• Research Paper

    A study on the thrust force and torque calculation models in the design of shield TBM

    쉴드 TBM 설계 시 추력과 토크 산정식들에 대한 고찰

    Song-Hun Chong, Seung-Hun Lee, Hee-Hwan Ryu, Hun-Tae Kim

    정성훈, 이승훈, 류희환, 김훈태

    Rapid economic development and urban population growth have been increasing the necessity for underground space exploration and utilization due to the need ...

    급속한 경제 발전과 도시 인구 증가는 기존의 인프라의 개선과 확대를 위한 지하 공간 활용의 필요성을 증가 시킨다. 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine ...

    + READ MORE
    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 modelskeh s are compared and discussed.


    급속한 경제 발전과 도시 인구 증가는 기존의 인프라의 개선과 확대를 위한 지하 공간 활용의 필요성을 증가 시킨다. 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine)은 높은 굴진율과 최소한의 지반 교란이 필요한 지하 구조물 설계에 널리 이용되어 왔다. 허용 추력과 커터헤드 토크는 적절한 TBM 타입을 선택에 있어서, 중요한 설계 인자 이므로 TBM 공사 시에 적절히 산정되어야 한다. 하지만, 기존의 추력과 토크의 추정 모델은 오직 경험적인 인자와 TBM 직경에만 의존하고 있는 실정이다. 이는 최적의 추력 유압 시스템과 적절한 유압 부품의 선택을 어렵게 한다. 본 연구에서는 4개의 추력 및 토크 계산 모델을 설명하고 정리하였으며, 각각의 모델들을 비교 및 논의하였다.

    - COLLAPSE
    May 2020
  • Research Paper

    Study on Q-value prediction ahead of tunnel excavation face using recurrent neural network

    순환인공신경망을 활용한 터널굴착면 전방 Q값 예측에 관한 연구

    Chang-Ho Hong, Jin Kim, Hee-Hwan Ryu, Gye-Chun Cho

    홍창호, 김 진, 류희환, 조계춘

    Exact rock classification helps suitable support patterns to be installed. Face mapping is usually conducted to classify the rock mass using RMR ...

    터널 굴착 시 정확한 암반 분류는 적합한 지보패턴을 설치하는 데 도움을 준다. 암반의 분류를 위해 주로 RMR (Rock Mass Ration)과 Q값을 ...

    + READ MORE
    Exact rock classification helps suitable support patterns to be installed. Face mapping is usually conducted to classify the rock mass using RMR (Rock Mass Ration) or Q values. There have been several attempts to predict the grade of rock mass using mechanical data of jumbo drills or probe drills and photographs of excavation surfaces by using deep learning. However, they took long time, or had a limitation that it is impossible to grasp the rock grade in ahead of the tunnel surface. In this study, a method to predict the Q value ahead of excavation surface is developed using recurrent neural network (RNN) technique and it is compared with the Q values from face mapping for verification. Among Q values from over 4,600 tunnel faces, 70% of data was used for learning, and the rests were used for verification. Repeated learnings were performed in different number of learning and number of previous excavation surfaces utilized for learning. The coincidence between the predicted and actual Q values ​​was compared with the root mean square error (RMSE). RMSE value from 600 times repeated learning with 2 prior excavation faces gives a lowest values. The results from this study can vary with the input data sets, the results can help to understand how the past ground conditions affect the future ground conditions and to predict the Q value ahead of the tunnel excavation face.


    터널 굴착 시 정확한 암반 분류는 적합한 지보패턴을 설치하는 데 도움을 준다. 암반의 분류를 위해 주로 RMR (Rock Mass Ration)과 Q값을 산정하여 수행되며, 페이스 매핑(face mapping)을 바탕으로 산정된다. 점보드릴 및 프로브드릴의 기계 데이터을 활용하거나 딥러닝을 활용한 굴착면 사진 분석 등의 방법이 암반등급 분류를 예측하기 위해 사용되고 있으나, 분석 시 오랜 시간이 소요되거나, 굴착면 전방의 암반등급을 파악할 수 없다는 점에서 한계를 갖는다. 본 연구에서는 순환인공신경망(Recurrent neural network, RNN)을 활용하여 굴착면 전방의 Q값을 예측하는 방법을 개발하였고 페이스 매핑으로부터 획득한 Q값과 비교/검증하였다. 4,600여개의 굴착면 데이터 중 70%를 학습에 활용하였고, 나머지 30%는 검증에 사용하였다. 학습의 횟수와 학습에 활용한 이전굴착면의 개수를 변경하여 학습을 수행하였다. 예측된 Q값과 실제 Q값의 유사도는 RMSE (root mean square error)를 기준으로 비교하였다. 현재 굴착면과 바로 직전의 굴착면의 Q값을 활용하여 600회 학습하여 예측한 Q값의 RMSE값이 가장 작은 것을 확인하였다. 본 연구의 결과는 학습에 사용한 데이터 값 등이 변화하는 경우 변화할 수 있으나 터널에서의 이전 지반상태가 앞으로의 지반상태에 영향을 미치는 시스템을 이해하고, 이를 통해 터널 굴착면 전방의 Q값의 예측이 가능할 것으로 판단된다.

    - COLLAPSE
    May 2020
  • Research Paper

    Reliability analysis for design of shield tunnel segment lining under earthquake load

    쉴드 터널 세그먼트 라이닝의 내진설계를 위한 신뢰성해석

    Young-Bin Park, Do Kim, Yosep Byun, Gyu-Phil Lee

    박영빈, 김 도, 변요셉, 이규필

    Design criteria for limit state design of underground structures have already been published overseas, and research has been conducted to revise the ...

    지중 구조물의 한계상태설계를 위한 설계 기준이 해외에서는 이미 발표된 바 있고 국내에서도 설계법 개정을 위한 연구가 수행되고 있다. 지진 시 파괴확률을 추정하기 ...

    + READ MORE
    Design criteria for limit state design of underground structures have already been published overseas, and research has been conducted to revise the design method in Korea. In order to estimate the probability of failure under seismic load, the probability variable should be considered in the reliability analysis. In this study, the failure probability of the existing shield tunnel segment lining design was calculated by applying the coefficient of variation (COV) for the earth pressure and the seismic load effect in consideration of the statistical characteristics of the domestic ground properties. Based on the results of calculating the reliability index (β) from the calculated probability of failure and analyzing the reliability index according to the change in the load factor and the results of domestic and foreign research, the target reliability index (βT) during earthquakes of shield tunnel segment lining is analyzed to be “2.3”, it was proposed as the target reliability index for the design of the limit state under seismic load.


    지중 구조물의 한계상태설계를 위한 설계 기준이 해외에서는 이미 발표된 바 있고 국내에서도 설계법 개정을 위한 연구가 수행되고 있다. 지진 시 파괴확률을 추정하기 위해서는 신뢰성 분석에서 확률변수를 고려해야 한다. 본 연구에서는 국내 지반 확률 특성치를 고려한 토압에 대한 변동계수와 지진하중 효과에 대한 변동계수를 적용하여 기존 쉴드 터널 설계 단면에 대한 지진 시 파괴확률을 계산하였다. 산정된 파괴확률로부터 신뢰도지수(β)를 산정하고 하중 계수의 변화에 따른 신뢰도지수를 분석한 결과와 국내외 연구결과를 토대로 쉴드 터널 세그먼트 라이닝의 지진 시 목표 신뢰도 지수(βT)는 2.3이 합리적인 것으로 분석되어, 지진 시 한계상태설계를 위한 목표 신뢰도 지수로 제안하였다.

    - COLLAPSE
    May 2020
  • Research Paper

    A study on the optimal reinforcement area for excavation of a small cross-section shield TBM tunnel in fault fracture zone through parameter analysis

    매개변수 분석을 통한 단층파쇄대의 소단면 쉴드 TBM 터널 굴착 시 최적 보강영역 연구

    Byung-Yun Kang, Hyung Keun Park, Jae-Hoon Cha, Young-Jin Kim

    강병윤, 박형근, 차재훈, 김영진

    When excavating a small cross-section tunnel in a fault fracture zone using the shield TBM method, there is a high possibility of ...

    쉴드 TBM 공법을 사용해 단층파쇄대에 소단면 공동구 터널을 굴착 시 과다한 내공변위 및 붕락 발생 가능성이 높다. 단층파쇄대로 인한 트러블 및 공기증가로 ...

    + READ MORE
    When excavating a small cross-section tunnel in a fault fracture zone using the shield TBM method, there is a high possibility of excessive convergence and collapse. Appropriate ground reinforcement is required to minimize construction cost loss and trouble due to a fault fracture zone. In this study, the optimal reinforcement area was suggested and the surrounding ground behavior was investigated through numerical analysis using MIDAS GTS NX (Ver. 280). For the parameters, the width of the fault fracture zone, the existence of fault gouge, and the groundwater level and depth of cover were applied. As a result, when there is not fault gouge, the convergence and ground settlement are satisfied the standard when applying ground reinforcement by up to 0.5D. And, due to the high permeability coefficient, it is judged that it is necessary to apply 0.5D reinforcement. There is a fault gouge, it was possible to secure stability when applying ground reinforcement between the entire fault fracture zone from the top of the tunnel to 0.5D. And, because the groundwater discharge occurred within the standard value due to the fault gouge, reinforcement was unnecessary.


    쉴드 TBM 공법을 사용해 단층파쇄대에 소단면 공동구 터널을 굴착 시 과다한 내공변위 및 붕락 발생 가능성이 높다. 단층파쇄대로 인한 트러블 및 공기증가로 인한 공사비 손실을 최소화하기 위해 적절한 지반보강이 요구된다. 본 연구에서는 단층파쇄대의 폭, 단층점토의 존재여부, 토피고 지하수위를 매개변수로 하여 MIDAS GTS NX (Ver. 280)을 이용한 수치해석을 통해 최적보강영역을 제시하고 주변지반 거동을 알아보았다. 그 결과 단층점토가 없는 경우 최대 0.5D 만큼 지반보강 적용 시 내공변위 및 지표침하 기준을 만족하였으며, 높은 투수계수로 인해 0.5D의 차수보강 적용이 필요하다고 판단된다. 단층점토가 존재할 때 내공변위 및 지표침하는 최소 0.5D에서 최대 터널 상부 단층파쇄대 전체에 지반보강 적용 시 안정성확보가 가능하였으며, 단층점토로 인해 지하수 유출량이 기준치 이내로 발생하여 차수보강이 불필요하였다.

    - COLLAPSE
    May 2020
  • Research Paper

    A study on the face pressure control and slurry leakage possibility using shield TBM model test

    축소 모형실험을 통한 토피조건별 이수압식 쉴드 TBM의 챔버압 및 이수분출 가능성 평가

    Sungyil Koh, Hyunkang Shin, You-Sung La, Hyuksang Jung

    고성일, 신현강, 나유성, 정혁상

    Shield TBM is a tunnelling method that has a wider range of applications in the poor ground condition compared to conventional tunnels ...

    쉴드 TBM은 기존 재래식 터널(Drill and Blast)에 비하여 터널을 굴착하는 지반 및 선형조건에서 적용범위가 넓은 공법으로 대단면, 대심도, 초연약지반에서의 터널링 ...

    + READ MORE
    Shield TBM is a tunnelling method that has a wider range of applications in the poor ground condition compared to conventional tunnels (Drill and Blast). Currently, a 13.3 m large-diameter slurry shield TBM is preparing for construction to pass under the Han River. Shield TBM is divided into slurry and EPB shield TBM, and management items during construction are different depending on each characteristic. In this paper, the equipment type, origin, application case and trouble case were analyzed for slurry shield TBM, which is mainly constructed in soft ground. In addition, 2D and 3D model tests were conducted on the condition of soil depth for the possibility of slurry leakage into front of the equipment, with appropriate chamber pressure. Based on this paper, it proposed to provide basic and reference data for proper excavation surface pressure and chamber pressure during construction of slurry shield TBM under soft ground conditions, and proposed measures to minimize stability and environmental decline due to slurry ejection.


    쉴드 TBM은 기존 재래식 터널(Drill and Blast)에 비하여 터널을 굴착하는 지반 및 선형조건에서 적용범위가 넓은 공법으로 대단면, 대심도, 초연약지반에서의 터널링 공법으로 중요성이 부각되고 있으며, 현재 13.3 m의 대구경 slurry 쉴드 TBM이 한강 하부 통과를 위한 시공을 준비하고 있다. 쉴드 TBM은 이수압식과 토압식 쉴드 TBM으로 구분되고, 각각의 특성에 따라 시공 중 관리 항목이 달라진다. 본 논문에서는 연약지반에 주로 시공되는 이수압식 쉴드 TBM을 대상으로 장비형식, 발생기원, 적용 사례 및 트러블 사례를 분석하였다. 또한, 적정 챔버압, 장비 전방으로의 이수 분출(또는 누수)가능성을 토피고 조건에 따라 2D 및 3D 모형실험 실시하였다. 이를 토대로 연약지반 조건에서 이수압식 쉴드 TBM 시공 시 적정 굴진면 토압과 챔버압 예측을 위한 기초 및 참고자료 제공 그리고 토피고 조건에 따른 이수분출 위험 높이를 제안하여 이수분출로 인한 안정성 및 환경요인 저하 원인을 최소화하기 위한 방안을 제안하였다.

    - COLLAPSE
    May 2020
  • Research Paper

    A study on the evaluation of fire safety according to the ventilation mode in a train fire at the subway platform

    지하철 승강장에서 열차 화재시 제연모드에 따른 화재 안전성 평가 연구

    Ji-Oh Ryu, Hu-Young Lee

    류지오, 이후영

    The purpose of this study is to present the most effective smoke exhaust mode by comparing the quantitatively evaluated risks according to ...

    본 연구에서는 지하철 승강장에서 화재가 발생하는 경우, 제연모드에 따른 위험도를 정량적 위험도 평가기법에 따라서 비교하여 안전확보에 가장 효과적인 제연모드를 제시함을 목적으로 한다 ...

    + READ MORE
    The purpose of this study is to present the most effective smoke exhaust mode by comparing the quantitatively evaluated risks according to the smoke exhaust mode when a train fire occurs in a subway platform. Therefore, applying the typical subway platform as a model, train fire scenarios are developed with the evacuation start time and location of the fire train for each exhaust mode. The fire accident rates (F) are calculated and the number of fatalities (N) was quantitatively estimated by fire analysis and evacuation analysis for each scenario. In addition, the F/N curve compared with the social risk assessment criteria and the following conclusions were obtained. In the event of a train fire at the subway station platform, the evacuation must start up within 600 s in maximum to ensure the evacuees’ safety. To secure evacuation safety, it is advantageous to operate the HVAC system of the platform in the air-supply mode at station without TVF. Comparing the F/N curve for each exhaust mode with the social risk criteria, it turned out that the risk significantly exceeds the social risk criteria in case of no mechanical ventilation. As a result, this paper shows that the ventilation mode in which TVF are exhausted and HVAC system is operated in the pressurized mode are the most effective smoke exhaust mode for ensuring evacuation safety.


    본 연구에서는 지하철 승강장에서 화재가 발생하는 경우, 제연모드에 따른 위험도를 정량적 위험도 평가기법에 따라서 비교하여 안전확보에 가장 효과적인 제연모드를 제시함을 목적으로 한다. 이를 위해 전형적인 지하철 승장장을 모델로 하여 제연모드별로 대피개시간 및 화재발생열차의 위치에 따른 화재발생 시나리오를 작성하고, 시나리오별로 화재발생률(F)을 산정하고 화재해석과 대피해석을 수행하여 사망자수(N)를 정량적으로 추정하였다. 시나리오별 사고발생률(Frequency)과 사망자수(N:Fatalities)를 추정하여 F/N선도로 작성하고 이를 사회적 위험도 평가기준과 비교하여 화재 안전성을 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다. 정거장 열차화재 시 인명안전을 위해서는 최대 600 s 이전에 대피가 개시되어야 하며, 정거장 양단배기 시스템이 없는 승강장에서는 승강장 공조시스템을 급기로 운영하여 승강장을 가압하는 것이 대피안전성 확보에 유리한 것으로 나타났다. 승강장 열차화재시나리오에 따른 F/N선도를 작성하여 사회적 위험도 평가기준과 비교한 결과, 제연을 하지 않는 경우에는 한계기준을 상당히 초과하며, 양단배기를 수행하고 승강장을 가압운전모드에서 운영하는 제연모드가 대피안전에 가장 효과적인 것으로 나타났다.

    - COLLAPSE
    May 2020
  • Research Paper

    A study on the coefficients of variation of seismic load effect for the limit state design of shield tunnel based on the reliability analysis

    신뢰성 기반 쉴드 터널의 한계상태설계를 위한 지진하중 효과의 변동계수에 관한 연구

    Young-Bin Park, Do Kim, Yosep Byun, Gyu-Phil Lee

    박영빈, 김 도, 변요셉, 이규필

    In this study, coefficient of variation for the seismic load effect on the segment lining was calculated. The statistical characteristics of the ...

    본 연구에서는 쉴드 터널 세그먼트 라이닝의 한계상태설계 시 세그먼트 라이닝에 작용하는 지진하중에 대한 변동계수를 산정하였다. 지반 정수의 통계적 특성치는 국내 지반의 확률특성치를 ...

    + READ MORE
    In this study, coefficient of variation for the seismic load effect on the segment lining was calculated. The statistical characteristics of the soil property were analyzed for the probability characteristics of domestic soil. In order to calculate the coefficient of variation for the seismic load effect, the MCS technique was applied, and the closed-form equation was applied to calculate the seismic load effect. As a result of calculating the coefficient of variation, the coefficient of variation of the seismic load effect on the weathered soil was analyzed in the range of 0.06~0.15, and the coefficient of variation was judged to be used as basic data for designing the limit state of the shield tunnel on seismic condition.


    본 연구에서는 쉴드 터널 세그먼트 라이닝의 한계상태설계 시 세그먼트 라이닝에 작용하는 지진하중에 대한 변동계수를 산정하였다. 지반 정수의 통계적 특성치는 국내 지반의 확률특성치를 분석하여 단위중량에 대한 통계적 특성치를 산정하였으며, 전단탄성파 속도를 산정하기 위해 N값과 확률 특성치를 이용하였다. 지진하중 효과에 대한 변동계수를 산정하기 위하여 MCS기법을 적용하였으며, 지진하중 효과 산정에는 closed-form식을 적용하였다. 변동계수 산정결과, 풍화토 지반에서 지진하중 효과의 변동계수는 0.06~0.15의 범위로 분석되었고, 변동계수는 지진을 고려한 쉴드 터널의 한계상태설계 시 기본자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

    - COLLAPSE
    May 2020
  • Research Paper

    An appropriateness review on the road tunnel ventilation standards by pollutants site measurement and case study

    오염물질 현장측정 및 사례조사를 통한 도로터널 환기기준의 적정성에 관한 연구

    Hyo-Gyu Kim, Doo-San Baek, Ji-Oh Yoo

    김효규, 백두산, 유지오

    In this study, a series of site measurement of particulate and gases pollutants at five tunnels were carried out along with case ...

    본 연구에서는 현행 도로터널의 환기설계기준의 적정성을 검토하기 위하여 사례조사를 수행하고, 5개 터널을 대상으로 입자상 및 가스상 물질의 농도를 현장측정 하였다. 사례조사 결과는 ...

    + READ MORE
    In this study, a series of site measurement of particulate and gases pollutants at five tunnels were carried out along with case studies to review the suitability of the current road tunnel ventilation design standards. Previous studies by other researchers have shown that the ratios of the level of measurement to the standard were 27.9%, 1.6% and 3.4% for TSP, CO and NOx, respectively. Those measured in this site study shows even lower ratios; the ratios were 2.6%, 0.8% and 0.3%, for TSP, CO and NOx, respectively. The particle size analysis of TSP for the five tunnels shows that PM10 including tire wear and re-suspended road dust exceeded 20.4%. This implies that non-exhaust particulate matter must be taken into account, since the current design standards for the particulate matter (visibility) include only the engine emission. Based on the recent research results, for vehicle emission rate and slope-speed correction factors, revision of ventilation design standards for pollutants is required. WRA (PIARC) also emphasizes the necessity of the ventilation design standards for pollutants. In addition, enactment of a new road tunnel ventilation system operation standard or guideline is strongly recommended when considering the low operating rate of the ventilation system with jet-fans.


    본 연구에서는 현행 도로터널의 환기설계기준의 적정성을 검토하기 위하여 사례조사를 수행하고, 5개 터널을 대상으로 입자상 및 가스상 물질의 농도를 현장측정 하였다. 사례조사 결과는 설계기준 대비 TSP (가시도)는 27.9%, CO는 1.6%, NOx는 3.4% 수준으로 분석되었고, 현장측정 결과는 각각 2.6%, 0.8%, 0.2%의 수준에 불과하였다. 또한 5개 터널에 대한 입자상물질(TSP)의 입경분석 결과, 타이어 마모, 재부유 분진 등의 입자라 할 수 있는 PM10 이상의 입경의 영역은 20.4%로 나타났다. 따라서 현행 도로터널 환기설계 기준으로 제시된 입자상물질은 엔진배출량 외에 비엔진배출량에 대한 고려가 반드시 필요하며, 최근의 연구결과를 통한 제작차 오염물질 배출량 및 경사속도 보정계수 등을 적용하여 대상오염물질에 대한 설계기준의 합리적인 개정이 요구되며 WRA (PIARC)에서도 환기설계 기준의 개정 필요성을 권고하고 있다. 현행 터널 내 낮은 환기설비(제트팬) 가동율을 고려할 경우 향후 터널 내 운영상 관리기준의 신설에 대한 필요성이 제기된다.

    - COLLAPSE
    May 2020