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.
For the purpose of research study, a vertical shaft of 98m in length and 3.05m in diameter was constructed in the layer of conglomerate by using the Raise Boring Machine (RBM). In order to estimate the net penetration rate of the RBM, which can be used in the stage of design, the in-situ test results were analysed and correlated to data from the boring log in situ and laboratory testing. Its average net penetration rate is 2.233mm/rev while its average advance rate is 0.382m/hr, which is lower than that of TBM(Tunnel Boving Machine). It turns out that the net penetration rate increases with the increase of strength characteristics in rock mass (e.g., uniaxial compression strength, tensile strength, etc.). Similarly, the net penetration rate increases linearly with the hardness of rock mass. These results are contrary to the results of the previous construction sites where the TBM was generally used in the layer of hard rock. However, the trend obtained in this study is in accordance with the findings of Barton suggesting the relationship between Q$_TBM$ and penetration rate in the layer of soft rock. Thus, the trend is valid in soft and/or weathered rocks.
Lee, Je-Kyum;Choi, Won-Hyuk;Kim, Yangkyun;Lee, Sean Seungwon
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.23
no.6
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pp.469-484
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2021
Rock mass classification results have a great influence on construction schedule and budget as well as tunnel stability in tunnel design. A total of 3,526 tunnels have been constructed in Korea and the associated techniques in tunnel design and construction have been continuously developed, however, not many studies have been performed on how to assess rock mass quality and grade more accurately. Thus, numerous cases show big differences in the results according to inspectors' experience and judgement. Hence, this study aims to suggest a more reliable rock mass classification (RMR) model using machine learning algorithms, which is surging in availability, through the analyses based on various rock and rock mass information collected from boring investigations. For this, 11 learning parameters (depth, rock type, RQD, electrical resistivity, UCS, Vp, Vs, Young's modulus, unit weight, Poisson's ratio, RMR) from 13 local tunnel cases were selected, 337 learning data sets as well as 60 test data sets were prepared, and 6 machine learning algorithms (DT, SVM, ANN, PCA & ANN, RF, XGBoost) were tested for various hyperparameters for each algorithm. The results show that the mean absolute errors in RMR value from five algorithms except Decision Tree were less than 8 and a Support Vector Machine model is the best model. The applicability of the model, established through this study, was confirmed and this prediction model can be applied for more reliable rock mass classification when additional various data is continuously cumulated.
The use of TBM has been rapidly increased in recent years since TBM has been introduced to Korea in 1985 and Korea came to occupy 27% of TBM holding ratio in the world. Despite a lot of experience, study on promoting the efficiency of TBM excavation is insufficient. The factors that influence the efficiency of excavation are the mechanical farttor geotechnical factor and management factor. The study on the efficiency of excavation has focused on the improvement of mechanical factor. But geotechnical factor is also very important and by this factor engineer can estimate the applicability of TBM. The purpose of this paper is to understand the effectiveness of TBM excavation for vari orts rock quality by analysing relations between rock quality and TBM excavation.
The Discrete Element Method (DEM) has been widely used in civil engineering as well as various industrial fields to simulate granular materials. In this study, DEM was adopted to predict the performance of the face plate-type earth pressure balance (EPB) shield TBM (Tunnel Boring Machine). An analysis of the TBM excavation performance was conducted according to two pre-defined excavation conditions with the different rotation speeds per minute (RPM) of the cutterhead. The TBM model which was used in this study has a 6.64 m of diameter and six spokes. Also, 37 precutters and 98 scrapers at an each spoke were modeled with a real-scale specification. From the analysis, compressive forces at the cutterhead face, shield and cutting tools, resistant torques at the cutterhead face, muck discharge rate and accumulated muck discharge by the screw auger were measured and compared.
Park, Chal-Sook;Lee, Kyu-Tak;Yum, Kyung-Taek;Kim, Yoon-Ku;Kang, Bong-Gwon;Lee, Jae-Weon;Lim, Seok-San;Jeong, Ji-Yearl
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2008.10a
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pp.869-887
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2008
Coffer dam for tunnel type spillway in inflow section of Dae-am dam was originally planned as 2 lines sheet piles with Water Zet method. But, the result of pilot test was caused of some problems that vibration during installation of pile could pollute water and water leakage could the lower part. So, sheet piles was not satisfactory for faculty of coffer dam. Structural instability of sheet pile system need to reinforcement. Characteristic of Dae-am dam was small reservoir capacity but wide drainage area, of which it was judgment that security of leakage and stability was difficult during excavation of inlet part. So, we consider that water curtain method utilized with in site pouring concrete pile method was designed at weir part of spillway. We were known about basement rock that geological boring was carried out in weir part. After taking a deep consideration, PRD method was accepted as a new method. Concrete pile by PRD was installed to below country rock. CJM method was carried out with PRD. After making concrete wall using Top-down method, earth anchors were installed for supporting it. According to the result of numerical analysis, as water level rises, wall is stable.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.22
no.3
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pp.219-237
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2020
Rapid economic development and urban population growth have been increasing the necessity for underground space exploration and utilization due to the need of upgrading and expanding the existing infrastructures. TBM has been widely used to construct underground structures with high advance rate and minimal ground disturbance. Two important design parameters, which are available thrust capacity and cutterhead torque, should be estimated for any project in addition to proper selection of TBM type. However, the conventional thrust force and torque estimation model only depends on the empirical equation, which hinders the design process of the optimal thrust hydraulic system and the appropriate hydraulic components. In this study, four thrust and torque calculation models are derived and explained. For TBM design practice, the four estimation models are compared and discussed.
Xiaokang Shao;Yusheng Jiang;Zongyuan Zhu;Zhiyong Yang;Zhenyong Wang;Jinguo Cheng;Quanwei Liu
Geomechanics and Engineering
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v.34
no.1
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pp.103-113
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2023
This study focused on understanding the relationship between the design of a tunnel boring machine disc cutter ring and its rock-breaking efficiency, as well as the applicable conditions of different cutter ring types. The discrete element method was used to establish a numerical model of the rock-breaking process using disc cutters with different ring types to reveal the development of rock damage cracks and variation in cutter penetration load. The calculation results indicate that a sharp-edged (V-shaped) disc cutter penetrates a rock mass to a given depth with the lowest load, resulting in more intermediate cracks and few lateral cracks, which leads to difficulty in crack combination. Furthermore, the poor wear resistance of a conventional V-shaped cutter can lead to an exponential increase in the penetration load after cutter ring wear. In contrast, constant-cross-section (CCS) disc cutters have the highest quantity of crack extensions after penetrating rock, but also require the highest penetration loads. An arch-edged (U-shaped) disc cutter is more moderate than the aforementioned types with sufficient intermediate and lateral crack propagation after cutting into rock under a suitable penetration load. Additionally, we found that the cutter ring wedge angle and edge width heavily influence cutter rock-breaking efficiency and that a disc cutter with a 16 to 22 mm edge width and 20° to 30° wedge angle exhibits high performance. Compared to V-shaped and U-shaped cutters, the CCS cutter is more suitable for soft or medium-strength rocks, where the penetration load is relatively small. Additionally, two typical case studies were selected to verify that replacing a CCS cutter with a U-shaped or optimized V-shaped disc cutter can increase cutting efficiency when encountering hard rocks.
Geotechnical parameter estimation is critical to the design, performance, safety, and cost and schedule management in Tunnel Boring Machine projects. Since these parameters vary within a certain range, relying on mean values for evaluation introduces significant risks to the project. Due to the non-homogeneous characteristics of geological formation, data may not exhibit a normal distribution and the presence of outliers might be deceptive. Therefore, the use of reliable analyses and simulation models is inevitable in the course of the data evaluation process. Advanced modeling techniques enable comprehensive analysis of the project data and allowing to model the uncertainty in geotechnical parameters. This study involves using Monte Carlo Simulation method to predict probabilistic distributions of field data, and therefore, establish a basis for designs and in turn to minimize project risks. In the study, 166 sets of geotechnical data Obtained from 35 boreholes including Standard Penetration Test, Limit Pressure, Liquid Limit, and Plastic Limit values, which are mostly utilized parameters in estimating project requirements, were used to estimate the geotechnical data distribution of the study field. In this context, firstly, the data was subjected to multi-parameter linear regression and variance analysis. Then, the obtained equations were implemented into a Monte Carlo Simulation, and probabilistic distributions of the geotechnical data of the field were simulated and corresponding to the 90% probability range, along with the minimum and maximum values at the 5% probability levels presented. Accordingly, while the average SPT N30 value is 42.86, but the highest occurrence rate is 50.81. For Net Limit Pressure, the average field data is 17.07 kg/cm2, with the maximum occurrence between 9.6 kg/cm2 and 13.7 kg/cm2. Similarly, the average Plastic Limit value is 22.32, while the most probable value is 20.6. The average Liquid Limit value is 56.73, with the highest probability at 54.48, as indicated in the statistical data distribution. Understanding the percentage distribution of data likely to be encountered in the project allows for accurate forecasting of both high and low probability scenarios, offering a significant advantage, particularly in ordering TBM requirements.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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