Recently, research on predicting ground classification using machine learning techniques, TBM excavation data, and ground data is increasing. In this study, a multi-classification prediction study for uniaxial compressive strength (UCS) was conducted by applying random forest model based on a decision tree among machine learning techniques widely used in various fields to machine data and ground data acquired at three slurry shield TBM sites. For the classification prediction, the training and test data were divided into 7:3, and a grid search including 5-fold cross-validation was used to select the optimal parameter. As a result of classification learning for UCS using a random forest, the accuracy of the multi-classification prediction model was found to be high at both 0.983 and 0.982 in the training set and the test set, respectively. However, due to the imbalance in data distribution between classes, the recall was evaluated low in class 4. It is judged that additional research is needed to increase the amount of measured data of UCS acquired in various sites.
Myung Kyu Song;Tae Young Ko;Sean S. W., Lee;Kunchai Lee;Byungchan Kim;Jaehoon Jung;Yongjin Shin
Tunnel and Underground Space
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v.33
no.6
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pp.445-471
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2023
Long-term safety over millennia is the top priority consideration in the construction of disposal sites. However, ensuring the mechanical stability of deep geological repositories for spent fuel, a.k.a. radwaste, disposal during construction and operation is also crucial for safe operation of the repository. Imposing restrictions or limitations on tunnel support and lining materials such as shotcrete, concrete, grouting, which might compromise the sealing performance of backfill and buffer materials which are essential elements for the long-term safety of disposal sites, presents a highly challenging task for rock engineers and tunnelling experts. In this study, as part of an extensive exploration to aid in the proper selection of disposal sites, the anticipation of constructing a deep geological repository at a depth of 500 meters in an unknown state has been carried out. Through a review of 2D and 3D numerical analyses, the study aimed to explore the range of properties that ensure stability. Preliminary findings identified the potential range of rock properties that secure the stability of central and disposal tunnels, while the stability of the vertical tunnel network was confirmed through 3D analysis, outlining fundamental rock conditions necessary for the construction of disposal sites.
Hanlim Kim;Gyeongjo Min;Gyeonggyu Kim;Youngjun Kim;Kyungjae Yun;Jusuk Yang;Sangho Bae;Sangho Cho
Tunnel and Underground Space
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v.33
no.6
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pp.574-593
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2023
In this study, the effectiveness and applicability of a newly designed Compact CNS shear box for conducting direct shear tests on jointed rock specimens were investigated. CNS joint shear tests were conducted on jointed rocks with Artificially generated roughness while varying the fracture surface roughness coefficient and initial normal stress conditions. In addition, displacement data were validated by Digital image correlation analysis, fracture patterns were observed, and comparative analysis was conducted with previously studied shear behavior prediction models. Furthermore, the accuracy of the displacement data was confirmed through DIC analysis, the fracture patterns were observed, and the shear properties obtained from the tests were compared with existing models that predict shear behavior. The findings exhibited a strong correlation with specific established empirical models for predicting shear behavior. Furthermore, the potential linkage between the characteristics of shear behavior and fracture patterns was deliberated. In conclusion, the CNS shear box was shown to be applicable and effective in providing data on the shear characteristics of the joint.
Man-ho Han;Jung-hwan Lee;Keun-Soo Lee;Myeong-Jong Yi
Tunnel and Underground Space
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v.33
no.6
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pp.483-494
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2023
Measurement of the physical properties of rocks or minerals is an important factor in determining the distribution of the underground medium as well as mineral resource investigations. Resistivity and induced polarization, which are widely used in Korea, are methods for measuring electrical properties, which are representative properties of obtaining subsurface information. In order to precisely analyze the exploration data obtained from various sites, it is important to accurately measure the material properties. Electrical properties of rock is measured using two-electrode or four-electrode method. Compared to the four-electrode method, the two-electrode method is generally used because it is very easy to contact the sample and the electrode, but there is a problem in that the impedance of the electrode and the sample is measured together. In this study, the time-domain the induced polarization effects were measured using the 2-electrode method and the 4-electrode method for artificial samples mixed with graphite and cement having induced polarization characteristics, and the results were compared. Although the 4-electrode method has difficulties in installing potential electrodes, it was confirmed that it is effective in measuring electrical properties because it can reduce the problem caused by the impedance of potential electrodes compared to the 2-electrode method.
TBM (Tunnel Boring Machine) method is gaining popularity in urban and underwater tunneling projects due to its ability to ensure excavation face stability and minimize environmental impact. Among the prominent models for predicting disc cutter life, the NTNU model uses the Cutter Life Index(CLI) as a key parameter, but the complexity of testing procedures and rarity of equipment make measurement challenging. In this study, CLI was predicted using multiple linear regression analysis and tree-based machine learning techniques, utilizing rock properties. Through literature review, a database including rock uniaxial compressive strength, Brazilian tensile strength, equivalent quartz content, and Cerchar abrasivity index was built, and derived variables were added. The multiple linear regression analysis selected input variables based on statistical significance and multicollinearity, while the machine learning prediction model chose variables based on their importance. Dividing the data into 80% for training and 20% for testing, a comparative analysis of the predictive performance was conducted, and XGBoost was identified as the optimal model. The validity of the multiple linear regression and XGBoost models derived in this study was confirmed by comparing their predictive performance with prior research.
This paper presents a new approach for the automatic mapping of discontinuities in a tunnel face based on its 3D digital model reconstructed by LiDAR scan or photogrammetry techniques. The main idea revolves around the identification of discontinuity areas in the 3D digital model of a tunnel face by segmenting its 2D projected images using a deep-learning semantic segmentation model called U-Net. The proposed deep learning model integrates various features including the projected RGB image, depth map image, and local surface properties-based images i.e., normal vector and curvature images to effectively segment areas of discontinuity in the images. Subsequently, the segmentation results are projected back onto the 3D model using depth maps and projection matrices to obtain an accurate representation of the location and extent of discontinuities within the 3D space. The performance of the segmentation model is evaluated by comparing the segmented results with their corresponding ground truths, which demonstrates the high accuracy of segmentation results with the intersection-over-union metric of approximately 0.8. Despite still being limited in training data, this method exhibits promising potential to address the limitations of conventional approaches, which only rely on normal vectors and unsupervised machine learning algorithms for grouping points in the 3D model into distinct sets of discontinuities.
In this study, the linear cutting tests of pick cutters were carried out on a granitic rock with the average compressive strength over 100 MPa. From the tests, the correlation between the cutter acting force and the temperature measured by infrared thermal imaging camera during rock cutting was analyzed. In every experimental condition, the maximum temperature was measured at the rock surface where the chipping occurred, and the temperature generated in the rock was closely correlated with the cutter acting force. On the other hand, the temperature of a pick cutter increased up to only 36℃ above the ambient temperature, and the correlation with the cutter force was not obvious. This can be attributed to the short cutting distance under laboratory conditions and the high thermal conductivity of the tungsten carbide inserts. However, the relatively high temperature of the tungsten carbide inserts was found to be maintained. Therefore, it is recommended that a reinforcement between the insert and the head of a pick cutter or the quality improvement of silvering brazing in the production of a cutter is necessary to maintain the high cutting performance of a pick cutter.
Inocencio Luevanos-Soto;Arnulfo Luevanos-Rojas;Victor Manuel Moreno-Landeros;Griselda Santiago-Hurtado
Coupled systems mechanics
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v.13
no.3
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pp.201-217
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2024
This study aims to develop a new model to obtain the minimum area in circular isolated footings with eccentric column taking into account that the surface in contact with the ground works partially in compression, i.e., a part of the contact area of the footing is subject to compression and the other there is no pressure (pressure zero). The new model is formulated from a mathematical approach based on a minimum area, and it is developed by integration to obtain the axial load "P", moment around the X axis "Mx" and moment around the Y axis "My" in function of σmax (available allowable soil pressure) R (radius of the circular footing), α (angle of inclination where the resultant moment appears), y0 (distance from the center of the footing to the neutral axis measured on the axis where the resultant moment appears). The normal practice in structural engineering is to use the trial and error procedure to obtain the radius and area of the circular footing, and other engineers determine the radius and area of circular footing under biaxial bending supported on elastic soils, but considering a concentric column and the contact area with the ground works completely in compression. Three numerical problems are given to determine the lowest area for circular footings under biaxial bending. Example 1: Column concentric. Example 2: Column eccentric in the direction of the X axis to 1.50 m. Example 3: Column eccentric in the direction of the X axis to 1.50 m and in the direction of the Y axis to 1.50 m. The new model shows a great saving compared to the current model of 44.27% in Example 1, 50.90% in Example 2, 65.04% in Example 3. In this way, the new minimum area model for circular footings will be of great help to engineers when the column is located on the center or edge of the footing.
HakSu Jang;Hyeon Jun Park;Gwang Hyeon Kim;Gyoung-Ja Lee;Jae-Hoon Ji;Donghun Lee;Young Hwa Jung;Min-Ku Lee;Changyeon Baek;Kwi-Il Park
Journal of Sensor Science and Technology
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v.33
no.1
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pp.34-39
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2024
Energy harvesting technology that converts the wasted energy resources into electrical energy is emerging as a semipermanent power source for self-powered electronics and wireless low-power sensor systems. Among the various energy conversion techniques, flexible piezoelectric energy harvesters (f-PEHs), using materials with piezoelectric effects, have attracted significant interest because they can harvest a small mechanical energy into electrical signals without constraints of time and space in various environments. In this study, we used a flexible piezoelectric composite film fabricated by dispersing BaHfxTi(1-x)O3 (x = 0, 0.01, 0.05, 0.1) piezoelectric powders inside a polymeric matrix to facilitate f-PEHs. The fabricated f-PEH with optimal Hf contents (x = 0.05) generated a maximum output voltage of 0.95 V and current signal of 130 nA with stable electrical/mechanical disabilities under periodically bending deformations. In addition, we demonstrated a cantilever-type f-PEH and investigated its potential as a sensor by characterizing the output performance under mechanical vibrations at various frequencies. This study provides the breakthrough for realizing self-powered energy harvesting and sensing systems by adopting the lead-free piezoelectric composites under vibrational environments.
Byungkwan Park;Chaeman Joo;Dohak Huh;Hyunsup Song;Gwangsu Joo;Dohoon Kim;Minsang Lee
Tunnel and Underground Space
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v.34
no.3
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pp.185-195
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2024
The Incheon Metro Line 1 Geomdan Extension Phase 1 is the first project in South Korea where both a roadheader and TBM (Tunnel Boring Machine) are being used together. The shield TBM tunnel section is 1,057 m long, and is mostly composed of rock, including the section beneath the Airport Railroad and the Gyeongin Ara Waterway. A 7.8 m earth pressure balance shield TBM was used for tunnel excavation. The average monthly advance rate for both the North and South tracks is 239.1 m, with a maximum monthly advance rate of 334.5 m. This technical article comprehensively evaluates the productivity of the shield TBM, focusing on the TBM excavation performance. Above all, it aims to provide useful reference material for the successful execution of shield TBM tunnel construction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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