This paper delves into the critical assessment of predicting sidewall displacement in underground caverns through the application of nine distinct machine learning techniques. The accurate prediction of sidewall displacement is essential for ensuring the structural safety and stability of underground caverns, which are prone to various geological challenges. The dataset utilized in this study comprises a total of 310 data points, each containing 13 relevant parameters extracted from 10 underground cavern projects located in Iran and other regions. To facilitate a comprehensive evaluation, the dataset is evenly divided into training and testing subset. The study employs a diverse array of machine learning models, including recurrent neural network, back-propagation neural network, K-nearest neighbors, normalized and ordinary radial basis function, support vector machine, weight estimation, feed-forward stepwise regression, and fuzzy inference system. These models are leveraged to develop predictive models that can accurately forecast sidewall displacement in underground caverns. The training phase involves utilizing 80% of the dataset (248 data points) to train the models, while the remaining 20% (62 data points) are used for testing and validation purposes. The findings of the study highlight the back-propagation neural network (BPNN) model as the most effective in providing accurate predictions. The BPNN model demonstrates a remarkably high correlation coefficient (R2 = 0.99) and a low error rate (RMSE = 4.27E-05), indicating its superior performance in predicting sidewall displacement in underground caverns. This research contributes valuable insights into the application of machine learning techniques for enhancing the safety and stability of underground structures.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.19
no.6
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pp.871-885
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2017
Nowadays, the construction of tunnels with a shallow depth drastically in urban areas increases. But the effect of sidewall displacement in shallow tunnel on its behavior is not well known yet. Most studies on the shallow tunnel have been limited to the stability and the failure of the tunnel and the adjacent ground in plane strain state. Therefore, the model tests were conducted in a model ground which was built with carbon rods, in order to investigate the impact of the tunnel sidewall displacement on the lateral load transfer to the adjacent ground. The lateral displacement of the tunnel sidewall and the load transfered to the adjacent ground were measured in model tests for various overburdens (0.50D, 0.75D, 1.00D, 1.25D). As results, if the cover depth of tunnel was over a constant depth (0.75D) in a shallow tunnel, the tunnel sidewall was failed with a constant shape not depending on the tunnel cover depth and also not affected by the opposite side of the wall. But, if the cover depth of tunnel was under a constant depth (0.75D), the failure of the tunnel sidewall could affect the opposite sidewall. In addition, if the displacement of tunnel sidewall with 50% of the critical displacement occurred, the tunnel failure was found to be at least 75%. However, additional studies are deemed necessary, since they may differ depending on the ground conditions.
When there exists a fault zone ahead of the tunnel face and a tunnel is excavated without perceiving its existence, it will cause stress concentration in the region between the tunnel face and the fault zone because of the influence of the fault zone on the arching phenomena. Because the underground structure has many unreliable factors in the design stage, the prediction of a fault zone ahead of the tunnel face by monitoring plans during tunnel construction and the rapid establishment of appropriate support system are required for more economical and safer tunnel construction. Recent study shows that longitudinal displacement changes during excavation due to the change of rock property, and if longitudinal displacement and settlement, which are measured in the field, are considered together in displacement analysis, the prediction of change in rock mass property is possible. This study provided the method for the prediction of fault zones by analyzing the changes of L/C and (Ll-Lr)/C ratio (L= longitudinal displacement at crown, C = settlement at crown, Ll = longitudinal displacement at left sidewall, Lr = longitudinal displacement at right sidewall) and the stereographic projection of displacement vectors which were obtained from the 3-D numerical analysis of hybrid method in various initial stress conditions.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.4
no.3
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pp.185-193
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2002
In this paper, deformation behavior of shallow subway tunnel excavated in weathered soil and reinforcement effects of longitudinal support measures are investigated via three dimensional FDM analysis. Two excavation methods, half-face excavation and full-face excavation, are considered in simulation to study the influences of excavation methods on tunnel deformation behavior. In addition, the reinforcing effects of RPUM and fiberglass pipe are compared. Face extrusion, covergence, preconvergence, and sidewall displacement are investigated to analyze tunnel deformation behavior, and surface settlement is used to analyze the effects of excavation methods and longitudinal supports measures. The simulation results show that half-face excavation induces larger convergence, preconvergence, sidewall displacement, surface settlement than full-face excavation, while full-face excavation induces larger extrusion than half-face excavation. In addition, under same excavation method, all displacements are larger when RPUM is only used for longitudinal support than when RPUM is jointly used with fiberglass pipes.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.8
no.2
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pp.101-113
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2006
Arching effect occurs around the unsupported excavation surface near to tunnel face when a tunnel is excavated in a stable rock mass. If a weak fracture zone exists in front of tunnel face, a displacement occurs between tunnel face and weak fracture zone due to stress concentration. If three-dimensional absolute coordinates (longitudinal, transverse, vertical direction) is measured at tunnel face by geodetic method, the ground change in front of the tunnel face can be predicted by analysing three-dimensional absolute displacement. The purpose of this study is to verify the analysis method of three-dimensional absolute displacement by comparing the trend of displacement ratio at crown and sidewall of tunnel and the influence line/trend line of crown settlement compared with TSP results in the same section.
Focusing on the bench length, this paper presents the results of 3-dimensional elafto-plastic FE Analysis un tunnels of full face, mini-bench and short bench excavated in weathered rock. Influences of unsupported span, horizontal to vertical stress ratio, thickness of shotcrete on the behavior of rock and support were a1so studied. Results showed that displacements of mini-bench tunnels responded more sensitively to bench lengths than those of short bench. The effects of bench excavation on upper half displacement increased with longer unsupported span. Horizontal to vertical stress ratio showed a greater influence on displacement and preceding displacement ratio or sidewall rather than those of crown and invert.
Since the generalized Hoek-Brown (GHB) function predicts the strength of the jointed rock mass in a systematic manner by use of GSI index, it is widely used in rock engineering practices. In this study, a series of 2D elasto-plastic FE analysis, which adopts the GHB criterion as a yield function, was carried out to investigate the radial convergence characteristics of circular tunnel excavated in the GHB rock mass. The effect of the plastic potential function on the elasto-plastic displacement was also examined. In the analysis, the wide range of both the $K(={\sigma}_h/{\sigma}_v)$ and GSI values are considered. For each K value, the variation of the ratio of sidewall displacement to roof displacement was calculated with varying GSI values and the obtained displacement patterns were analysed. The calculation results show that the displacement ratio significantly depends not only on the K value but also on the range of GSI value. In particular, for lower range of GSI value, the displacement ratio pattern calculated in the elasto-plastic regime is opposite to that predicted by the elasticity theory. In addition, the variation of the radial displacement ratio with GSI value for different types of plastic potential function showed similar trend.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.21
no.1
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pp.93-113
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2019
The behavior of the 3 hinged precast arch structure was investigated by comparing field measurements with numerical analyses performed for precast lining arch structures, which are widely used for the open-cut tunnel. According to the field measurements, the maximum vertical displacement occurred at the crown with upward displacements during the backfilling up to the crown of the arch and downward displacements at the backfill height above the crown. The final crown displacement was 19 mm upward from the original position. The horizontal displacement at the sidewall, which had a maximum horizontal displacement, occurred inward of the arch when compacting the backfill up to the crown and returned to the original position after completing the backfill construction. According to the analysis of displacement measurements, economical design is expected to be possible for precast arch structures compared to rigid concrete structures due to ground-structure interactions. Duncan model gave good results for the estimation of displacements and deformed shape of the tunnel according to the numerical analyses comparing with field measurements. The earth pressure coefficients calculated from the numerical analyses were 0.4 and 0.7 for the left and the right side of the tunnel respectively, which are agreed well with the eccentric load acting on the tunnel due to topographical condition and actual field measurements.
Due to high in-situ stress and brittleness of rock mass, the surrounding rock masses of underground caverns are prone to appear splitting failure. In this paper, a kind of loading-unloading variable elastic modulus model has been initially proposed and developed based on energy dissipation principle, and the stress state of elements has been determined by a splitting failure criterion. Then the underground caverns of Dagangshan hydropower station is analyzed using the above model. For comparing with the monitoring results, the entire process of rock splitting failure has been achieved through monitoring the splitting failure on side walls of large-scale caverns in Dagangshan via borehole TV, micro-meter and deformation resistivity instrument. It shows that the maximum depth of splitting area in the downstream sidewall of the main power house is approximately 14 m, which is close to the numerical results, about 12.5 m based on the energy dissipation model. As monitoring result, the calculation indicates that the key point displacement of caverns decreases firstly with the distance from main powerhouse downstream side wall rising, and then increases, because this area gets close to the side wall of main transformer house and another smaller splitting zone formed here. Therefore it is concluded that the energy dissipation model can preferably present deformation and fracture zones in engineering, and be very useful for similar projects.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.23
no.5
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pp.702-710
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1999
U-shaped bellows are usually used to piping system pressure sensor and controller for refriger-ator. Bellows subjected to internal pressure are designed for the purpose of absorbing deformation. Internal pressure on the convolution sidewall and end collar will be applied to an axial load tend-ing to push the collar away from the convolutions. To find out deformation behavior of bellow sub-jected to internal pressure the axisymmetric shell theory using the finite element method is adopted in this paper. U-shaped bellows can be idealized by series of conical frustum-shaped ele-ments because it is axisymmetric shell structure. The displacements of nodal points due to small increment of force are calculated by the finite element method and the calculated nodal displace-ments are added to r-z cylindrical coordinates of nodal points. The new stiffness matrix of the sys-tem using the new coordinates of nodal points is adopted to calculate the another increments of nodal displacement that is the step by step method is used in this paper. The force required to deflect bellows axially is a function of the dimensions of the bellows and the materials from which they are made. Spring constant is analyzed according to the changing geometric factors of U-shaped bellows. The FEM results were agreed with experiment. Using developed FORTRAN PROGRAM the internal pressure vs. deflection characteristics of a particu-lar bellows can be predicted by input of a few factors.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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