Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.10
no.1
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pp.81-90
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2008
It is of great importance to determine the optimum cutter spacing in TBM. In order to determine the optimum cutter spacing, a series of cutting tests by linear cutting machine (LCM) are performed with changing cutter space. This study showed that a numerical method for estimating the optimum cutter spacing could be developed by AUTODYN-3D in order to overcome the limitation of LCM test. By using this method, the optimum cutter spacing of Hwangdeung granite was estimated.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.22
no.5
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pp.501-513
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2020
Cutter cutting tests for the cutter placement in the cutter head are being conducted through various studies. Although the cutter spacing at the minimum specific energy is mainly reflected in the cutter head design, since the optimum cutter spacing at the same cutter penetration depth varies depending on the rock conditions, studies on deciding the optimum cutter spacing should be actively conducted. The machine learning techniques such as the decision tree-based regression model and the SVM regression model were applied to predict the optimum cutter spacing ratio for the nonlinear relationship between cutter penetration depth and cutter spacing. Since the decision tree-based methods are greatly influenced by the number of data, SVM regression predicted optimum cutter spacing ratio according to the penetration depth more accurately and it is judged that the SVM regression will be effectively used to decide the cutter spacing when designing the cutter head if a large amount of data of the optimum cutter spacing ratio according to the penetration depth is accumulated.
This study is a research about cutter bits arrangement of shield-TBM and carried out a scale model test and numerical analysis according to a space of cutter bits. A cutter head pressures and an advance time are measured to be followed by the space of cutter bits with an advance speed through the scale model test. We conducted the numerical analysis to verify the result of the scale model test, and to compare with the scale model test. There are three cases of space : unification 1.0D and 1.5D. In case TBM is excavated and space is 1.0D, the advance speed is much faster than the other cases, and pressure of face of ground deformation and cutter head is maintained stably. If additional researches about bits arrangement of cutter head of sand ground based on the result of this research are performed, substantial results may be obtained.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.22
no.4
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pp.383-399
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2020
Optimizing the spacing of the disc cutter is a key element in the design of the TBM cutter head, which determines the drilling performance of the TBM. The full-scale linear cutting test is known as the most reliable and accurate test for calculating the spacing of the disc cutter, but it has the disadvantage of costly and time-consuming for the full-scale experiment. In this study, through the numerical analysis study based on the discrete element method, the tendency between Specific Energy-S/P ratio according to uniaxial compression strength and penetration depth of rock was analyzed, and the optimum spacing of 17-inch disc cutter was derived. To examine the appropriateness of the numerical analysis model, the rolling force acting on the disc cutter was compared and reviewed with the CSM model. As a result of numerical analysis for the linear cutting test, the rolling force acting on the disc cutter was analyzed to be similar to the rolling force derived from the theoretical formula of the CSM model. From the numerical analysis on 5 UCS cases (50 MPa, 70 MPa, 100 MPa, 150 MPa, 200 MPa), it is found that the range of the optimum spacing of the disc cutter decreases as the rock strength increases. And it can be concluded that 80~100 mm of disc cutter spacing is the optimum range having minimum specific energy regardless of rock strength. This tends to coincide with the optimal spacing of previously reported disk cutters, which underpins the disk cutter spacing calculated through this study.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.10
no.2
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pp.139-152
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2008
A series of numerical experiments were carried out to simulate the rock cutting behavior by TBM disc cutter in a given took condition. AUTODYN-3D, a commercial program capable of simulating three-dimensional dynamic failure, was utilized to carry out the numerical tests over four different disc cutter spacing conditions. After modelling three-dimensional geometries of disc cutter and rock specimen, the linear cutting tests by a disc cutter were simulated for eight different types of rocks. The numerical result, that is the optimum cutter spacing for isotropic rocks had the good agreements with those from linear cutting test. However, for relatively anisotropic or jointed rocks, the specific energy obtained from the numerical tests was almost two-times bigger than the real linear cutting results. Therefore, to simulate cutting procedures for anisotropic rocks realistically, further studies would be necessary.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.16
no.6
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pp.573-584
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2014
In this study, the variations of cutter acting forces depending on cutting conditions were examined to obtain basic data for roadheader cutting head design. The linear cutting tests were performed in the condition of different attack angles, penetration depths, cutter spacings by using a slim conical pick for the light cutting condition. Cutter acting forces were measured by 3-directional load cell under different test conditions, and the analysis for cutting performance were carried out after calculating average values of the measured results. It is confirmed that the optimal cutting condition for the mortar specimen is the 50 degree attack angle, the cutter spacing of 12 mm, the cutting depth of 9 mm which are obtained from the analysis results. In addition, 50 degree attack angle is more effective than 45 degree attack angle to design optimal specifications of cutting head.
Rock fragmentation technique by cutter penetration has widely been used in the mechanical tunnel excavation. Microcracks propagate and interact because of locally concentrated high stress induced by cutter penetration. which is caused by heterogeneity of rocks. In this study Weibull distribution function and degradation index are used to consider the strength heterogeneity of a rock and the degradation of rock properties after failure. Through the numerical analyses, it is shown that the lateral pressure has an important influence on the rock fragmentation. In the single cutter penetration, large chips are formed as lateral pressure increase. The cutter spacing is also an important factor that affects the rock fragmentation in the double cutter penetration. The fragmentation efficiency of the double cutter penetration is better when cutter spacing is 70 mm than 40 mm and 100 mm. From the results, it is expected that this study can be applied to a TBM tunnel design by understanding of chipping process and mechanism of rock due to cutter penetration.
The LCM (Linear Cutting Machine) test is one of the most powerful and reliable methods for designing the disc cutter and for predicting the TBM (Tunnel Boring Machine) performance. It has an advantage to predict the actual load on disc cutter from the laboratory test on the real-size large rock samples, however, it also has a disadvantage to transport and/or prepare the large rock samples and to need an extra cost for experiment. In order to overcome this problem, lots of numerical studies have been performed. In this study, the PFC3D (Particle Flow Code in 3 Dimension) has been adopted for numerical analysis on optimum cutter spacing and failure aspects of Busan Tuff. The optimum cutting condition with s/p ratio of 16 and minimum specific energy of $14MJ/m^3$ was derived from numerical analyses. The cutter spacing for Busan Tuff had the good agreements with those of LCM test and numerical analysis by finite element method.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.15
no.3
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pp.237-251
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2013
This study aimed to estimate the axial stress and torque on a shaft in a disc cutter. The corresponding inner temperature and the surface temperature of a cutter ring were also measured by using strain gauges and thermocouples during the linear cutting tests. The maximum values of the axial stress and torque were recorded to 11.3 MPa, $171kN{\cdot}m$ respectively. They have higher correlations with normal force rather than rolling force. The results of temperature measured by thermocouples during a linear cutting test showed that the rate of increase in temperature was below $0.2^{\circ}C$. When the cutter spacing is set to be 70 mm, the inner temperature and surface temperature of a disc cutter were $0.1^{\circ}C/m$, $0.15{\sim}0.17^{\circ}C/m$ respectively. Similarly, when the cutter spacing is 90 mm, the temperature values were $0.09^{\circ}C/m$, $0.13{\sim}0.23^{\circ}C/m$ respectively.
The linear cutting test is the most reliable and accurate approach to measuring cutting forces and cutting efficiency using full-size disc cutter in various rock types. The result of linear cutting tests can be used to obtain the key parameters of cutter-head design (i.e. optimum cutter spacing, cutter forces). In Korea, LCM (Linear Cutting Machine) tests have been performed for typical Korean rock types, but these studies focused on the isotropic rocktypes. For prediction of TBM (Tunnel Boring Machine) performances in complex geological conditions including a bedded and schistose rockmass, it is important to consider the effects of anisotropy of rockmass on cutting performances and cutting efficiency. This study discusses a series of LCM tests that were performed for Asan Gneiss having two types of anisotropy angles to assess the effect of the anisotropy angle on rock-cutting performances of TBM. The result shows that the rock-cutting performances and optimum cutting conditions are affected by anisotropy angle and the effect of anisotropy on rock strength should be considered in a prediction of the cutting performances and efficiency of TBM.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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