As the use of TBM increases, research has recently increased to to analyze TBM data with machine learning techniques to predict the exchange cycle of disc cutters, and predict the advance rate of TBM. In this study, a regression prediction of disc cutte wear of slurry shield TBM site was made by combining machine learning based on the machine data and the geotechnical data obtained during the excavation. The data were divided into 7:3 for training and testing the prediction of disc cutter wear, and the hyper-parameters are optimized by cross-validated grid-search over a parameter grid. As a result, gradient boosting based on the ensemble model showed good performance with a determination coefficient of 0.852 and a root-mean-square-error of 3.111 and especially excellent results in fit times along with learning performance. Based on the results, it is judged that the suitability of the prediction model using data including mechanical data and geotechnical information is high. In addition, research is needed to increase the diversity of ground conditions and the amount of disc cutter data.
Kim, Moon-Kyum;Jang, Kyung-Gook;Won, Jong-Hwa;Kim, Tae-Min
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2008.04a
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pp.624-629
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2008
When TBM excavates a tunnel, existing concrete lining segments are used as supporting structures for driving force. Axial stress on the lining segments are apt to be large in case of direct driving force. However, it drastically decline as it is farther and father from TBM and later, it tends to converge after a certain point. Such tendencies show similar results of finite element analysis. At the initial intervals, the values of finite element analysis are larger, while at the later intervals, the actual stress values are larger. It concludes that such tendencies are attributable to that the concrete lining segments have partially burst and cracked in the axial direction at the initial intervals. And differences of stresses at the later intervals are created by the changed plasticity of ground and the friction on the external sides of the lining segments.
Kim, Kyoung-Yul;Jo, Seon-Ah;Ryu, Hee-Hwan;Cho, Gye-Chun
Geomechanics and Engineering
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v.22
no.6
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pp.489-496
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2020
This study proposes a new empirical model to effectively predict the excavation performance of a shield tunnel boring machine (TBM). The TBM performance is affected by the geological and geotechnical characteristics as well as the machine parameters of TBM. Field penetration index (FPI) is correlated with rock mass parameters to analyze the effective geotechnical parameters influencing the TBM performance. The result shows that RMR has a more dominant impact on the TBM performance than UCS and RQD. RMR also shows a significant relationship with the specific energy, which is defined as the energy required for excavating the unit volume of rock. Therefore, the specific energy can be used as an indicator of the mechanical efficiency of TBM. Based on these relationships with RMR, this study suggests an empirical performance prediction model to predict FPI, which can be derived from the correlation between the specific energy and RMR.
The construction of shield tunnels is being expanded from the small-bore tunnels such as power, telecommunications, water supply, and sewerage pipes to the large bore tunnels such as road and railway tunnels with the advancement of the shield TBM (Tunnel Boring Machine) manufacturing technology. Accordingly, the construction of twin shield tunnels is increasing. Peck (1969) reported that the surface settlement trough is well described by a Gaussian distribution on a single shield tunnel. Hereafter, many studies about the surface settlement trough were performed by the field measurement, laboratory model test, and numerical analysis. This study confirmed that the additional surface settlement trough induced by the 2nd tunneling were well described by using each Gaussian curve for the right and left sides of the settlement trough.
Kim Yong-Il;Lim Jong-Yoon;Jung Doo-Suk;Lee Sang-Han;Hwang Nak-Yeon;Park Kwang-Joon
Proceedings of the KSR Conference
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2005.11a
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pp.424-442
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2005
In this paper a design of a large shield Tunnel through weathered soil and weathered rock in 703 section of seoul subway line No.7 extension project is presented. The geological investigation results show that the projecet region consists mostly of weathered soil with some local weathered rock in the tunnel excavation level. A EPB shield TBM is selected as a optimal excavation machine for the large shield Tunnel considering the geological and site conditions. Also, the shield machine head and cutter for the large shield tunnel type are designed considering site geological conditions and average advance rate in similar projects.
Disc cutters, used as excavation tools for rocks in a Tunnel Boring Machine (TBM), naturally undergo wear during the tunneling process, involving crushing and cutting through the ground, leading to various wear types. When disc cutters reach their wear limits, they must be replaced at the appropriate time to ensure efficient excavation. General disc cutter life prediction models are typically used during the design phase to predict the total required quantity and replacement locations for construction. However, disc cutters are replaced more frequently during tunneling than initially planned. Unpredictable disc cutter replacements can easily diminish tunneling efficiency, and abnormal wear is a common cause during tunneling in complex ground conditions. This study aims to overcome the limitations of existing disc cutter life prediction models by utilizing machine data generated during tunneling to predict disc cutter wear patterns and determine the need for replacements in real-time. Artificial intelligence classification algorithms, including K-nearest Neighbors (KNN), Support Vector Machine (SVM), Decision Tree (DT), and Stacking, are employed to assess the need for disc cutter replacement. Binary classification models are developed to predict which disc cutters require replacement, while multi-class classification models are fine-tuned to identify three categories: no replacement required, replacement due to normal wear, and replacement due to abnormal wear during tunneling. The performance of these models is thoroughly assessed, demonstrating that the proposed approach effectively manages disc cutter wear and replacements in shield TBM tunnel projects.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.16
no.2
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pp.117-124
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2014
The interest in the use of shield TBM (Tunnel Boring Machine) on the tunnel excavation has been increased rapidly in Korea. The shield TBM tunnel is generally designed as non-drainage tunnel. Consequently, if water leakage through the segment joints happens, big problems on the usage and stability of tunnel can be occurred. In this study, the variation of waterproof capacity of hydrophilic waterstop by the construction error and excessive displacement of segment was studied firstly. Secondly, the decrease of durability of hydrophilic waterstop by the sulphate and chloride contained in the groundwater and seawater was investigated. The results showed that if the angle discordance at the segment joints is beyond the 2 degree, the proper waterproof capacity of hydrophilic waterstop can not be guaranteed. In addition, if the hydrophilic rubber waterstop is exposed to the sulphate for a while, the proper durability of hydrophilic waterstop can not be expected.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.21
no.3
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pp.323-345
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2019
It is essential to predict ground conditions ahead of a tunnel face in order to successfully excavate tunnels using a shield TBM. This study proposes a forward prediction method for a mixed soil ground and/or a ground containing core stones by using electrical resistivity and induced polarization exploration. Soil conditioning in EPB shield TBM is dependent upon the composition of mixed soils; a special care need to be taken when excavating the core-stoned soil ground using TBM. The resistivity and chargeability are assumed to be measured with four electrodes at the tunnel face, whenever the excavation is stopped to assemble one ring of a segment lining. Firstly, the mixed ground consisting of weathered granite soil, sand, and clay was modeled in laboratory-scale experiments. Experimental results show that the measured electrical resistivity considerably coincides with the analytical solution. On the other hand, the induced polarization has either same or opposite trend with the measured resistivity depending on the mixed ground conditions. Based on these experimental results, a method to predict the mixed soil ground that can be used during TBM tunnel driving is suggested. Secondly, tunnel excavation from a homogeneous ground to a ground containing core stones was modeled in laboratory scale; the irregularity of the core stones contained in the soil layer was modeled through random number generation scheme. Experimental results show that as the TBM approaches the ground that contains core stones, the electrical resistivity increases and the induced polarization fluctuates.
In this paper a determination of the optimal excavation method and machine type for a tunnel under the Han river between the Sungsoo-dong, Sungdong-Gu and the Chungdaw-dong, Kangnam-Gu in the Bundang railway. The geological investigation results show that some fractured zones exist locally under the northern boundary of the Han river bed, but the other regions consist mostly of hard rocks of good quality in the tunnel excavation level. Also, a hign water pressure of $5kgf/cm^2$ and a flash inflow of river water due to old boring holes are expected during tunnel excavation. A EPB shield TBM is selected as a optimal excavation machine for the Han river tunnel considering the geological and ,site conditions.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2005.03a
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pp.423-430
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2005
Fire accidents in underground space may bring much loss of lives as well as properties and result in catastrophic disasters. This study aimed to manufacture the high-temperature furnace capable of simulating fire scenarios (RABT and RWS) and carry out the preliminary fire tests to evaluate fire-induced damage in underground structures. Specimens used in the fire tests were the concrete segments generally used in shield TBM tunnels. The simulated fire scenario was set to the RABT curve that is the most representative fire scenario in underground space. From the fire tests, the spalling was estimated to reach approximately 20cm from the surface exposed to fire. In addition, from the observation of core specimens obtained after fire tests, the deteriorated zone of unspalled specimens amounted to approximately 10cm from the surface of spalling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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