• Research Paper

    Evaluation of excavation damage zone during TBM excavation - A large deformation FE analysis study

    TBM 굴착으로 인한 굴착손상영역 범위 추정 - 대변형 수치해석 연구

    Seheon Kim, Dohyun Kim

    김세헌, 김도현

    Analyzing the tunnel excavation behavior and its effect on the surrounding ground involves large deformation behavior. Therefore, in order to properly simulate …

    터널 굴착으로 인한 지반의 거동 분석은 대변형 영역의 거동을 고려해야 한다. 따라서 본 논문에서는 TBM 터널 굴착으로 인한 주변 지반에 대한 영향을 …

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    Analyzing the tunnel excavation behavior and its effect on the surrounding ground involves large deformation behavior. Therefore, in order to properly simulate the tunnel excavation process and rigorously investigate the actual effect of excavation on surrounding ground and tunnel structure large deformation analysis method is required. In this study, two major numerical approaches capable of considering large deformations behavior were applied to investigate the effect of tunnel boring machine excavation on the surrounding ground: coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) and the automatic remeshing (AR) method. Relative performance of both approaches was evaluated through the ground response due to TBM excavation. The ground response will be quantified by estimating the range of the excavation damaged zone (EDZ). By comparing the results, the range of the EDZ will be suggested on the vertical and horizontal direction along the TBM excavation surface. Based on the computed results, it was found that the size of EDZ around the excavation surface and the tendencies was in good agreement among the two approaches. Numerical results clearly show that the size of the EDZ around the tunnel tends to be larger for rock with higher RMR rating. The size of the EDZ is found to be direct proportional to the tunnel diameter, whereas the depth of the tunnel is inversely proportional due to higher confinement stress around the excavation surface.


    터널 굴착으로 인한 지반의 거동 분석은 대변형 영역의 거동을 고려해야 한다. 따라서 본 논문에서는 TBM 터널 굴착으로 인한 주변 지반에 대한 영향을 실제 현장 조건과 동일 조건에서 분석하기 위하여 대변형 유한요소 해석을 수행하였다. 지반의 대변형 거동을 모사하고 예측함에 있어 가장 널리 활용되는 두 가지 해석 기법 - coupled Eulerian Lagrangian (CEL)과 auto-remeshing (AR) 기법 - 을 적용하여 TBM 굴착 과정을 모사하였고 그에 따른 주변 지반에 발생하는 손상영역의 범위를 예측하였다. 굴착손상영역의 범위는 두 기법을 통해 도출된 결과와 굴착손상영역을 정의하는 실험적인 기준을 종합하여 추정하였다. 해석 결과, 두 대변형 해석 기법을 이용하여 도출된 굴착손상영역은 서로 비슷한 크기로 수렴하였고, 기존 연구의 실험 및 계측을 통해 확인된 굴착손상영역 크기와 모양, 경향과도 일치하는 것으로 나타났다. 굴착 되는 지반의 RMR 등급이 좋을수록 굴착손상영역의 크기는 더 커지고, 터널의 직경과는 정비례하는 것으로 나타났다. 반면에, 터널의 심도가 깊을수록 지반의 구속압이 커져서 굴착손상영역은 상대적으로 작게 형성되는 것으로 확인되었다.

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    31 January 2024
  • Research Paper

    A study on a reasonable modeling method of fully grouted rockbolt

    전면접착형 록볼트의 거동 특성을 고려한 합리적인 모델링 방법에 대한 연구

    Hong-Joo Lee, Kyung-Nam Kang, Ki-Il Song, Sang-Don Lee

    이홍주, 강경남, 송기일, 이상돈

    Rockbolts are the primary-supports in NATM tunnels and are widely used at tunnel construction sites. Among the rockbolts methods applied in domestic …

    록볼트는 NATM터널의 주 지보재로서 터널공사 현장에 널리 이용되고 있다. 국내 터널 현장에서는 전면접착형 록볼트가 가장 많이 사용되고 있다. 전면접착형 록볼트는 그라우트에 의해 …

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    Rockbolts are the primary-supports in NATM tunnels and are widely used at tunnel construction sites. Among the rockbolts methods applied in domestic tunnel design, fully grouted rockbolts are the most representative and frequently used. Fully grouted rockbolts exhibit relative behavior between the bolt and the ground due to the grout material. However, during numerical analysis for tunnel design, fully grouted rockbolts are often modeled in a way that does not reflect their behavior characteristics. This may result in underestimating or overestimating the force of the supports. Based on a literature review, it was analyzed that fully grouted rockbolts are modeled using truss element or cable element. To analyze the effect of grout properties of cable elements on rockbolts behavior, this paper compared the behavior of rockbolts in two models: one estimating grout properties based on rockbolt pull-out test data, and another assuming complete adhesion between the rockbolts and the ground by applying large grout properties. Under identical tunnel conditions, the numerical analysis was conducted by modeling the fully grouted rockbolts differently using truss and cable elements, and the tunnel behavior was analyzed. The research results suggest that modeling fully grouted rockbolts as a function of the interface effect between the bolts and the ground, specifically considering grout, is desirable. The use of pull-out test data to simulate the behavior of actual fully grouted rockbolts was considered as a valid approach.


    록볼트는 NATM터널의 주 지보재로서 터널공사 현장에 널리 이용되고 있다. 국내 터널 현장에서는 전면접착형 록볼트가 가장 많이 사용되고 있다. 전면접착형 록볼트는 그라우트에 의해 볼트체와 지반 간 상대적인 거동을 구현한다. 그러나 터널 수치해석 시 전면접착형 록볼트는 이러한 거동 특성이 반영되지 못한 방법으로 모델링되는 경우가 많다. 이러한 경우, 지보재의 부재력을 과소 혹은 과대 평가하는 요인이 될 수 있다. 본 연구에서는 전면접착형 록볼트의 합리적인 모델링 방법에 대한 연구를 수행하였다. 문헌 연구 결과, 전면접착형 록볼트는 Cable요소와 Truss요소로 모델링되는 것으로 분석되었다. Cable요소의 그라우트 물성치가 록볼트 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해, 그라우트 물성치를 록볼트 인발시험 데이터를 통해 산정하여 적용한 모델과 록볼트와 지반 간 완전 접착을 가정하기 위해 임의로 크게 적용한 모델의 록볼트 거동을 비교하였다. 동일한 터널 조건에서 전면접착형 록볼트를 Truss요소와 Cable요소로 각각 다르게 모델링하여 수치해석을 수행하였고, 이에 따른 터널 거동을 분석하였다. 연구 결과, 록볼트와 지반 간 경계면 효과, 즉, 그라우트를 고려할 수 있는 요소로 전면접착형 록볼트를 모델링하는 것이 바람직한 것으로 검토되었다. 실제 전면접착형 록볼트의 거동을 모사하기 위해 인발시험 데이터를 활용하는 방법은 유효한 방법으로 검토되었다.

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    31 January 2024
  • Research Paper

    Estimation of Cerchar abrasivity index based on rock strength and petrological characteristics using linear regression and machine learning

    선형회귀분석과 머신러닝을 이용한 암석의 강도 및 암석학적 특징 기반 세르샤 마모지수 추정

    Ju-Pyo Hong, Yun Seong Kang, Tae Young Ko

    홍주표, 강윤성, 고태영

    Tunnel Boring Machines (TBM) use multiple disc cutters to excavate tunnels through rock. These cutters wear out due to continuous contact and …

    TBM (Tunnel boring machine)은 터널 굴착 과정에서 여러 디스크 커터를 이용하여 암석을 절삭한다. 디스크 커터는 암석과의 지속적인 접촉과 마찰로 인해 마모된다. 디스크 …

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    Tunnel Boring Machines (TBM) use multiple disc cutters to excavate tunnels through rock. These cutters wear out due to continuous contact and friction with the rock, leading to decreased cutting efficiency and reduced excavation performance. The rock’s abrasivity significantly affects cutter wear, with highly abrasive rocks causing more wear and reducing the cutter’s lifespan. The Cerchar Abrasivity Index (CAI) is a key indicator for assessing rock abrasivity, essential for predicting disc cutter life and performance. This study aims to develop a new method for effectively estimating CAI using rock strength, petrological characteristics, linear regression, and machine learning. A database including CAI, uniaxial compressive strength, Brazilian tensile strength, and equivalent quartz content was created, with additional derived variables. Variables for multiple linear regression were selected considering statistical significance and multicollinearity, while machine learning model inputs were chosen based on variable importance. Among the machine learning prediction models, the Gradient Boosting model showed the highest predictive performance. Finally, the predictive performance of the multiple linear regression analysis and the Gradient Boosting model derived in this study were compared with the CAI prediction models of previous studies to validate the results of this research.


    TBM (Tunnel boring machine)은 터널 굴착 과정에서 여러 디스크 커터를 이용하여 암석을 절삭한다. 디스크 커터는 암석과의 지속적인 접촉과 마찰로 인해 마모된다. 디스크 커터의 표면이 마모되면 절삭 능력이 감소하고 굴착 효율이 떨어진다. 암석의 마모성은 디스크 커터 마모에 큰 영향을 미친다. 높은 마모도를 가진 암석은 커터에 더 큰 마모를 일으키며, 이는 디스크 커터의 수명을 단축시킨다. 세르샤 마모지수(Cerchar abrasivity index, CAI)는 암석의 마모성을 평가하는 데 널리 사용되는 지표로 CAI는 암석의 마모특성을 나타내며, 디스크 커터의 수명과 성능 예측에 필수적인 요소로 인식되고 있다. 본 연구의 목적은 암석의 강도, 암석학적 특성과 선형회귀, 머신러닝 기법을 이용하여 CAI를 효과적으로 추정하는 새로운 방법을 개발하는 것이다. 문헌 조사를 통해 CAI, 일축압축강도, 압열인장강도, 등가석영함량이 포함된 데이터베이스를 구축하고 파생변수를 추가하였다. 통계적 유의성과 다중공선성을 고려하여 다중선형회귀분석을 위한 입력변수를 선정하였고, 머신러닝 모델의 입력변수는 변수중요도 분석을 통해 선정하였다. 머신러닝 예측모델 중 Gradient Boosting 모델의 예측 성능이 가장 높게 나타나 최적의 CAI 예측 모델로 선정되었다. 마지막으로 본 연구에서 도출한 다중선형회귀분석과 Gradient Boosting 모델의 예측 성능을 선행연구들의 CAI 예측모델과 비교하여 연구 결과의 타당성을 확인하였다.

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    31 January 2024
  • Research Paper

    Shear strain behaviour due to twin tunnelling adjacent to pile group

    군말뚝 기초 하부 병렬터널 굴착 시 전단변형 거동 특성

    Subin Kim, Young-Seok Oh, Yong-Joo Lee

    김수빈, 오영석, 이용주

    In tunnel construction, the stability is evaluated by the settlement of adjacent structures and ground, but the shear strain of the ground …

    현재 터널 시공 시 인접 구조물 및 지반의 침하를 기준으로 안정성을 평가하고 있지만, 지반의 전단변형은 터널 굴착 및 작용하중 변화에 따른 지반의 …

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    In tunnel construction, the stability is evaluated by the settlement of adjacent structures and ground, but the shear strain of the ground is the main factor that determines the failure mechanism of the ground due to the tunnel excavation and the change of the operating load, and can be used to review the stability of the tunnel excavation and to calculate the reinforcement area. In this study, a twin tunnel excavation was simulated on a soft ground in an urban area through a laboratory model test to analyze the behavior of the twin tunnel excavation on the adjacent pile grouped foundation and adjacent ground. Both the displacement and the shear strain of ground were obtained using a close-range photogrammetry during laboratory model test. In addition, two-dimensional finite element numerical analysis was performed based on the model test. The results of a back-analysis showed that the maximum shear strain rate tends to decrease as the horizontal distance between the pillars of the twin tunnel and the vertical distance between the toe of the pile group and the crown of the tunnel were decreased. The impact of the second tunnel on the first tunnel and pile group was decreased as the horizontal distance between the pillars of the twin tunnel was increased. In addition, the vertical distance between the toe of the pile group and the crown of the tunnel had a relatively greater impact on the shear strain results than the horizontal distance of the pillars between the twin tunnels. According to the results of the close-range photogrammetry and numerical analysis, the settlement of adjacent pile group and adjacent ground was measured within the design criteria, but the shear strain of the ground was judged to be outside the range of small strain in all cases and required reinforcement.


    현재 터널 시공 시 인접 구조물 및 지반의 침하를 기준으로 안정성을 평가하고 있지만, 지반의 전단변형은 터널 굴착 및 작용하중 변화에 따른 지반의 파괴메커니즘을 결정짓는 주요 인자로서 터널 굴착 시 안정성 검토 및 보강영역 산정에 활용할 수 있다. 본 연구에서는, 실내모형시험을 통해 도심지 연약지반에 병렬터널 굴착을 모사하여 병렬터널 굴착이 인접한 군말뚝 기초 및 인접 지반에 미치는 거동에 대해 분석하였다. 실내모형시험 시 근거리 사진계측을 활용하여 지중의 변위 및 지반의 전단변형을 구하고, 이를 바탕으로 2차원 유한요소 수치해석을 수행하였다. 역해석 결과 병렬터널의 필라부 수평이격거리 및 군말뚝 기초 선단부와 터널 천단부 사이 수직이격거리가 증가할수록 최대전단변형률이 감소하는 경향을 보였다. 필라부 수평이격거리가 증가할수록 두 번째 터널에 의해 첫 번째 터널 및 군말뚝 기초에 미치는 영향이 줄어들었다. 또한, 필라부 수평이격거리보다 군말뚝 기초 선단부와 터널 천단부 사이 수직이격거리가 지반의 전단변형률 결과에 미치는 영향이 상대적으로 더 큰 것으로 나타났다. 근거리사진계측과 수치해석 결과 인접 군말뚝 및 인접 지반의 침하는 설계 기준 이내로 측정되었으나, 지반의 전단변형률은 모든 Case에서 미소변형 범위를 벗어나 보강이 필요한 것으로 판단된다.

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    31 January 2024
  • Research Paper

    Analysis of hydraulic behavior around tunnel after application of cutoff grouting and proposing a method for estimating grouting range

    차수그라우팅 적용에 따른 터널주변 수리학적 거동 분석과 그라우팅 적용범위 산정방법의 제안

    Joon-Shik Moon

    문준식

    Excessive inflow of groundwater during tunnel excavation not only affects the stability and constructability of the tunnel, but is also one of …

    터널굴착 중 지하수의 과다유입은 터널의 안정성 및 시공성에 영향을 줄 뿐만 아니라 지하수위 저하에 따른 상부지반의 침하를 발생시키는 주요 원인 중 하나이다. …

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    Excessive inflow of groundwater during tunnel excavation not only affects the stability and constructability of the tunnel, but is also one of the main causes of ground settlement due to groundwater level drawdown. The most commonly applied measure against excessive groundwater inflow during tunnel excavation in soil or fractured zone is to reduce the ground permeability coefficient by injecting grout material. Generally, the grouting area is assumed to be same as the plastic zone that occurs during tunnel excavation, but injecting grout material in the area of plastic zone is appropriate only for reinforcement grouting. In order to determine the thickness of cutoff grouting, the amount of reduction in the water permeability coefficient due to the application of cutoff grouting must be considered. In this study, a method for estimating the range of cutoff grouting considering the reduction in permeability coefficient was mathematically derived and evaluated through computer numerical analysis.


    터널굴착 중 지하수의 과다유입은 터널의 안정성 및 시공성에 영향을 줄 뿐만 아니라 지하수위 저하에 따른 상부지반의 침하를 발생시키는 주요 원인 중 하나이다. 지하수위 하부 토사구간과 파쇄구간 내 터널굴착 중 지하수 과다유입에 대한 대책으로 가장 일반적으로 적용되는 방법은 사전 그라우팅을 통한 지반 투수계수의 감소이다. 일반적으로 그라우팅 범위는 터널굴착 중 발생하는 소성구간을 목표구간으로 설정하지만 이는 그라우팅을 통한 강도증진을 목적으로 하는 경우 적절한 범위이다. 차수를 목적으로 하는 사전 그라우팅의 범위를 결정하기 위해서는 원지반의 투수계수와 차수그라우팅의 적용에 따른 투수계수의 감소량을 고려하여야 한다. 본 연구에서는 원지반의 투수계수와 그라우팅의 적용에 따른 투수계수의 감소량을 고려한 차수그라우팅의 범위산정방법을 수학적으로 유도하고 이를 수치해석을 통해 검토하였다.

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    31 January 2024