• 터널과지하공간
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• 제32권6호
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• pp.345-352
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• 2022

도심지 터널 건설에서 발파공법은 민원이 제기되는 문제점이 있어 적용에 제약받고 있다. 이에 대한 대안으로 TBM 및 기계굴착 공법 적용이 필수적으로 검토되고 있다. 이 중 쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine)은 굴진과 세그먼트 체결이 번갈아 반복되며 굴진하는 공정을 가지고 있는데, 세그먼트 체결 동안 굴진을 멈추게 된다. 이러한 가동 정지시간을 최소화하고자 세그먼트 체결 중에도 가동할 수 있는 연속굴착형 TBM 기술이 개발되고 있다. 나선형 세그먼트의 굴진 반력을 확보하기 위해 추진잭을 개조하고 신뢰성을 확보하는 연구가 진행 중이다. 또한 체결 중 세그먼트를 제외한 나머지 부분의 추진잭을 가동하는 유압제어 및 유압시스템 설계기술이 개발될 예정이다. 본 보고는 연속굴착형 TBM 과제 중 부품개조 및 유압제어 기술에 대한 일부 내용을 소개한다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제38권6호
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• pp.583-591
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• 2024

To properly simulate the excavation process and evaluate the structural stability of the tunnel, rigorous large deformation analysis method is necessary. This study applies two most widely used numerical approaches capable of modelling and considering the large deformations behavior during excavation process to analyze and evaluate the structural stability of circular tunnel based on tunnel boring machine (TBM) excavation. By comparing and combining the results from two numerical approaches, the deformation of the excavated ground will be analyzed. The stability of the circular tunnel from TBM tunneling was assessed based on the maximum deformation occurred during the excavation process. From the numerical computation it was concluded that although the range of the damage on the ground done during excavation was found to be larger under hard rock condition, maximum deformation within the circular tunnel structure was larger under weak ground conditions and deeper tunnel depths.

• 한국지반공학회:학술대회논문집
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• 한국지반공학회 2002년도 봄 학술발표회 논문집
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• pp.157-164
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• 2002

Based on the results of prototype air-shaft construction, penetration capacity of RBM(Raise Boring Machine) was analyzed and compared with TBM(Tunnel Boring Machine) performance in this study. Utilization, down time, net penetration rate and advance rate were evaluated and compared. By conducting the laboratory tests for rock properties with the analysis of penetration capacity, relation of penetration capacity and geotechnical parameters was studied. The results showed that much more higher value of utilization, however lower value of net penetration rate for RBM was obtained compared to those of TBM. In addition, as the strength of rock penetrated increased, higher value of net penetration rate was obtained contrarily to the results of TBM performance. Finally, new relationship between total hardness and net penetration rate for weak and weathered rock was derived from these results.

• 터널과지하공간
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• 제28권1호
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• pp.1-24
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• 2018

국내외 터널공사에서 TBM(Tunnel Boring Machine)의 적용사례가 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 TBM터널은 더 어렵고 복잡한 특수지반을 대상으로 시공되는 사례가 많으며, 복잡한 지질 조건에 기인한 시공상의 어려움이 꾸준히 보고되고 있는 실정이다. 국내에서는 아직까지 특수 지반의 효율적 통과에 대한 연구가 미진한 실정이다. 이 논문에서는 특수지반을 대상으로 하는 쉴드TBM 터널공사에서의 지반조사와 시공과 관련된 사항에 대하여 고찰하였다. 국내외 특수지반을 통과한 시공 사례를 분석하여 쉴드TBM 터널의 특수지반을 11개로 분류하였고, 각각의 특수지반의 개념과 일반적인 문제점들을 정리하였다. 특히 도심지 천층부에서 빈번하게 조우하는 복합지반, 호박돌층, 단층파쇄대의 분류 기법, 지반조사기법, 그리고 해당지반에서의 고려사항들을 논의하였고, 향후 연구방향에 대하여 제안하였다. 본 논문은 특수지반에서의 TBM 시공기술 발전을 위한 기초연구로써 향후 관련 연구와 특수지반에서의 TBM 시공에 도움이 될 것으로 기대된다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제29권5호
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• pp.523-533
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• 2022

Several prediction model of penetration rate (PR) of tunnel boring machines (TBMs) have been focused on applying to design stage. In construction stage, however, the expected PR and its trends are changed during tunneling owing to TBM excavation skills and the gap between the investigated and actual geological conditions. Monitoring the PR during tunneling is crucial to rescheduling the excavation plan in real-time. This study proposes a sequential prediction method applicable in the construction stage. Geological and TBM operating data are collected from Gunpo cable tunnel in Korea, and preprocessed through normalization and augmentation. The results show that the sequential prediction for 1 ring unit prediction distance (UPD) is R²≥0.79; whereas, a one-step prediction is R²≤0.30. In modeling algorithm, a gradient boosted regression tree (GBRT) outperformed a least square-based linear regression in sequential prediction method. For practical use, a simple equation between the R² and UPD is proposed. When UPD increases R² decreases exponentially; In particular, UPD at R²=0.60 is calculated as 28 rings using the equation. Such a time interval will provide enough time for decision-making. Evidently, the UPD can be adjusted depending on other project and the R² value targeted by an operator. Therefore, a calculation process for the equation between the R² and UPD is addressed.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제25권5호
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• pp.387-401
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• 2023

토압식(Earth Pressure Balanced, EPB) 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine) 공법은 진동과 소음이 적어 도심지 지하공간 시공에 적극적으로 활용되고 있다. 이때 첨가제 주입은 막장압 유지, 전단강도 감소, 커터의 마모량 최소화, 굴착토의 투수계수 감소 등 다양한 효과를 보인다. 이러한 기술을 쏘일 컨디셔닝이라 하며, 일반적으로 첨가제로 폼, 폴리머, 벤토나이트 슬러리 등을 적용한다. 본 연구에서는 국내 터널 현장에서 빈번하게 조우하는 화강풍화토 시료에 대해 폼과 폴리머를 첨가제로 적용하여 유동학적 특성을 평가하였다. 슬럼프 시험을 통해 작업성(Workability)을 평가하고, 동일한 시험 조건에 대해 실내 가압 베인전단 시험을 수행하여 유동학적 특성을 평가하였다. 이때 슬럼프 값이 높아 작업성이 떨어지는 경우, 폴리머를 추가 적용하여 폴리머 적용이 유동학적 특성에 미치는 영향을 검토하였다. 시험 결과, 폼 주입비(Foam Injection Ratio, FIR)가 증가함에 따라 슬럼프 값은 증가한 반면 토크, 첨두강도 및 항복응력, 겉보기 점도, 틱소트로피 면적은 감소하였다. 하지만, 폴리머 주입비(Polymer Injection Ratio, PIR)는 폼 주입비와 상반되는 결과를 확인하였다. 시험결과 비교를 통해 슬럼프 값과 항복응력 간의 상관관계를 제시하였다. 그리고 폼 만을 적용한 조건과 폼과 폴리머 모두 적용한 조건을 비교한 결과, 유사한 슬럼프 값을 보이더라도 폼과 폴리머 모두 적용한 조건에서 더 낮은 항복응력이 도출되었다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제16권6호
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• pp.643-654
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• 2018

Tunnel excavation leads to a disturbance on the initial stress balance of surrounding soils, which causes convergences around the tunnel and settlements at the ground surface. Considering the effective impact of settlements on the structures at the surface, it is necessary to estimate them, especially in urban areas. In the present study, ground settlements due to the excavation of East-West Line 7 of the Tehran Metro (EWL7) and the Abuzar tunnels are evaluated and the effect of the lateral earth pressure coefficient ($K_0$) on their extension is investigated. The excavation of the tunnels was performed by TBMs (Tunnel Boring Machines). The coefficient of lateral earth pressure ($K_0$) is one of the most important geotechnical parameters for tunnel design and is greatly influenced by the geological characteristics of the surrounding soil mass along the tunnel route. The real (in-situ) settlements of the ground surface were measured experimentally using leveling methods along the studied tunnels and the results were compared with evaluated settlements obtained from both semi-empirical and numerical methods (using the finite difference software FLAC3D). The comparisons permitted to show that the adopted numerical models can effectively be used to predict settlements induced by a tunnel excavation. Then a numerical parametric study was conducted to show the influence of the $K_0$ values on the ground settlements. Numerical investigations also showed that the shapes of settlement trough of the studied tunnels, in a transverse section, are not similar because of their different diameters and depths of the tunnels.

• 대한토목학회논문집
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• 제31권6D호
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• pp.839-848
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• 2011

TBM(Tunnel Boring Machine) 터널은 굴진 도중 장비의 교체나 개조 등은 불가능하기 때문에 굴진 종료 시까지 투입된 장비로 굴진하여야만 한다. 특히 토압식 쉴드TBM은 막장관찰이 어려우므로 굴진 중에 수집된 자료를 분석하여 지반상태의 변화를 예측하고 이를 시공에 반영하여야한다. 지금까지의 TBM에 대한 연구는 굴착 대상이 되는 지반의 특성에 따른 장비선정 및 굴진속도 예측모델 개발이 주로 이루어져왔다. 그러나 굴착의 주체가 되는 TBM 장비의 굴진자료에 의한 지반상태의 추정 및 운전방법의 개선에 초점을 맞춘 연구는 그리 많이 수행되지 않았다. 본 연구는 토압식 쉴드TBM 시공 사례에서 얻은 굴진자료를 활용하여 투입된 장비의 운전조건에 따른 굴진속도의 변화와 최적 운전조건에 대해 알아보았다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 커터헤드의 회전속도와 총추력이 굴진속도에 가장 큰 영향을 주며 둘째, 적정한 굴진속도를 위해서는 최적 회전속도를 유지하면서 총추력을 조정하는 것이 좋으며 셋째, 총추력의 증가 추세에 따라 지반조건의 변화에 대한 예측이 가능하여 이에 따라 적절한 운전조건의 변경을 결정할 수 있다.

• 터널과지하공간
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• 제34권2호
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• pp.143-153
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• 2024

TBM 공법은 발파 공법에 비해 굴착 중 소음과 진동 수준이 낮고, 안정성이 높은 터널 굴착 공법이며, 전세계적으로 터널 프로젝트에 TBM 공법을 적용하는 사례가 증가하는 추세이다. 디스크 커터는 TBM의 커터헤드에 장착되는 굴착 도구로 지속적으로 막장면 지반과 상호작용하며, 이때 필연적으로 마모가 발생한다. 본 연구에서는 지질 조건과 TBM 운영파라미터, 머신러닝 알고리즘들을 이용하여 디스크 커터 마모를 정량적으로 예측하였다. 디스크커터 마모 예측의 입력변수 중 UCS 데이터의 수가 다른 기계 데이터 및 마모 데이터에 비해 매우 부족하기 때문에, 먼저 TBM 기계 데이터를 이용하여 전체 구간에 대한 UCS 추정을 진행하고, 완성된 전체 데이터로 마모율 계수 예측을 수행하였다. 마모율 계수 예측 모델의 성능을 비교해 본 결과 XGBoost 모델의 성능이 가장 높게 나타났으며, 복잡한 예측 모델의 해석을 위해 SHapley Additive exPlanation (SHAP) 분석을 진행하였다.

• 한국구조물진단유지관리공학회 논문집
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• 제28권5호
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• pp.1-9
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• 2024

최근 수도권 광역급행철도(GTX) 등 도심지 하부 터널굴착이 활발히 진행됨에 따라 TBM 터널 시공법이 각광받게 되었다. TBM 터널은 공사비가 비싼 반면 NATM터널 공법에 비해 상대적으로 소음, 진동에 자유롭기 때문에 기존 도심 하부에 적용하기에 적합한 공법으로 알려져 있다. 특히 지층이 얕은 구간을 통과시 기존 구축된 상부 구조물 및 지장물에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 TBM 터널 설계시 다양한 변수를 고려한 정확한 수치해석이 필요하다. TBM터널은 다른 터널 시공공법과 달리 공장에서 제작된 세그먼트를 조립해 라이닝을 구축한다. 세그먼트라이닝은 NATM 터널과 달리 세그먼트간 연결부위가 존재하므로 세그먼크 간의 연결 상태를 어떻게 반영하는지가 해석결과의 신뢰성 확보에 큰 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 논문에서는 도심지 토사지반에 건설된 TBM 터널의 내진해석을 위해 라이닝은 세그먼트 조인트 모델(Janssen Model)을 적용하고, 지반은 도시철도 내진설계기준에 따라 비선형모델을 일부 활용해 수치해석을 수행 후 터널의 거동특성을 분석하였다.