• Geomechanics and Engineering
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• 제29권3호
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• pp.249-258
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• 2022

A disc cutter is an excavation tool on a tunnel boring machine (TBM) cutterhead; it crushes and cuts rock mass while the machine excavates using the cutterhead's rotational movement. Disc cutter wear occurs naturally. Thus, along with the management of downtime and excavation efficiency, abrasioned disc cutters need to be replaced at the proper time; otherwise, the construction period could be delayed and the cost could increase. The most common prediction models for TBM performance and for the disc cutter lifetime have been proposed by the Colorado School of Mines and Norwegian University of Science and Technology. However, design parameters of existing models do not well correspond to the field values when a TBM encounters complex and difficult ground conditions in the field. Thus, this study proposes a series of machine learning models to predict the disc cutter lifetime of a shield TBM using the excavation (machine) data during operation which is response to the rock mass. This study utilizes five different machine learning techniques: four types of classification models (i.e., K-Nearest Neighbors (KNN), Support Vector Machine, Decision Tree, and Staking Ensemble Model) and one artificial neural network (ANN) model. The KNN model was found to be the best model among the four classification models, affording the highest recall of 81%. The ANN model also predicted the wear rate of disc cutters reasonably well.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제16권11호
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• pp.29-37
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• 2015

최근 급격한 도시화로 인한 신도시, 택지개발지구 등의 증가로 기존 구조물 하부를 통과하는 비개착 강관압입공법의 적용이 증가하는 추세이다. 비개착공법은 시공 중 기존구조물의 정상적인 운영 안정성이 확보되어야 하므로 강관압입에 의한 지표침하의 정밀한 예측이 필수적으로 필요한 공법이다. 강관압입 시 침하를 발생시키는 원인은 강관 선단과 강관과의 직경차에 의한 공극, 원활한 강관압입을 위한 과굴착, 강관과 지반과의 마찰에 의한 공극 발생 등이 있으며, 이는 Shield TBM 시공 시 발생하는 침하 원인과 유사하다. 본 연구에서는 Shield TBM의 침하 예측방법인 Gap Parameter Method와 Volume Loss Method를 이용하여 강관압입 시 침하를 예측하였으며, 현장시험을 통하여 예측방법에 대한 비교 분석을 수행하였다. 그 결과 Volume Loss 예측방법이 현장시험과 가장 유사한 결과로 나타났으나, 추후 예측방법의 Factor 결정 및 비개착공법 전체 침하예측을 위한 적용성 등 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권1호
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• pp.47-58
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• 2020

최근 국내에서는 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine)을 이용한 터널 굴착에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 쉴드 TBM 터널은 비배수 터널로써 세그먼트 이음부에서 누수가 발생할 경우에는 터널의 사용성 및 안정성에 문제가 될 수 있다. 본 연구에서는 쉴드 TBM 터널의 세그먼트 시공 시 시공오차 및 세그먼트 과다변형에 의한 수팽창 지수재의 방수 성능을 검토하였다. 특히, 수팽창 지수재 1열 배열 및 2열 배열 각각에 대하여 방수 성능을 검토하여, 2열배열의 효율성을 검증하였다. 실험결과, 1열 배열 및 2열 배열 수팽창 지수재는 동일한 방수 성능을 보였다. 즉, 1열 배열 및 2열 배열 모두, 수팽창 지수재는 엇갈림에 대해서는 대응성이 좋으나, 틈새 간격에 대해서는 대응성이 불리한 것으로 나타났다.

• 한국지반신소재학회논문집
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• 제16권4호
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• pp.163-176
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• 2017

개별요소법(Discrete Element Method, DEM)은 토목공학 등 입자형태의 재료를 다루는 분야에서 다양하게 이용된다. 본 연구에서는 DEM 기법에 근거한 입자 역학 전용 해석 상용 소프트웨어를 사용하여 면판형 토압식 쉴드TBM 굴착성능을 평가하기 위한 수치 해석을 수행하였다. TBM에 대한 해석은 커터헤드의 회전속도가 다른 두 가지 조건에 대해 수행되었다. 해석 모델의 직경은 6.64m이며 6개의 스포크를 갖는 것으로 작성되었다. 또한, 37개의 프리커터와 98개의 스크래퍼가 각 스포크에 모델링 되었다. 해석결과를 통해, 커터헤드면과 쉴드, 절삭 도구에 작용하는 압축력과 커터헤드면에서 발생하는 저항 토크의 크기를 검토하였으며 스크루 오거를 통해 배출되는 토사량에 대해서는 각각 단위 시간당 배토량과 누적 배토량을 검토하였다.

• 한국지반신소재학회논문집
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• 제19권4호
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• pp.65-74
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• 2020

토압식(EPB, earth pressure balance) 쉴드 TBM 공법에서 첨가제 주입을 통해 굴착한 흙을 개량하는 쏘일 컨디셔닝(soil conditioning) 기법의 적용은 TBM의 굴진성능을 향상시키는데 필수적이다. 따라서 TBM 장비의 굴진 성능을 모사하는 수치해석 모델에서도 쏘일 컨디셔닝을 적용하는 것은 중요하나, 이를 해석적으로 모사하는 기법에 대한 연구는 현재까지 부족하다. 따라서 본 연구에서는 컨디셔닝 된 흙의 특성을 파악하기 위해 실내 가압 베인시험 장치를 고안하였다. 고안된 장치를 통해 폼에 의해 컨디셔닝 된 흙에 대하여 전단속도를 달리하며 시험을 수행하였으며, 시험은 개별요소법(DEM, discrete element method)을 통해 모델링 되었다. 시험결과와 해석결과의 비교를 통해 개별요소법에서의 입자 접촉조건을 결정하였으며, 이는 개별요소법을 사용한 TBM 굴진해석 모델에서 쏘일 컨디셔닝을 재현할 때 가압 베인시험과 개별요소법 모델의 적용 가능성을 보여준다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제35권5호
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• pp.487-497
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• 2023

Penetration rate (PR) and penetration depth (Pe) are crucial parameters for estimating the cost and time required in tunnel construction using tunnel boring machines (TBMs). This study focuses on investigating the impact of rock strength on PR and Pe through full-scale experiments. By conducting controlled tests on rock-like specimens, the study aims to understand the contributions of various ground parameters and machine-operating conditions to TBM excavation performance. An earth pressure balanced (EPB) TBM with a sectional diameter of 3.54 m was utilized in the experiments. The TBM excavated rocklike specimens with varying uniaxial compressive strength (UCS), while the thrust and cutterhead rotational speed were controlled. The results highlight the significance of the interplay between thrust, cutterhead speed, and rock strength (UCS) in determining Pe. In high UCS conditions exceeding 70 MPa, thrust plays a vital role in enhancing Pe as hard rock requires a greater thrust force for excavation. Conversely, in medium-to-low UCS conditions less than 50 MPa, thrust has a weak relationship with Pe, and Pe becomes directly proportional to the cutterhead rotational speed. Furthermore, a strong correlation was observed between Pe and cutterhead torque with a determination coefficient of 0.84. Based on these findings, a predictive model for Pe is proposed, incorporating thrust, TBM diameter, number of disc cutters, and UCS. This model offers a practical tool for estimating Pe in different excavation scenarios. The study presents unprecedented full-scale TBM excavation results, with well-controlled experiments, shedding light on the interplay between rock strength, TBM operational variables, and excavation performance. These insights are valuable for optimizing TBM excavation in grounds with varying strengths and operational conditions.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제16권4호
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• pp.403-415
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• 2014

최근, 기후변화에 따른 하절기 기온 상승으로 인하여 전력사용량이 급증하고 있다. 이에 따라 발전시설이 새로 준공되고 있으며, 생산된 전기를 도심지로 송전할 초고압 송전선로 시설의 필요성이 증가하고 있다. 쉴드 TBM을 이용한 기계화 터널 굴착공법은 기존의 재래식 공법에 비해 지반 침하와 지반에 전달되는 진동을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 도심지에서의 전력구터널 굴착을 위한 쉴드 TBM 공법이 증가함에도 불구하고, 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 분석에 관한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 파쇄대를 포함하는 복합지반에서 파쇄대 너비, 각도에 따른 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 특성을 분석하고, 인터페이스 요소를 적용한 파쇄대와 연속체로 모델링한 파쇄대의 거동 특성을 비교하고자 한다. 쉴드 TBM을 이용한 터널 굴착은 3D FEM을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 파쇄대의 방향과 크기의 변화에 따라 세그먼트 라이닝에 작용되는 축력, 전단력, 휨 모멘트를 검토하고 지표면에서의 연직변위를 분석하였다. FEM 해석으로 얻어진 결과와 안정성 분석에 기초하여, 전방의 파쇄대를 예측하여 터널 구조물의 안정성을 확보할 수 있다.

• 터널과지하공간
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• 제31권6호
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• pp.494-507
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• 2021

TBM의 활용이 증가하면서 최근 국내에서도 머신러닝 기법으로 TBM 데이터를 분석하여 TBM 전방의 지반을 예측하고 디스크커터의 교환주기 예측 및 굴진율을 예측하는 연구가 수행되고 있다. 본 연구에서는 TBM 굴진 시 기계 데이터를 대상으로 전통적 암반에 대한 분류 기법과 최근에 다양한 분야에서 널리 사용되고 있는 머신러닝 기법들을 접목하여 슬러리 쉴드 TBM 현장의 암반 특성에 대한 분류 예측을 하였다. 암반 특성 분류 기준 항목을 RQD, 일축압축강도, 탄성파속도로 설정하고 항목별 암반상태를 클래스 0(양호),1(보통),2(불량)의 3개 클래스로 구분한 다음, 6개의 분류 알고리즘에 대한 기계학습을 수행하였다. 그 결과, 앙상블 계열의 모델이 좋은 성능을 보여주었고 특히 학습성능과 더불어 학습속도에서 우수한 결과를 보인 LigthtGBM 모델이 대상 현장 지반에서 최적인 것으로 나타났다. 본 연구에서 설정한 3가지 암반 특성에 대한 분류 모델을 활용하면 지반정보가 제공되지 않은 구간에 대한 암반 상태를 제공할 수 있어 굴착작업 시 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권5호
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• pp.529-541
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• 2020

기계화터널시공의 대표적인 장비인 TBM의 커터헤드는 타 장비에 비해 굴착 중 발생하는 하중이 매우 크며, 마모가 발생하여 단면이 손실되는 작업환경을 가지고 있어 피로파괴에 의한 설계검토가 필요하지만, TBM커터헤드에 대한 피로해석을 수행한 사례는 찾기 어렵다. 본 연구에서는 직경 8.2 m인 커터헤드를 대상으로 안전수명설계 개념으로 S-N커브를 이용하여 응력-수명 설계 검토를 수행하였다. 또한 건설장비의 피로설계방법과 피로손상도를 평가하는 방법에 대해 소개하고 직경 8.2 m의 TBM 커터헤드를 대상으로 피로해석을 수행한 결과를 설명하였다. S-N curve는 피로 설계를 하는 데에 있어서 핵심적인 역할을 하는 것을 알 수 있었으며, 피로 하중을 받고 있는 구조물이 현재 시점에서 어느 정도의 피로 손상을 받고 있는지를 평가하는 데에도 사용될 수 있다. 앞으로 건설장비에서도 장비를 사용하는 동안 어떤 시점에서 피로문제가 발생하는지와 장비의 안전 점검은 언제 실시하는 것이 효과적인지 등에 대한 정보를 파악하는 안전수명설계 개념을 도입하는 것이 필요하다.

• 한국암반공학회:학술대회논문집
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• 한국암반공학회 2001년도 추계공동학술발표회 논문집
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• pp.115-120
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• 2001

In No. 1 tunnel for Kwnagju urban subway construction, net penetration rate of the shield TBM was analyzed. This tunnel of 540 m length is located in soil layers at starting and in hard rocks such as amphibolite and granitic gneiss at ending with 84 m length. The net penetration rate was dropped down to 2∼11 cm/hr in rock while 50∼80 cm/hr in soil. Theoretical penetration rate is analyzed in conditions of machine and rock in order to compare the actual net penetration rate. The relationships between net penetration rate and thrust force is also investigated in this report.