnel face stability. Both the cumulative probabilistic distribution and the probability density function in terms of the safety factor were obtained. The obtained results show the effectiveness of this probabilistic approach in the tunnel design.
This paper presents the results of a parametric study on the behavior of tunnel face reinforced with horizontal pipes. A three-dimensional finite element model was adopted in this study to capture the three-dimensional nature of tunnel face behavior under various boundary conditions. A parametric study was peformed on a wide range of boundary conditions with emphasis on the effect of reinforcing layouts on the deformation behavior of tunnel face. The results of analysis such as tunnel face deformation behavior under various conditions were thoroughly analyzed, and a database for the behavior of tunnel face under different reinforcing conditions was established for future development of a semi-empirical design/analysis method for the tunnel face reinforcing technique. The results indicated that there exits an optimum reinforcing layout for a given tunnel condition, which must be selected with due consideration of tunnel geometry and ground condition.
최근 연약지반 터널 현장에 활용되는 슬러리 쉴드 TBM은 굴진면으로 슬러리가 주입됨으로 그 안정성을 확보하는 공법이다. 하지만 간극이 과다하여 슬러리에 의한 폐색이 발생하지 않는 조립질 지반에서는 적용이 어렵기 때문에 첨가제를 혼입하여 사용하기도 한다. 본 연구에서는 첨가제의 역할로서 탄산가스를 주입함으로 슬러리가 주입되었을 때에 간극 내에 탄산가스가 흡착하여 폐색현상을 촉진시키는 효과를 규명하였다. 실내실험 결과 탄산 혼입에 따라 슬러리 쉴드 터널이 적용 가능한 유효입경이 1.0 mm에서 2.6 mm가량으로 증가하였고, 필터계수 ${\lambda}$가 $0.007sec^{-1}$이상인 경우에 탄산에 의한 효과가 발생함을 알 수 있었다.
본 논문에서는 수평보강재로 보강된 터널 막장의 거동에 대한 매개변수 연구를 다루었다. 매개변수 연구에서는 축소모형실험을 수행하였으며 실험 결과를 이용하여 보강막장의 거동을 고찰하였다. 실험결과 터널 막장은 수평보강재로 보강함에 따라 변형이 억제되어 안정성이 증대되는 경향을 보였으며, 이러한 결과는 3차원 유한요소해석 결과와 정성적인 면에서 좋은 일치를 보였다. 따라서 막장 수평보강 공법은 막장의 안정성을 향상시키는 매우 유용한 공법으로 적용될 수 있을 것으로 판단되며, 일반적인 설계법을 개발하기 위해서 3차원 유한요소해석 모델링이 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
Underground tunnelling is one of the sustainable construction methods which can facilitate the increasing passenger transportation in the urban areas and benefit the community in the long term. Tunnelling in various ground conditions requires careful consideration of the stability factor. This paper investigates three dimensional stability of a shallow circular tunnel in a layered soil. Upper bound theorem of limit analysis was utilised to solve the tunnel face stability problem. A three dimensional kinematic admissible failure mechanism was improved to model a layered soil and limiting assumptions of the previous studies were resolved. The study includes calculation of the minimum support pressure acting on the face of the excavation in closed-face excavations. The effects of the characteristics of the layers on the minimum support pressure were examined. It was found that the ratio of the thickness of cover layers particularly when a weak layer is overlying a stronger layer, has the most significant influence on the minimum tunnel support pressure. Comparisons have been made with the results of the numerical modelling using FLAC3D software. Results of the current study were in a remarkable agreement with those of numerical modelling.
Face stability analyses provides the most probable failure mechanisms and the understanding about parameters that need to be considered for the evaluation of ground movements caused by tunneling. After the Upper Bound Method (UBM) solution which can consider the influence of seepage forces and depth-dependent effective cohesion is verified with the numerical experiments, the probabilistic model is proposed to calculate the unbiased limiting tunnel collapse pressure. A reliability analysis of a shallow circular tunnel driven by a pressurized shield in a frictional and cohesive soil is presented to consider the inherent uncertainty in the input parameters and the proposed model. The probability of failure that exceeding a specified applied pressure at the tunnel face is estimated. Sensitivity and importance measures are computed to identify the key parameters and random variables in the model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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