• Geomechanics and Engineering
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• 제37권4호
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• pp.307-321
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• 2024

This paper delves into the critical assessment of predicting sidewall displacement in underground caverns through the application of nine distinct machine learning techniques. The accurate prediction of sidewall displacement is essential for ensuring the structural safety and stability of underground caverns, which are prone to various geological challenges. The dataset utilized in this study comprises a total of 310 data points, each containing 13 relevant parameters extracted from 10 underground cavern projects located in Iran and other regions. To facilitate a comprehensive evaluation, the dataset is evenly divided into training and testing subset. The study employs a diverse array of machine learning models, including recurrent neural network, back-propagation neural network, K-nearest neighbors, normalized and ordinary radial basis function, support vector machine, weight estimation, feed-forward stepwise regression, and fuzzy inference system. These models are leveraged to develop predictive models that can accurately forecast sidewall displacement in underground caverns. The training phase involves utilizing 80% of the dataset (248 data points) to train the models, while the remaining 20% (62 data points) are used for testing and validation purposes. The findings of the study highlight the back-propagation neural network (BPNN) model as the most effective in providing accurate predictions. The BPNN model demonstrates a remarkably high correlation coefficient (R2 = 0.99) and a low error rate (RMSE = 4.27E-05), indicating its superior performance in predicting sidewall displacement in underground caverns. This research contributes valuable insights into the application of machine learning techniques for enhancing the safety and stability of underground structures.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제19권6호
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• pp.871-885
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• 2017

최근 도심지 등에서 활용도가 높아지고 있는 얕은터널은 구조물에 인접하여 얕은 심도에 건설하므로 그 거동에 따른 주변지반 변위에 대한 연구는 아직 충분하지 않다. 특히, 얕은터널의 측벽에서 변위가 일어나면 주변지반의 이완형태 및 주변지반으로 전이되는 하중의 분포와 크기가 영향을 받을 수 있다. 그러나 지금까지 터널의 측벽변위에 관련된 연구는 많지 않고 그나마 터널과 주변지반을 평면변형률조건(plane strain state)으로 단순화하고 터널 전체의 안정이나 파괴메커니즘 규명에 대한 연구에 국한되어 있고, 터널 측벽일부의 변위에 따른 영향을 연구한 사례는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 터널측벽의 변위가 터널 주변 횡방향 하중전이에 미치는 영향을 규명하였다. 이를 위하여 탄소봉으로 지반을 조성하고 알미늄으로 터널의 형상을 모형화하여 터널의 한쪽측벽에 수평으로 변위를 주어 토피(0.5D, 0.75D, 1.0D, 1.25D)를 변화시키면서 모형시험을 수행하였고, 일부 측벽의 파괴에 따른 주변지반의 하중전이 거동을 분석하였다. 연구 결과, 얕은터널에서 토피가 일정깊이(0.75D) 이상이면 토피고에 무관하게 일정한 형태로 터널 측벽파괴가 발생하였고 반대측벽에 영향을 미치지 않았다. 그러나, 토피고가 일정깊이 이하일 경우에는 한쪽 측벽의 파괴가 반대쪽 측벽에까지 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 터널 굴착시 측벽변위가 예상변위량의 50% 발생하면, 터널 파괴는 75% 이상 진행되는 것을 발견하였다. 그러나, 지반조건에 따라 차이를 보일 수 있으므로 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제15권4호
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• pp.99-112
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• 1999

막장 전방에 파쇄대 등의 불연속면이 존재할 경우, 이를 미리 예측하지 못한채로 굴진을 하게 되면 파쇄대로 인해 터널 굴진에 따라 발생된 종방향 아칭에 영향을 주어 막장면 전방에 응력이 집중하게 된다. 터널 및 지하공간의 설계시에는 불확실한 설계요소를 과다하게 내포하고 있으므로 경제적이고 안정성이 확보된 터널 시공을 위해서는 터널 막장면에서의 정확한 계측으로 막장 전방의 파쇄대를 예측하여 터널 지보체계에 신속히 대비함이 필요하다. 최근의 연구결과에 의하면 3차원 절대변위계측에 의해 터널의 시공 시 굴진에 따라 지반의 강도차이로 인해 발생된 종방향 변위의 변화를 측정하여 막장 전방의 불연속면을 미리 예측할 수 있다고 하였다. 본 연구는 혼합법을 사용한 3차원 수치해석으로부터 얻어지는 변위로부터 L/C (천단부의 종방향 변위[L]와 천단부의 침하량[C]의 비 )와 S/C (측벽의 수평방향 변위[S]와 천단부의 침하량[C]의 비), (Ll-Lr)/C (좌측벽의 종방향변위[Ll]와 우측벽의 종방향변위[Lr]의 차와 천단부의 침하량[C]의 비), 평사투영법을 중심으로 지반에 파쇄대가 존재할 경우에 대해 여러 가지 초기 지중응력조건에서 터널 굴착에 따른 3차원 절대 변위를 분석하여 그 존재를 예측할 수 있는 기법을 제시하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제4권3호
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• pp.185-193
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• 2002

본 연구에서는 풍화토층에 굴착된 지하철 터널의 변형거동과 종방향 지보재의 보강효과가 3차원 유한차분해석에 의해 조사되었다. 굴착방법이 터널 변형거동에 미치는 영향을 조사하기 위해서 반단면 및 전단면의 2가지 굴착방법이 고려되었다. 또한, 우산형 막장보강법 (RPUM) 및 유리섬유 파이프의 보강효과가 비교되었다. 터널 변형거동을 분석하기 위해 막장변위, 내공변위, 선행변위 및 측벽변위가 조사되었고, 굴착방법 및 종방향 지보재의 효과가 지표침하량를 사용하여 분석되었다. 해석 결과, 반단면 굴착이 전단면 굴착 보다 더 큰 내공변위, 선행변위, 측벽변위를 야기시키며, 반면 막장변위는 전단면 굴착이 반단면 굴착에 비해 더 크게 발생됨을 알았다. 또한, 같은 굴착방법에서는 RPUM만이 사용되었을 때가 RPUM이 유리섬유 파이프와 같이 사용되었을 때 보다 모든 변위가 더 켜졌다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제8권2호
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• pp.101-113
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• 2006

안정된 암반에 터널을 굴착하는 경우 아칭효과에 의해 막장주변에 응력재배치가 발생하고 터널 막장 전방에 연약대가 존재하는 경우 응력재배치가 충분히 이루어지지 않아 막장과 연약대 사이의 응력집중으로 인해 변위가 발생하게 된다. 만일 막장에 근접하여 측점에서 종방향, 횡방향, 연직방향의 3차원 절대좌표가 측정되는 경우 막장전방의 지반거동이 반영된 3차원 절대변위가 산정되고, 이러한 3차원 절대변위의 분석을 통해 막장전방의 지반조건을 예측할 수 있게 된다. 본 연구에서는 4개 현장에서 측정된 3차원 변위비의 경향선과 천단침하의 영향선/경향선 분석을 실시하여 연약대 위치를 추정하였고, 3차원 절대변위의 분석에 의해 추정된 연약대 위치를 동일한 구간에서의 TSP탐사로 추정된 연약대 위치와 비교함으로써 3차원 절대변위 해석기법의 현장 적용성을 검증하였다.

• 터널과지하공간
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• 제11권1호
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• pp.30-35
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• 2001

본 연구에서는 전단면굴착에 가까운 작업 사이클(cycle)로 굴진을 하면서 분할효과를 거두기 위해 적절한 벤치길이를 결정하는 것이 중요한 요소로 판단하여 전단면, 미니벤치, 숏벤치로 풍화암 구간에 굴착한 터널을 모델링하여 이에 대해 3차원 탄소성해석을 수행하였다. 그리고 터널내 암반과 지보재의 거동에 영향을 미치는 주요 요소로 무지보 굴착구간의 길이, 측압계수, 숏크리트 두께 등의 설계변수를 변화시켜가며 암반의 변형거동을 분석하였다. 해석결과 내공변위는 숏벤치보다 미니벤치일때 벤치길이에 민감하게 반응하는 것으로 나타났으며 무지보길이가 길 때 하반굴착이 상반변위에 미치는 영향이 더 크게 나타나며 상반과하반측벽에서의 변위타이가증가하였다 K값의 증가에 따라 천정, 바닥보다 상하반 측벽부에서 변위와 선행변위비의 증가가 훨씬 크게 나타났다.

• 터널과지하공간
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• 제28권1호
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• pp.59-71
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• 2018

일반화된 Hoek-Brown(GHB) 파괴조건식은 GSI 지수를 통해 현장 암반의 절리상태를 체계적으로 고려하여 암반의 강도를 예측하는 파괴함수로서 암반공학적 설계에 널리 활용되고 있다. 이 연구에서는 절리성 암반에 굴착된 원형터널의 내공변위 특성을 분석하기 위하여 GHB 파괴조건식을 항복함수로 활용한 2차원 탄소성 유한요소해석을 수행하였다. 이 과정에서 소성포텐셜 함수의 가정이 탄소성 변위 해석결과에 미치는 영향도 고찰하였다. 탄소성 해석에서는 넓은 범위의 측압비(K) 변화와 암반의 양호성을 나타내는 GSI 값의 변화가 동시에 고려되었다. 각 측압비에 대해 GSI 값의 변화에 따른 측벽변위/천정변위 비를 계산하여 내공변위 발생특성을 분석하였다. 해석결과 측벽변위/천정변위 비는 측압비의 크기뿐만 아니라 GSI 값의 범위에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 특히 GSI 값이 매우 작은 불량한 암반의 경우 탄소성해석으로 계산한 측벽변위/천정변위 비는 탄성이론으로 계산한 결과와 반대의 경향을 보였다. 또한 소성포텐셜 함수의 형태에 따른 측벽변위/천정변위 비 변화는 대체로 유사한 경향성을 보이는 것으로 나타났다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제21권1호
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• pp.93-113
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• 2019

최근 개착식 터널공법으로 널리 사용되고 있는 프리캐스트 라이닝 아치 구조물에 대하여 현장 계측과 수치해석 결과를 비교하여 3힌지 프리캐스트 아치 구조물의 거동을 분석하였다. 현장 계측결과, 천단부에서 가장 큰 연직변위가 측정되었으며 초기에는 상방향으로 변위가 발생하다가 뒤채움 흙이 천단부보다 높아지면서 하방향으로 변위가 발생하였다. 천단부는 최종적으로 원 위치로부터 상방향 19 mm에서 변위가 수렴하였다. 측벽부 최대 수평변위 지점에서의 수평변위는 아치상단까지 뒤채움시 터널 내측으로 발생하여 두 지점간의 수평거리가 줄어들다가, 상부 성토가 진행될수록 수평변위는 감소하여 원래 위치로 이동하였다. 프리캐스트 아치구조물에 대한 변위 분석결과, 지반-구조물의 상호작용을 잘 관찰할 수 있었으며 따라서 기존의 강성구조물과 비교하여 경제적인 설계가 가능할 것으로 기대된다. Duncan 모델을 사용한 유한요소 해석결과를 현장 변위 계측값과 변위 형상 등과 비교하면 유사한 결과를 나타내었다. 수치해석 결과에 의한 측벽부의 수평토압계수는 터널 좌측부는 0.4, 우측부는 0.7에서 수렴하여, 편토압이 발생하는 현장상황 및 현장 변위 계측 결과와도 일치하였다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제12권4호
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• pp.595-609
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• 2017

Due to high in-situ stress and brittleness of rock mass, the surrounding rock masses of underground caverns are prone to appear splitting failure. In this paper, a kind of loading-unloading variable elastic modulus model has been initially proposed and developed based on energy dissipation principle, and the stress state of elements has been determined by a splitting failure criterion. Then the underground caverns of Dagangshan hydropower station is analyzed using the above model. For comparing with the monitoring results, the entire process of rock splitting failure has been achieved through monitoring the splitting failure on side walls of large-scale caverns in Dagangshan via borehole TV, micro-meter and deformation resistivity instrument. It shows that the maximum depth of splitting area in the downstream sidewall of the main power house is approximately 14 m, which is close to the numerical results, about 12.5 m based on the energy dissipation model. As monitoring result, the calculation indicates that the key point displacement of caverns decreases firstly with the distance from main powerhouse downstream side wall rising, and then increases, because this area gets close to the side wall of main transformer house and another smaller splitting zone formed here. Therefore it is concluded that the energy dissipation model can preferably present deformation and fracture zones in engineering, and be very useful for similar projects.

• Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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• 제23권5호
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• pp.702-710
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• 1999

U-shaped bellows are usually used to piping system pressure sensor and controller for refriger-ator. Bellows subjected to internal pressure are designed for the purpose of absorbing deformation. Internal pressure on the convolution sidewall and end collar will be applied to an axial load tend-ing to push the collar away from the convolutions. To find out deformation behavior of bellow sub-jected to internal pressure the axisymmetric shell theory using the finite element method is adopted in this paper. U-shaped bellows can be idealized by series of conical frustum-shaped ele-ments because it is axisymmetric shell structure. The displacements of nodal points due to small increment of force are calculated by the finite element method and the calculated nodal displace-ments are added to r-z cylindrical coordinates of nodal points. The new stiffness matrix of the sys-tem using the new coordinates of nodal points is adopted to calculate the another increments of nodal displacement that is the step by step method is used in this paper. The force required to deflect bellows axially is a function of the dimensions of the bellows and the materials from which they are made. Spring constant is analyzed according to the changing geometric factors of U-shaped bellows. The FEM results were agreed with experiment. Using developed FORTRAN PROGRAM the internal pressure vs. deflection characteristics of a particu-lar bellows can be predicted by input of a few factors.