The process of inspecting and replacing cutting tools in a shield tunnel boring machine (TBM) is called cutterhead intervention (CHI) (Farrokh and Kim 2018). Since CHI is performed by a worker who enters the chamber in TBM, the worker is directly exposed to high water pressure and huge water inflow, especially in areas with high ground water levels, causing health problems for the worker and shortening of available working hours (Kindwall 1990). Ham et al. (2022) proposed a method of reducing the water pressure and water inflow by injecting a grout solution into the ground through the shield TBM chamber, and named it the new face grouting method (NFGM). In this study, the TBM mechanical characteristics including the injection pressure of the grout solution and the cutterhead rotation speed were determined for the best performance of the NFGM. To find the appropriate injection pressure, the water inflow volume according to the injection pressure change was measured by using a water inflow test apparatus. A model torque test apparatus was manufactured to find the appropriate cutterhead rotation speed by investigating the change in the status of the grout solution according to the rotation speed change. In addition, to prove the validity of this study, comprehensive water inflow tests were carried out. The results of the tests showed that the injection pressure equal to overburden pressure + (0.10 ~ 0.15) MPa and the cutterhead rotation speed of 0.8 to 1.0 RPM are the most appropriate. In the actual construction site, it is recommended to select an appropriate value within the proposed range while considering the economic feasibility and workability.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.23
no.1
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pp.1-12
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2021
In the design of a tunnel boring machine (TBM), the excavation efficiency of the equipment depends on the design of the cutter head, which is directly in contact with the ground. Especially, the allocation of disc cutter is crucial issue. Disc cutters can be divided into center cutter zone, inner cutter zone and transition cutter zone depending on where they are placed. Many studies have been conducted to identify optimal cutting conditions for face cutters. However, research to determine the optimal cutting conditions for the transition cutter has been relatively incomplete. In this study, to identify the optimal cutting conditions for the transition cutter, numerical analysis using discrete element method was performed, and the specific energy curve according to the angle between the transition cutters was drawn to find out the optimum cutting conditions. The results show that the angle between the transition cutters showing minimum specific energy in the transition cutter zone is 9°. Transition cutter zone was divided into three sections according to the slope angle of the transition cutter. It is also found that, the greater the slope angle of the transition cutter. This finding shows good agreement with the present design of transition cutter zone.
This paper discusses the methods of estimating the punch penetration indices and data analysis punch penetration test to estimate the TBM normal force and penetration rate. In punch penetration test is known as a useful test to estimate penetration rates and normal force of TBMs directly with several slope indices indicated drill-ability and brittleness of rocks. However, the standard methods and indices for punch penetration test are not suggested yet. The main purpose of punch penetration test which is prediction of normal force of TBM disc cutter when cutters excavate rock mass. In this study, the punch penetration tests were performed for 6 representative Korean rock types and variety length and diameter of rock core specimens. Among slope indices were obtained from punch penetration test, PLI and MLI which is suggested in this study show high correlation with cutter force measured by full-scale cutting test. The results show that the predicted normal force of a single disc cutter and the experimental error was 10%. Based on these results, it is concluded that punch penetration test is reliable laboratory test for estimating thrust and penetration rates of TBM.
TBM (Tunnel Boring Machine) method is gaining popularity in urban and underwater tunneling projects due to its ability to ensure excavation face stability and minimize environmental impact. Among the prominent models for predicting disc cutter life, the NTNU model uses the Cutter Life Index(CLI) as a key parameter, but the complexity of testing procedures and rarity of equipment make measurement challenging. In this study, CLI was predicted using multiple linear regression analysis and tree-based machine learning techniques, utilizing rock properties. Through literature review, a database including rock uniaxial compressive strength, Brazilian tensile strength, equivalent quartz content, and Cerchar abrasivity index was built, and derived variables were added. The multiple linear regression analysis selected input variables based on statistical significance and multicollinearity, while the machine learning prediction model chose variables based on their importance. Dividing the data into 80% for training and 20% for testing, a comparative analysis of the predictive performance was conducted, and XGBoost was identified as the optimal model. The validity of the multiple linear regression and XGBoost models derived in this study was confirmed by comparing their predictive performance with prior research.
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.
The objective of this study is to estimate the distribution of a zone disturbed by excavation (EDZ) around tunnels that have been excavated at about 500 m depth in pre-Tertiary hard sedimentary rock. One of the most important tasks is to evaluate changes in the dynamic stability and permeability of the rock around the tunnels, by investigating the properties of the rock after the excavation. We performed resistivity and acoustic tomography using two boreholes, 5 m in length, drilled horizontally from the wall of a tunnel in pre-Tertiary hard conglomerate. By these methods, we detected a low-resistivity and low-velocity zone 1 m in thickness around the wall of the tunnel. The resulting profiles were verified by permeability and evaporation tests performed at the same boreholes. This anomalous zone matched a high-permeability zone caused by open fractures. Next, we performed resistivity monitoring along annular survey lines in a tunnel excavated in pre-Tertiary hard shale by a tunnel-boring machine (TBM). We detected anomalous zones in 2D resistivity profiles surrounding the tunnel. A low-resistivity zone 1 m in thickness was detected around the tunnel when one year had passed after the excavation. However, two years later, the resistivity around the tunnel had increased in a portion, about 30 cm in thickness, of this zone. To investigate this change, we studied the relationship between groundwater flow from the surroundings and evaporation from the wall around the tunnel. These features were verified by the relationship between the resistivity and porosity of rocks obtained by laboratory tests on core samples. Furthermore, the profiles matched well with highly permeable zones detected by permeability and evaporation tests at a horizontal borehole drilled near the survey line. We conclude that the anomalous zones in these profiles indicate the EDZ around the tunnel.
This paper describes prediction results of penetration rate using case history in order to compare empirical models for penetration rate prediction of TBM. The reasonable empirical model is evaluated by comparison with prediction results and measured result. The penetration rate prediction is applied in separate empirical models considering rock characteristics and mechanical characteristics of TBM. The rock of applied filed had almost gneiss and its unconfined compressive strength was irregular due to the exist of weak zones and joint. In prediction results using unconfined compressive strength, Graham's model (1976) had impractical result when it had lower strength. NTNU model (1998) of the separate empirical models used in average penetration rate had the highest accuracy by comparison with the others, because it is a reasonable model which has rock characteristics and mechanical characteristics of TBM. However, Tarkoy's model (1986) based on unconfined compressive strength correspond with the measured values in field. Therefore, it should be considered a rock type, geological characteristic and mechanical characteristic of TBM at prediction of penetration rate.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.19
no.6
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pp.1029-1044
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2017
The Discrete Element Method (DEM) is one of the useful numerical methods to analyze the behavior of the ground formation by computing the motion and interaction using particles. The DEM has not been applied in civil engineering but also a wide range of industrial fields, such as chemical engineering, pharmacy, material science, food engineering, etc. In this study, to review a performance of the spoke-type earth pressure balance (EPB) shield TBM (Tunnel Boring Machine), the commercial software based on the DEM technology was used. An analysis of the TBM during excavation was conducted according to two pre-defined excavation conditions with the different rotation speed of a cutterhead. During the analysis, the resistant torque at the face of the cutterhead, the compressive force at the cutterhead and shield surface, the muck discharge at the screw auger were measured and compared. Upon the two kinds of excavation conditions, the applicability of the DEM analysis was reviewed as a modelling method for the TBM.
Magazine of korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.21
no.1
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pp.101-112
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2019
This case study presented a simplified failure mechanism approach used as a preliminary deformation prediction for the Mexico City's metro system expansion. Because of the Mexico City's difficult subsoils, Line 12 project was considered one of the most challenging projects in Mexico. Mexico City's subsurface conditions can be described as a multilayered stratigraphy changing from soft high plastic clays to dense to very dense cemented sands. The Line 12 trajectory crossed all three main geotechnical Zones in Mexico City. Starting from to west of the City, Line 12 was projected to pass through very dense cemented sands corresponding to the Foothills zone changing to the Transition zone and finalizing in the Lake zone. Due to the change in the subsurface conditions, different constructions methods were implemented including the use of TBM (Tunnel Boring Machine), the NATM (New Austrian Tunneling Method), and cut-and-cover using braced Diaphragm walls for the underground section of the project. Preliminary crown and excavation front deformations were determined using a simplified failure mechanism prior to performing finite element modeling and analysis. Results showed corresponding deformations for the crown and the excavation front to be 3.5cm (1.4in) and 6cm (2.4in), respectively. Considering the complexity of Mexico City's difficult subsoil formation, construction method selection becomes a challenge to overcome. The use of a preliminary results in order to have a notion of possible deformations prior to advanced modeling and analysis could be beneficial and helpful to select possible construction procedures.
Kim, Tae-Hwan;Kwon, Young-Sam;Chung, Heeyoung;Lee, In-Mo
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.20
no.6
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pp.1049-1060
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2018
Soil conditioning is one of the key factors for successfull tunnel excavations utilizing the earth pressure-balanced (EPB) shield tunnel boring machine (TBM) by increasing the tunnel face stability and extraction efficiency of excavated soils. In this study, conditioning agents are mixed with the weathered granite soils which are abundant in the Korean peninsula and the workability of the resulting mixture is evaluated through the slump tests to derive and propose the most suitable conditioning agent as well as the most appropriate agent mix ratios. However, since it is cumbersome to perform the slump tests all the time either in the laboratory or in-situ, a simpler test may be needed instead of the slump test; the fall cone test was proposed as a substitute. In this paper, the correlation between the slump value obtained from the slump test and the cone penetration depth obtained from the proposed fall cone test was obtained. Test results showed that a very good correlation between two was observed; it means that the simpler fall cone test can be used to assess the suitability of the conditioned soils instead of the more cumbersome slump test.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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