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.
The construction of the road NATM tunnel, which undergoes the weathered zone of the mountain, was in process with the reinforcement methods such as the rock bolt, shotcrete depositing, and the multi step grout with large diameter steel pipe. The collapse from the ceiling, and on the ground surface area(sink hole), of which were measured to be 25m from the ground surface($V=12m(W){\times}14m(L){\times}5m(H)=840m^3$), as well as excessive displacements in the tunnel, had occurred. In order to execute the necessary reconstruction work, the causes of the surface collapses were inspected through the field investigation, in-situ tests, and numerical analysis. As a result, several proper solutions were suggested for both internal and external reinforcements for the tunnel. As a result of numerical analysis, the collapsed zone of the tunnel was reinforced up to 0.5D~1.0D laterally by the cement grouting on the ground surface, 0.5D longitudinally by the multi step grout with large diameter steel pipe in tunnel. With further reinforcement implemented by rebars in lining, the forward horizontal boring was executed to the rest of the tunnel to evaluate the overall status of the tunnel face. Appropriate reinforcement methods were provided if needed.
International conference on construction engineering and project management
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2009.05a
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pp.869-875
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2009
Safety is a big issue in the construction sites. For safe and secure management, tracking locations of construction resources such as labors, materials, machineries, vehicles and so on is important. The materials, machineries and vehicles could be controlled by computer, whereas the movement of labors does not have fixed pattern. So, the location and movement of labors need to be monitored continuously for safety. In general, Global Positioning System(GPS) is an opt solution to obtain the location information in outside environments. But it cannot be used for indoor locations as it requires a clear Line-Of-Sight(LOS) to satellites Therefore, indoor location monitoring system could be a convenient alternative for environments such as tunnel and indoor building construction sites. This paper presents a case study to investigate feasibility of Wi-Fi based indoor location monitoring system in construction site. The system is developed by using fingerprint map of gathering Received Signal Strength Indication(RSSI) from each Access Point(AP). The signal information is gathered by Radio Frequency Identification (RFID) tags, which are attached on a helmet of labors to track their locations, and is sent to server computer. Experiments were conducted in a shield tunnel construction site at Guangzhou, China. This study consists of three phases as follows: First, we have a tracking test in entrance area of tunnel construction site. This experiment was performed to find the effective geometry of APs installation. The geometry of APs installation was changed for finding effective locations, and the experiment was performed using one and more tags. Second, APs were separated into two groups, and they were connected with LAN cable in tunnel construction site. The purpose of this experiment was to check the validity of group separating strategy. One group was installed around the entrance and the other one was installed inside the tunnel. Finally, we installed the system inner area of tunnel, boring machine area, and checked the performance with varying conditions (the presence of obstacles such as train, worker, and so on). Accuracy of this study was calculated from the data, which was collected at some known points. Experimental results showed that WiFi-based indoor location system has a level of accuracy of a few meters in tunnel construction site. From the results, it is inferred that the location tracking system can track the approximate location of labors in the construction site. It is able to alert the labors when they are closer to dangerous zones like poisonous region or cave-in..
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.16
no.2
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pp.213-224
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2014
Recently, tunnelling with TBM is getting popular for the construction of cable tunnel in urban area. Mechanized tunnelling method using shield TBM has various advantages such as minimization of ground settlement and prevention of vibration induced by blasting that should be accompanied by conventional tunnelling. In Korea, earth pressure balance (EPB) type shield TBM has been mainly used. Despite the popularity of EPB shield TBM for cable tunnel construction, study on the mechanical behavior of cable tunnel driven by shield TBM is insufficient. Especially, the effect of backfill grout injection on the behavior of cable tunnel driven by shield TBM is investigated in this study. Tunnelling with shield TBM is simulated using 3D FEM. The distance of backfill grout injection from the end of shield skin varies. Sectional forces such as axial force, shear force and bending moment are monitored. Vertical displacement at the ground surface is measured. Futhermore, the relation between volume loss and the distance of backfill grout injection from the end of skin plate is derived. Based on the stability analysis with the results obtained from the numerical analysis, the most appropriate injection distance can be obtained.
Byungkwan Park;Chaeman Joo;Dohak Huh;Hyunsup Song;Gwangsu Joo;Dohoon Kim;Minsang Lee
Tunnel and Underground Space
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v.34
no.3
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pp.185-195
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2024
The Incheon Metro Line 1 Geomdan Extension Phase 1 is the first project in South Korea where both a roadheader and TBM (Tunnel Boring Machine) are being used together. The shield TBM tunnel section is 1,057 m long, and is mostly composed of rock, including the section beneath the Airport Railroad and the Gyeongin Ara Waterway. A 7.8 m earth pressure balance shield TBM was used for tunnel excavation. The average monthly advance rate for both the North and South tracks is 239.1 m, with a maximum monthly advance rate of 334.5 m. This technical article comprehensively evaluates the productivity of the shield TBM, focusing on the TBM excavation performance. Above all, it aims to provide useful reference material for the successful execution of shield TBM tunnel construction.
도로 및 철도는 차량의 고속화와 신속한 물류의 유통을 위해 직선 및 수평화가 절실하게 요구되며, 국내 건설구간의 약 50~70%가 산악지형으로서 터널공사가 필수적으로 요구된다. 국내터널굴착은 주로 발파에 의한 NATM(New Austrian Tunneling Method)으로 공사가 이루어지고 있으나, 굴착효율이 낮으며 안전사고의 위험성이 높다. 해외에서는 급속한 시공을 위하여 TBM(Tunnel Boring Machine)의 적용 사례가 증가하고 있다. 그러나 국내에는 TBM에 대한 연구가 전무한 상태이고, TBM 터널의 설계 시공 기술과 경험이 미흡하다. 최근 대도시의 지하터널과 장대터널의 수요가 증대되어 TBM터널시공 기술과 TBM장비의 국산화가 절실하게 요구되고 있다. 본고에서는 국내외 주요 TBM 시공현황과 전망을 정리하여 TBM 터널 기술의 확보가 매우 시급함을 상기시키고자 하였다.
Magazine of korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.1
no.2
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pp.161-170
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1999
본고에서는 $1986.8\~1988.7$월중에 시공된 부산지하철 1호선 3단계 건설구간 중 서대신동 로타리에서 괴정국민학교 앞까지 연${\cdot}$경암지역에서의 TBM(Tunnel Boring Machine)으로 시행된 단선터널(7.0m)과 NATM으로 시행한 복선터널의 근접시공에 따른 간벽부 보강설계 내용과 근접부 시공시 계측결과 분석, 지보 Pattern조정 및 시공 실적 등을 제시하였다. 원설계 내용 분석 결과 지보 Pattern이 현장 지반조건에 비해 과다하였고 TBM 굴진시 Thrust 2500kN(본 기계 기준) 이상인 연암이상의 지반에서는 TBM 굴착으로의 효율성이 있었고, 경암구간에서 병행터널의 간섭영향을 배제하려면 터널간의 중심거리가 터널직경의 2배 이상이 되어야 하며, TBM 단선터널(7.0m)의 일 평균 굴진 길이는 4.6m로 분석되었다. 앞으로 이와 유사한 암층에서의 터널근접 시공 및 TBM 굴착시 본 분석내용이 참고가 되기를 기대하여 본고를 작성하였다.
This paper presents a geomechanical framework for designing and optimizing layout patterns of cutterheads for rock Tunnel Boring Machines (TBMs), aiming to enhance their engineering performance. By examining the forces and moments exerted by rock, the study addresses geometric constraints associated with cutter boxes in key regions of the cutterhead, including the center, face, and gage areas, as well as the three-dimensional effects of cutterhead curvature on the geometric constraints of the back of the cutter boxes in the gage area. Novel formulas are proposed for determining the center points of cutter boxes and calculating both the minimum angular spacing and distance spacing between consecutive cutter boxes along a spiral path. The paper outlines an optimized layout design process for four cutterhead configurations: random, random paired, radial, and double spiral designs. Examples are provided to illustrate the results of applying these designs. The findings underscore the efficacy of the proposed methods in achieving a uniform and symmetrical distribution of cutters and buckets on the cutterhead surface. This approach effectively eliminates boundary overlap and minimizes unbalanced forces and moments. From a geomechanical standpoint, this framework offers a robust strategy for enhancing the performance and reliability of TBM cutterheads in rock tunneling operations.
Young Jin Shin;Jae Won Lee;Juhyi Yim;Han Byul Kang;Jae Hoon Jung;Jun Kyung Park
Geomechanics and Engineering
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v.38
no.5
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pp.467-476
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2024
This study investigates Tunnel Boring Machine (TBM) performance prediction by employing discrete event simulation technique, which is a potential remedy highlighting its stochastic adaptability to the complex nature of TBM tunnelling activities. The new discrete event simulation model using AnyLogic software was developed and validated by comparing its results with actual performance data for Daegok-Sosa railway project that Earth Pressure Balance (EPB) TBM machine was used in Korea. The results showed the successful implementation of predicting TBM performance. However, it necessitates high-quality database establishment including geological formations, machine specifications, and operation settings. Additionally, this paper introduces a novel methodology for daily performance updates during construction, using automated data processing techniques. This approach enables daily updates and predictions for the ongoing projects, offering valuable insights for construction management. Overall, this study underlines the potential of discrete event simulation in predicting TBM performance, its applicability to other tunneling projects, and the importance of continual database expansion for future model enhancements.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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