Kim, Tae-Hwan;Ko, Tae Young;Park, Yang Soo;Kim, Taek Kon;Lee, Dae Hyuk
Tunnel and Underground Space
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v.30
no.3
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pp.214-225
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2020
Uniaxial compressive strength (UCS) of rock is one of the important factors to determine the advance speed during shield TBM tunnel excavation. UCS can be obtained through the Geotechnical Data Report (GDR), and it is difficult to measure UCS for all tunneling alignment. Therefore, the purpose of this study is to predict UCS by utilizing TBM machine driving data and machine learning technique. Several machine learning techniques were compared to predict UCS, and it was confirmed the stacking model has the most successful prediction performance. TBM machine data and UCS used in the analysis were obtained from the excavation of rock strata with slurry shield TBMs. The data were divided into 8:2 for training and test and pre-processed including feature selection, scaling, and outlier removal. After completing the hyper-parameter tuning, the stacking model was evaluated with the root-mean-square error (RMSE) and the determination coefficient (R2), and it was found to be 5.556 and 0.943, respectively. Based on the results, the sacking models are considered useful in predicting rock strength with TBM excavation data.
TBM disc cutter, which is the main cutting tool of tunnel boring machine (TBM), is replaced when it is excessively worn during the boring process. Disc cutters are usually monitored by workers at cutterhead chamber, and they check the status and wear amount of cutters. Because cutterhead chamber is usually in dangerous circumstance due to high pressure and instability of excavation surface, the measurement by manpower occasionally results in inaccuracy of measurement result. In order to overcome the limitations, the real-time disc cutter monitoring techniques have been developed in some foreign countries. This paper collected the current status of disc cutter monitoring system from the literature. Several types of sensors are used to measure the cutter wear, and it is believed that the collected information can be useful reference when similar domestic technologies are developed in the future.
The Journal of the Convergence on Culture Technology
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v.6
no.3
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pp.369-375
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2020
The section of this study is the geological vulnerable zone where groundwater leakage occurred through the tunnel barrier during excavation of the shield tunnel boring machine(TBM) for the construction of the electric power unit. Therefore, a Three D imensions(3D) numerical analysis was performed to analyze the actual situation from before construction to the time when the change in groundwater level occurred, and to reflect the surrounding ground conditions based on the observed change in groundwater level during construction. As a result of the study, the correlation between groundwater level change and tunnel construction around the site was identified. Therefore, it was similar to the measurement result of groundwater level at the target ground. The amount of groundwater discharge to the entrance of the tunnel construction was also similar to the actual measured result, and the numerical analysis method and modeling in this study were analyzed to reflect the site conditions.
The LCM 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. Moreover it is not easy to execute the test for jointed rock mass, and sometimes the design model estimated from the test can not be applied to the real design of disc cutter. In order to break this critical point, lots of numerical studies have been performed. PFC2D can simulate crack propagation and rock fragmentation effectively, because it is useful in particle flow analysis. Consequently, in this study, the PFC2D has been adopted for numerical analysis on cutting power of disc cutter according to the different angle of joint, the different direction of joint, and the different space of joint with jointed rock mass models. From the numerical analyses, it was concluded that the bigger cutting power of disc cutter was needed for reverse cutting direction to joint rather than for forward direction, and the cutting power of disc cutter was increased with decreasing the dip angle of joint and decreasing the space of joints in reverse cutting direction. The more precise numerical model for disc cutter can be developed from comparison between the numerical results and LCM test results, and the resonable guideline is expected for prediction of TBM performance and disc cutter.
Forces exerted on a shield TBM (tunnel boring machine) such as cutter head torque, thrust force, chamber pressure, and upward force are key factors determining TBM performance. However, the forces acting on the TBM when tunnelling the mixed ground have different tendencies compared to that of the uniform ground, which could impair TBM performance. In this study, the effect of mixed ground tunnelling was numerically investigated with torque, thrust force, chamber pressure, and upward force. A coupled discrete element method (DEM) and finite difference method (FDM) model for TBM driving model was used. This numerical study simulates TBM tunnelling in mixed ground composed of upper weathered granite soil and lower weathered rock. The effect on the force acting on the TBM according to the location and slope of the boundary of the mixed ground was numerically examined.
Han-byul Kang;Sung-wook Kang;Jae-hoon Jung;Jae-won Lee;Young Jin Shin
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.25
no.2
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pp.65-85
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2023
The use of TBM (Tunnel boring machine) has increased worldwide due to its performance together with the benefit of being safely and environmentally friendly compared to conventional tunneling. In particular, EPB (Earth Pressure Balanced) TBM is widely used because it can be applied to various grounds compared to Open TBM. Also EPB TBM has a simple mechanical structure and advantages in cost, requires less ground area than Slurry TBM. EPB TBM has advantages in soft ground, and more importantly, can extend its applicability by use of appropriate soil conditioning, which improves mechanical and hydrological properties of excavated soil and increases the excavation performance of EPB TBM. Various studies suggested the proper mixing ratio and injection ratio, but almost they are limited to laboratory test under atmospheric pressure such as slump test. Actual field conditions may differ depending on the ground and mechanical condition. In this study, first the amount of used soil conditioning used in the field with various grounds from hard rock to soft ground was estimated through laboratory tests and compared with the estimate in design stage. And also it was compared with the amount used during actual excavation. In addition, experience of soil conditioning for the problems of cutter head clogging and groundwater inrush that occurred during excavation is discussed. Finally, lesson learned for the use of soil conditioning in difficult ground condition such as mixed ground are reviewed.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.26
no.3
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pp.209-222
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2024
The Earth Pressure Balance (EPB) shield Tunnel Boring Machine (TBM) is widely used for underground tunnel construction for its advantages, such as eliminating the need for additional facilities compared to the slurry shield TBM, which requires Slurry Treatment Plant (STP). During EPB shield TBM excavation, a soil conditioning technique is employed to enhance the physical properties of the excavated soil by injecting additives, thus broadening the range of applicable ground conditions to EPB shield TBMs. This study explored the use of xanthan gum, a type of biopolymer, as an alternative to the commonly used polymer additive. Biopolymers, derived from biological sources, are fully biodegradable. In contrast to traditional polymers such as polyacrylic acid, which contain environmentally harmful components, xanthan gum is gaining attention as an eco-friendly material due to its minimal toxicity and environmental impact. Test conditions with similar workability were established through slump tests, and the rheological characteristics were assessed using a laboratory pressurized vane shear test apparatus. The experiments demonstrated that, despite exhibiting similar workability, the peak strength in the flow curve decreased with increasing the content of xanthan gum. Consequently, a correlation between the xanthan gum content and peak strength was established. Replacing the traditional polymers with xanthan gum could enable stable EPB shield TBM operation by reducing equipment load, in addition to offering environmental benefits.
The Tunnel Boring Machine (TBM) disc cutter is subjected to wear and damage during the rock excavation process, and the worn disc cutter should be replaced on time. The manual inspection by workers is generally required to determine the disc cutter replacement. In this case, the workers are exposed to dangerous environments, and the measurements are sometimes inaccurate. In this study, we developed a technology that measures the disc cutter wear in real time. From a series of laboratory tests, a magnetic sensor was selected as the wear sensor, and the real-time disc cutter measurement system was developed integrating wireless communication modules, power supply and data processing board. In addition, the measurement system was verified in actual TBM excavation circumstances. As a result, it was confirmed that the accuracy and stability of the system.
Kim, Ki-Hwan;Kim, Hyouk;Mun, Cheol-Hwa;Kim, Young-Hyu;Kim, Dong-Ho;Lee, Jae-Yong
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.20
no.6
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pp.1039-1048
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2018
In urban tunnel construction, most of the Shield TBM method is applied to secure the safety of buildings and to minimize risks. On the other hand, in the urban development process, landfills are often embanked or improving in many cases, so that the boundary between the surface and the rock is often heterogeneous. In case of ground condition such as alluvial soil, granite, decomposed granite, core stone and rock with various layers, datas on shield TBM advancing according to each ground condition are analyzed, The characteristics of machine load were compared and analyzed. As a result, it can be predicted that the change of ground condition can be predicted by the tendency of discharge volume, thrust force and cutting wheel torque when the cutter is checked and replaced regularly on advancing under maintaining the design slurry pressure.
Sagong, Myung;Jung, Chi Kwang;Moon, Joon Bai;Kim, Jeayoung;Yun, Do Sik;Yu, Myeong Han
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.17
no.4
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pp.415-428
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2015
With increase of the extension of long tunnels and urban tunnelling, demands on the new tunnelling technologies are raised. Currently, drilling and blasting tunnel construction method is mostly used, however, because of sever blast vibration for some occasions, complaints from local residents and rock damages are inevitable. Accordingly, TBM tunnelling is more efficient and effective for such conditions. Nevertheless, tunnel construction costs of TBM cannot compete that of the drill and blasting method in Korea. To overcome such limitations, various TBM equipments and construction technologies are required. In addition, continuous revision of the design standard and specification are required. In this study, a detailed explanation regarding the revised version of TBM section in the tunnel standard specification at 2015 is shown.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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