In this paper, full-scale loading tests were performed on a rectangular segmental tunnel lining, which was assembled by steel composite segments, to investigate its load-bearing structural behavior and failure mechanism. The tests were also used to confirm the composite effect by adding concrete inside to satisfy the required performance under severe loading conditions. The design of the tested rectangular segmental lining and the loading scheme are also described to better understand the bearing capacity of this composite lining structure. It is found that the structural ultimate bearing capacity is governed by the bond capacity between steel plates and the tunnel segment. The failure of the strengthened lining is the consequence of local failure of the bond at waist joints. This led to a fast decrease of the overall stiffness and eventually a loss of the structural integrity.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2002.03a
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pp.657-664
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2002
This study presents the influence of blasting-induced vibration on the adjacent structures in rocks of various RMR values. 3D finite element analysis was performed to simulate the behaviour of tunnel and adjacent structures during rock excavation. The blast loadings were evaluated from the blasting pressure which is depending on the type and amount of explosive charges. Influencing factors for the stability of adjacent structures and ground conditions were reviewed in terms of structural dimensions and RMR values. The stiffness and load of adjacent structures are modeled in the numerical analysis to Investigate blasting effects of the size of adjacent structures. The vibration velocity and maximum particle velocity was increase sharply when the RMR value changed from 30 to 50. The effect of particle velocity was minimized at the width of structure become 2 times of tunnel diameter.
Steel-concrete composite segments replacing the conventional reinforced concrete segments can provide the rectangular shield tunnel superiorities on bearing capacity, ductility and economy. A simplified model with high-efficiency on computation is proposed for investigating the nonlinear response of the rectangular tunnel lining composed of composite segments. The simulation model is developed by an assembly of nonlinear fiber beam elements and spring elements to express the transfer mechanism of forces through components of composite segments, and radial joints. The simulation is conducted with the considerations of material nonlinearity and geometric nonlinearity associated with the whole loading process. The validity of the model is evaluated through comparison of the proposed nonlinear simulation with results obtained from the full-scale test of the segmental tunnel lining. Furthermore, a parameter study is conducted by means of the simplified model. The results show that the stiffness of the radial joint at haunch of the ling and the thickness of inner steel plate of segments have remarkable influence on the behaviour of the lining.
Byoung-Il Choi;Myung-Ho Ha;Dong-Ha Lee;Eun-Cheol Noh;Si-Hyun Park
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.27
no.4
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pp.94-103
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2023
Built in urban ares tunnels is necessary to accurately grasp not only the above-ground environment of the tunnel but also the below-ground environment of the tunnel for design and construct. However, fully coupled analysis of stress and flow is very difficult due to the limited function of the tunnel numerical analysis program and difficulty in using program. This can lead to excessive design that increases the construction cost or occur problems that can lead to accidents during construction. In particular, in the case of an urban tunnel has a low layer soil section above the tunnel and the groundwater level exists in the upper layer of the tunnel. Therefore, a reduction in the groundwater level during underground construction may increase the effective stress of the upper layer and cause the ground to subsidence. So It is necessary to design after accurately evaluating the change in the groundwater level. In this study, the tunnel's behavioral characteristics were analyzed through fully coupled analysis of stress and flow according to the drainage type for an urban underground tunnel.
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.23
no.2
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pp.93-106
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2021
In general, segment lining tunnel refers to a tunnel formed by connecting precast concrete segments as a ring and connecting such rings to each other in the longitudinal direction of the tunnel. As the structural properties of the segment lining is highly dependent on the behavior of the segment joints, thus correct modelling of joint behavior is crucial to understand and design the segment tunnel lining. When the tunnel is subjected to ground loads, the segment joint behaves like a hinge that resists rotation, and when the induced moment exceeds a certain limit of the rotation then it may enter into non-linear field. In understanding the effect of the segment joint on the lining behavior, a moment-rotation relationship of the segment joint was explored based on the Japanese practice and Janssen's approach commonly used in the actual design. This study also presents a method to determine the rotational stiffness of joint refer to the bearing strength. The rotation of the segment joint was estimated in virtual design conditions based on the existing models and the proposed method. And the sectional force of the segment lining and joint were calculated along with the estimated rotation. As the rotation at the segment joint increases, the joint contact area decreases, so the designer have to verify the segment joint for bearing strength as well. This paper suggests a consistent method to determine the rotational stiffness and bearing strength of joints.
The distinct element method(DEM) si well suited to the kinematic analysis of blocky rock masses. Two distinctive problems, a rock avalache and tunnel in jointed rock masses, are chosen to apply the DEM which is based on perfectly rigid behaviour of blocks. Investigated for both problems are the effects of the input parameters such as contact stiffnesses, friction coefficient and damping property. Using various types of models of the avalanche and tunne, an extensive parametric study is done to gain experiences in the method, and then to alleviate difficulties in determining parameter values suitable for a given problem. The coefficient of frictio has significant effects on all aspects of avalanche motion(travel distance, velocity and travel time), while the stiffnesses affect the rebounding and jumping motions after collision. The motion predicted by the models having single and mutiple blocks agrees well to the observations reported on the actual avalache. For the tunnel problem, the behaviour of the key block in an example tunnel is compared by testing values of the input parameters. The stability of the tunnel is dependent primarily on the friction coefficient, while the stiffness and damping properties influence the block velocity. The kinematic stability of a tunnel for underground unclear waste repository is analyzed using the joint geometry data(orientation, spacing and persistence) occurred in a tailrace tunnel. Allowing a small deviation to the mean orientation results in different modes of failure of the rock blocks around the tunnel. Of all parameters tested, the most important to the stability of the tunnel in blocky rock masses are the geometry of the blocks generated by mapping the joint and tunnel surfaces in 3-dimensions and also the friction coefficient of the joints particularly for the stability of the side walls.
The control and prediction of surface settlement, gradient and ground displacement are the main factors in shallow tunnel design and construction in urban area. For deformation analysis of shallow tunnel due to excavation it is important to identify possible deformation mechanism of shear bands developing from tunnel shoulder to the ground surface. This paper investigaties quantitatively the deformation behavior of shallow tunneling by model tunnel test and strain softening analysis Incorporating the reduction of shear stiffness and strength parameters. The comparison of model tunnel test result and numerical simulation using strain softening analysis showed good agreement in crown settlement, normalized subsidence settlement and developing shear bands above tunnel shoulder. In this study, it is blown that the strain softening modeling is applicable to the nonlinear deformation analysis of shallow tunnel.
Joohyun Park;Seok-Jun Kang;Jun-Beom An;Gye-Chun Cho
Geomechanics and Engineering
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v.38
no.6
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pp.553-569
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2024
In recent tunneling projects, encounters with multi-layered strata have become more frequent as the desired scale of tunneling increases. Despite substantial practical experience, the design of large-diameter shield-driven tunnels often simplifies the surrounding ground as uniform, overlooking the complexities introduced by non-uniform geotechnical factors. This study comparatively analyzed the influence of design factors, particularly segment stiffness and joint parameters, on segmental lining behavior in layered ground conditions using numerical methods. A comprehensive parametric study revealed the significant impact of deformative interaction between the lining and the soft top soil layer on overall tunnel behavior. Permitting lining deformation in the soft soil layer effectively mitigated the induced internal forces but resulted in considerable tunnel lining convergence, adopting a peanut-shaped appearance. From a practical design perspective, application of a soft segment with lower stiffness near the stiff soil layer is an economically advantageous approach, alleviating internal forces within an acceptable convergence level. Notably, around the interfaces between soil layers with different stiffnesses, the induced internal forces in the lining were minimized based on joint rotational stiffness and location. This indicates the possibility of achieving an optimal design for segmental lining joints under layered ground conditions. Additionally, a preliminary design method was proposed, which sequentially optimizes parameters for joints located near soil layer interfaces. Subsequently, a specialized design based on the proposed method for complex multi-layered strata was compared with a conventional design. The results confirmed that the internal force was effectively relieved at an allowable lining deflection level.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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1999.10a
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pp.161-168
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1999
A series of centrifuge model tests were performed in order to investigate the behaviors of various tunnel linings. A 1/100-scaled aluminum and hydrostone horseshoe tunnel linings with a radius km, height km were buried in a depth of C/D=3 with dry Joomunjin standard sand, the relative density of which was 86%. Bending moments and thrusts along the tunnel circumference were measured by 12 strain gages. Earth pressures in soil and on lining were estimated by pressure transducers, ground surface settlements at center and edges by using LVDTs. Average Ko(coefficient of earth pressure at rest) was 0.39 for the model sand. The structural behaviors of lining depended on its damaged conditions. But, as a rule, on the crown, the tensile circumferential strain of lining occurred at the inner surface, and the compressive at the outer surface, then positive bending moment was created at the crown. The circumferential strain of the inner surface on the springline was tensile, and the outer compressive, so negative bending moment was measured at the springline. For hydrostone linings, cracks initiated at the inner surface on the crown, and the outer on the springline over average 40g.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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