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A Study of Cuttability Indices for Tunnel Penetration
Étude sur les indices d’aptitude à la coupe pour la pénétration de tunnels
Chen L.-H.
Dept. of Civil Engineering, National Taipei University of Technology, Taipei, Taiwan
Chen Y.-C., Chen W.-C., Liu H.-W.
Dept. of Construction Engineering, National Taiwan University of Science & Technology, Taipei, Taiwan
ABSTRACT: To speed up construction of mass transit subway and the popularity rate of sewage, Taiwan's underground excavation
works, especially for mechanical cutting cases, show an ascendant tendency. This study presents a generalized solution for
underground geological-mechanical interaction. By using dimensional analysis, this model generalizes geological characteristics
grouped into three categories: (1) brittle (rock-like), (2) the ductile (soil-like), and (3) brittle-ductile (gravel-like) type with respect to
two cutting forces: (1) thrust and (2) torque to evaluate their excavation/penetration rate. Furthermore, the leading cuttability indices
can be obtained to enable to assess the underground excavation. Meanwhile, in-situ experimental results from shield tunneling and
pipe jacking construction were used to examine this model and it showed a nice agreement between both. From this analytical
approach, a proposed “oval-shaped cutting ellipsoid”, including its center (O), area (A), and long/short axis (ax/by, or ay/bx), can be
used not only to estimate the functionality and efficiency of cutting machine adopted for tunnel project, but also to offer a warning
information for inadequate cutting strategy.
RÉSUMÉ: Pour accélérer la construction du système de transport en commun souterrain et des eaux usées, les travaux d'excavation
souterrains de Taïwan, en particulier les coupes mécaniques, montrent une tendance ascendante. Cette étude présente une solution
généralisée pour l’interaction géologique-mécanique souterraine. En utilisant l'analyse dimensionnelle, ce modèle généralise les
caractéristiques géologiques regroupées en trois catégories: (1) fragile (comme la roche), (2) l'ductile (comme le sol), et (3) fragile-
ductile (comme le gravier) en respectant deux types de coupe: (1) la poussée et (2) torsion pour évaluer leur taux d’excavation /
pénétration. Par ailleurs, les indexes d’aptitude à la coupe peuvent être obtenue pour permettre d'évaluer l'excavation souterraine.
Pendant ce temps, les résultats expérimentaux in-situ de bouclier tunnel et de la construction de tuyau de fonçage ont été utilisés pour
examiner ce modèle et ceux-ci concordent. A partir de cette approche analytique, une proposition de «ellipsoïde de coupe de forme
ovale " (comprenant son centre (O), sa surface (A) et ses axes longs et courts (ax/by, ou ay/ bx) ) peut être utilisé non seulement pour
estimer le bon fonctionnement et l'efficacité de la machine de découpage adopté pour le projet de tunnel, mais aussi pour fournir une
alerte à propos d’une stratégie de coupe inadaptée.
KEYWORDS: Generalized cutting mechanism , Thrust, Pipe jacking, Cuttability indices
1 INTRODUCTION
1.1
Multi-scale underground cutting project
Recently, the construction projects increase the cases of
underground tunneling by mechanical cutting such as tunnel in
the mountain, mass rapid transportation system in the city and
sewer system, etc. There are different types of cutting methods
including TBM, shield tunnel (ST), as well as pipe jacking (PJ)
with various sizes corresponding to different geological
conditions (see Figure 1). This study presents a normalized
evaluation to meet the multi-scale underground cutting projects
so that all of the in-situ data can be collected and compared with
each other.
D
S
= 2920 mm
DT = 11740 mm
DP = 1500 mm
開挖機具
Figure 1. Different size of cutting machines ranged from 11740 to 1500
mm in diameter.
2 CONCEPTUAL MODEL
2.1
Indentation-typed fracture mechanism
Based upon normal indentation fracture in a Mohr-
Coulomb material, Huang
（
2000
）
proposed a conceptual
model as follows:
