Kim, Sang-Hwan;Oh, Tae-Sang;Park, Soo-Hwan;Lee, Choong-Yeoul;Park, Jong-Kwan
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.16
no.2
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pp.193-201
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2014
This paper presents the development of simulation system on EPB shield TBM Hood operation. In recent, EPB shield TBM is widely used in the tunnel construction. Since the hood system of the EPB shield TBM is most important to excavate the tunnel, it is necessary to perform the simulation of hood system to investigate the design and operation parameters prior to tunnel construction. In order to carry out this study, the scaled simulation system was designed and developed. The model tests were performed to verify the developed system. During the simulation, the earth pressures developed in the chamber during tunnelling were measured to evaluate the operation technique. The test results obtained by the developed simulation system show clearly the similar behaviour of TBM hood compared with the field data. It was also found that the ground loss during tunnelling is dependent on the change of earth pressure in chamber. Therefore, the simulation system developed in this study will be very useful to evaluate the operation technique of the TBM hood prior to tunnel construction. In addition, this system will be applied in a various condition of ground to get the operating information.
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.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.13
no.6
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pp.519-530
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2011
The screw conveyor system installed in EPB Shield TBM chamber was manufactured in small scale for pilot test to investigate the tunnel muck hauling system that could control the earth pressure and support face thrust force. In this experimental study, there were three different test conditions that include screw angles, screw pitch, and screw RPM. Through analysis on test results based on the muck hauling amount per unit time from screw conveyor, the optimum conditions of screw conveyor were proposed to be efficiently performed by the muck processing system. Finally, this study provided the meaningful results such as optimum screw angle, screw RPM, and screw pitch for anti-reverse flow of muck hauling.
Kim, Ki-Hwan;Kim, Hyouk;Kim, Seong-Cheol;Kang, Si-On;Mun, Cheol-Hwa
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.22
no.6
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pp.611-622
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2020
Recently, tunneling projects using shield TBM are increasing in Korea, but the information of client for machine design and manufacturing considering the characteristics of the tunneling phase is not formal, and it is difficult to optimized machine for suitable tunneling works. This paper suggest as for reference the required terms that can be used in Korea on the design items and detailed requirements for ordering of EPB shield TBM based on overseas case study. It would be hope that the TBM user can request the overall tunneling plan and required machine specification when ordering TBM, and the TBM supplier can design and manufacturing that is clear condition and suitable machine for the successful project, so that there are no residential civil complaints and for safe tunneling as well, shield TBM tunneling method will be activated.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.24
no.2
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pp.217-230
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2022
The adequate control of TBM face pressure is of vital importance to maintain face stability by preventing face collapse and surface settlement. An EPB shield TBM excavates the ground by applying face pressure with the excavated soil in the pressure chamber. One of the challenges during the EPB shield TBM operation is the control of face pressure due to difficulty in managing the excavated soil. In this study, the face pressure of an EPB shield TBM was predicted using the geological and operational data acquired from a domestic TBM tunnel site. Four machine learning algorithms: KNN (K-Nearest Neighbors), SVM (Support Vector Machine), RF (Random Forest), and XGB (eXtreme Gradient Boosting) were applied to predict the face pressure. The model comparison results showed that the RF model yielded the lowest RMSE (Root Mean Square Error) value of 7.35 kPa. Therefore, the RF model was selected as the optimal machine learning algorithm. In addition, the feature importance of the RF model was analyzed to evaluate appropriately the influence of each feature on the face pressure. The water pressure indicated the highest influence, and the importance of the geological conditions was higher in general than that of the operation features in the considered site.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.16
no.2
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pp.213-224
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2014
Recently, tunnelling with TBM is getting popular for the construction of cable tunnel in urban area. Mechanized tunnelling method using shield TBM has various advantages such as minimization of ground settlement and prevention of vibration induced by blasting that should be accompanied by conventional tunnelling. In Korea, earth pressure balance (EPB) type shield TBM has been mainly used. Despite the popularity of EPB shield TBM for cable tunnel construction, study on the mechanical behavior of cable tunnel driven by shield TBM is insufficient. Especially, the effect of backfill grout injection on the behavior of cable tunnel driven by shield TBM is investigated in this study. Tunnelling with shield TBM is simulated using 3D FEM. The distance of backfill grout injection from the end of shield skin varies. Sectional forces such as axial force, shear force and bending moment are monitored. Vertical displacement at the ground surface is measured. Futhermore, the relation between volume loss and the distance of backfill grout injection from the end of skin plate is derived. Based on the stability analysis with the results obtained from the numerical analysis, the most appropriate injection distance can be obtained.
An, Jun-Beom;Kang, Seok-Jun;Kim, Jin;Cho, Gye-Chun
Geomechanics and Engineering
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v.29
no.3
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pp.291-300
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2022
Tunnel boring machines combined with the earth pressure balanced shield method (EPB shield TBMs) have been adopted in urban areas as they allow excavation of tunnels with limited ground deformation through continuous and repetitive excavation and support. Nevertheless, the expansion of TBM construction requires much more minor and exquisitely controlled surface settlement to prevent economic loss. Several parametric studies controlling the tunnel's geometry, ground properties, and TBM operational factors assuming ordinary conditions for EPB shield TBM excavation have been conducted, but the impact of excessive excavation on the induced settlement has not been adequately studied. This study conducted a numerical evaluation of surface settlement induced by the ground loss from face imbalance, excessive excavation, and tail void grouting. The numerical model was constructed using FLAC3D and validated by comparing its result with the field data from literature. Then, parametric studies were conducted by controlling the ground stiffness, face pressure, tail void grouting pressure, and additional volume of muck discharge. As a result, the contribution of these operational factors to the surface settlement appeared differently depending on the ground stiffness. Except for the ground stiffness as the dominant factor, the order of variation of surface settlement was investigated, and the volume of additional muck discharge was found to be the largest, followed by the face pressure and tail void grouting pressure. The results from this study are expected to contribute to the development of settlement prediction models and understanding the surface settlement behavior induced by TBM excavation.
The Discrete Element Method (DEM) has been widely used in civil engineering as well as various industrial fields to simulate granular materials. In this study, DEM was adopted to predict the performance of the face plate-type earth pressure balance (EPB) shield TBM (Tunnel Boring Machine). An analysis of the TBM excavation performance was conducted according to two pre-defined excavation conditions with the different rotation speeds per minute (RPM) of the cutterhead. The TBM model which was used in this study has a 6.64 m of diameter and six spokes. Also, 37 precutters and 98 scrapers at an each spoke were modeled with a real-scale specification. From the analysis, compressive forces at the cutterhead face, shield and cutting tools, resistant torques at the cutterhead face, muck discharge rate and accumulated muck discharge by the screw auger were measured and compared.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.26
no.5
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pp.533-549
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2024
Soil conditioning is a critical process when tunneling with an earth pressure balance (EPB) shield tunnel boring machine (TBM) to enhance performance. To determine the optimal additive injection conditions, it is important to understand the rheological properties of conditioned soil, which is typically assessed using a rheometer. However, a rheometer cannot simulate the actual process of muck discharge in a TBM. Therefore, in this study, a scaled-down model of an 8-meter-class EPB shield TBM chamber and screw conveyor, reduced by a factor of 1:20, was fabricated and its applicability was evaluated through laboratory experiments. A lab-scale model experiment was conducted on artificial sandy soil using foam and polymer as additives. The experimental results confirmed that screw torque was consistent with trends observed in previous laboratory pressurized vane shear test data, establishing a positive proportional relationship between screw torque and yield stress. The muck discharge efficiency according to foam injection ratio (FIR) showed similar values overall, but decreased slightly at 60% of FIR and when the polymer was added. In addition, the pressure distribution generated along the chamber and screw conveyor was assessed in a manner similar to the actual EPB TBM. This study demonstrates that the lab-scale screw conveyor model can be used to evaluate the shear properties and muck discharge efficiency.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.14
no.6
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pp.683-697
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2012
In this paper, a risk analysis methodology applicable to shield TBM tunnels was studied. Fault Tree Analysis (FTA) was utilized to identify all risk items and to calculate the probability of failure of each item and Analytic Hierarchy Process (AHP) was used to obtain the impact of each risk item. Finally, a risk level of each risk item can be assessed. Developed methodology is applied to a Seoul subway site in which EPB shield tunnel method was utilized and it was found that risk analysis results matched reasonably well with field data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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