• Research Paper

    Numerical analysis on the estimation of optimal disc cutter angle in transition cutter zone

    전이 구간(트렌지션 커터존)의 최적 디스크커터 각도 산정에 관한 수치해석 연구

    Sang Yun Lee, Ki-il Song

    이상연, 송기일

    In the design of a tunnel boring machine (TBM), the excavation efficiency of the equipment depends on the design of the cutter ...

    Tunnel boring machine (TBM)의 설계에 있어서 지반과 직접적으로 맞닿아 절삭을 담당하는 커터헤드의 설계에 따라서 장비의 굴진효율이 달라지게 된다. 디스크커터는 배치되는 위치에 ...

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    In the design of a tunnel boring machine (TBM), the excavation efficiency of the equipment depends on the design of the cutter head, which is directly in contact with the ground. Especially, the allocation of disc cutter is crucial issue. Disc cutters can be divided into center cutter zone, inner cutter zone and transition cutter zone depending on where they are placed. Many studies have been conducted to identify optimal cutting conditions for face cutters. However, research to determine the optimal cutting conditions for the transition cutter has been relatively incomplete. In this study, to identify the optimal cutting conditions for the transition cutter, numerical analysis using discrete element method was performed, and the specific energy curve according to the angle between the transition cutters was drawn to find out the optimum cutting conditions. The results show that the angle between the transition cutters showing minimum specific energy in the transition cutter zone is 9°. Transition cutter zone was divided into three sections according to the slope angle of the transition cutter. It is also found that, the greater the slope angle of the transition cutter. This finding shows good agreement with the present design of transition cutter zone.


    Tunnel boring machine (TBM)의 설계에 있어서 지반과 직접적으로 맞닿아 절삭을 담당하는 커터헤드의 설계에 따라서 장비의 굴진효율이 달라지게 된다. 디스크커터는 배치되는 위치에 따라 센터 커터 존, 이너 커터 존, 트렌지션 커터 존으로 구분된다. 기존에도 페이스커터의 최적 절삭조건을 규명하기 위한 연구는 많이 진행되어 왔으나, 트렌지션 커터의 최적 절삭조건을 규명하기 위한 연구는 상대적으로 미진하였다. 본 연구에서는 트렌지션 커터의 최적의 절삭조건을 규명하기 위해 개별요소법 수치해석을 수행하고 트렌지션 커터 사이의 각도에 따른 비에너지 곡선을 작도하여 최적 절삭조건을 알아보고자 하였다. 수치해석 결과 전이영역에서 최소 비에너지를 보이는 트렌지션 커터 사이의 각도 9°인 것으로 확인되었다. 이를 트렌지션 커터의 경사각에 따라 3가지 영역으로 구분하고 영역별 디스크커터 사이의 각도와 비에너지를 정리한 결과 트렌지션 커터의 경사각이 커질수록 최적 비에너지를 보이는 트렌지션 커터 사이의 각도는 10°에서 8°까지 점차 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 기존에 사용되고 있는 트렌지션 커터의 설계 결과와 유사한 경향으로써, 본 연구의 결과를 밑받침한다.

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    January 2021
  • Research Paper

    A TBM data-based ground prediction using deep neural network

    심층 신경망을 이용한 TBM 데이터 기반의 굴착 지반 예측 연구

    Tae-Hwan Kim, No-Sang Kwak, Taek Kon Kim, Sabum Jung, Tae Young Ko

    김태환, 곽노상, 김택곤, 정사범, 고태영

    Tunnel boring machine (TBM) is widely used for tunnel excavation in hard rock and soft ground. In the perspective of TBM-based tunneling ...

    암반 및 연약지반을 포함한 다양한 지반 조건에서 TBM (Tunnel Boring Machine) 터널링이 활용되고 있다. 굴착 성능을 높이기 위해서 지반 조건에 따라 최적으로 ...

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    Tunnel boring machine (TBM) is widely used for tunnel excavation in hard rock and soft ground. In the perspective of TBM-based tunneling, one of the main challenges is to drive the machine optimally according to varying geological conditions, which could significantly lead to saving highly expensive costs by reducing the total operation time. Generally, drilling investigations are conducted to survey the geological ground before the TBM tunneling. However, it is difficult to provide the precise ground information over the whole tunnel path to operators because it acquires insufficient samples around the path sparsely and irregularly. To overcome this issue, in this study, we proposed a geological type classification system using the TBM operating data recorded in a 5 s sampling rate. We first categorized the various geological conditions (here, we limit to granite) as three geological types (i.e., rock, soil, and mixed type). Then, we applied the preprocessing methods including outlier rejection, normalization, and extracting input features, etc. We adopted a deep neural network (DNN), which has 6 hidden layers, to classify the geological types based on TBM operating data. We evaluated the classification system using the 10-fold cross-validation. Average classification accuracy presents the 75.4% (here, the total number of data were 388,639 samples). Our experimental results still need to improve accuracy but show that geology information classification technique based on TBM operating data could be utilized in the real environment to complement the sparse ground information.


    암반 및 연약지반을 포함한 다양한 지반 조건에서 TBM (Tunnel Boring Machine) 터널링이 활용되고 있다. 굴착 성능을 높이기 위해서 지반 조건에 따라 최적으로 장비를 운영해야 하며, 이를 통해 공기단축을 통한 비용 절감 효과를 기대할 수 있다. 하지만 시추 조사를 통해 획득한 지반 정보는 시추공 사이 불확실성이 존재하므로, 실시간 최적 운전에 부족함이 있다. 본 연구에서는 지반의 불확실성 문제를 해결하고자 5초마다 기록된 TBM 데이터를 활용하여 굴착 지반 예측 시스템을 구축하고자 한다. 싱가포르 현장에서 획득한 화강암의 풍화도를 고려하여 암반, 토사, 복합지반 세 가지로 지질로 재분류하였고, 실시간으로 도출되는 기계 데이터로 이를 예측하고자 한다. 현장에서 획득한 TBM 데이터에 대해 이상치 제거, 정규화, 특성 추출 등의 전처리 방법을 적용하였고, 지질을 분류하기 위해 6개의 은닉층을 가진 심층 신경망(Deep Neural Network, DNN)을 활용하였다. 10겹 교차검증을 통해 분류 시스템을 평가한 결과, 평균 75.4%의 정확도를 확인하였다(총 데이터 388,639개). 본 연구를 통해 지질 불확실성을 감소시키고, 지반 조건에 따른 실시간 최적 운전에 도움이 될 것으로 판단된다.

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    January 2021
  • Research Paper

    Numerical analysis study on the concentration change at hydrogen gas release in semi-closed space

    수치해석을 통한 반밀폐공간 내 수소가스 누출 시 농도변화에 관한 연구

    Doo-San Baek, Hyo-Gyu Kim, Jin-Yuk Park, Yong-Ho Yoo

    백두산, 김효규, 박진욱, 유용호

    Hydrogen in hydrogen-electric vehicles has a wide range of combustion and explosion ranges, and is a combustible gas with a very fast ...

    온실가스 배출량을 줄이기 위해 내연기관 자동차에 대한 제한을 두고, 친환경자동차 보급 확대 정책을 내놓고 있다. 수소전기자동차의 수소는 가연 범위 및 폭발 범위가 ...

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    Hydrogen in hydrogen-electric vehicles has a wide range of combustion and explosion ranges, and is a combustible gas with a very fast flame propagation speed, so it has the risk of leakage, diffusion, ignition, and explosion. The fuel tank has a Thermally active Pressure Relief Device (TPRD) to reduce the risk of explosion and other explosions, and in the event of an accident, hydrogen inside the tank is released outside before an explosion or fire occurs. However, if an accident occurs in a semi-closed space such as an underground parking lot, the flow of air flow is smaller than the open space, which can cause the concentration of hydrogen gas emitted from the TPRD to accumulate above the explosion limit. Therefore, in this study, the leakage rate and concentration of hydrogen over time were analyzed according to the diameter of the nozzle of the TPRD. The diameter of the nozzle was considered to be 1 mm, 2.5 mm and 5 mm, and ccording to the diameter of the nozzle, the concentration of hydrogen in the underground parking lot increases in a faster time with the diameter of the nozzle, and the maximum value is also analyzed to be larger with the diameter of the nozzle. In underground parking lots where air currents are stagnant, hydrogen concentrations above LFL (Lowe Flammability Limit) were analyzed to be distributed around the nozzle, and it was analyzed that they did not exceed UFL (Upper Flammability Limit).


    온실가스 배출량을 줄이기 위해 내연기관 자동차에 대한 제한을 두고, 친환경자동차 보급 확대 정책을 내놓고 있다. 수소전기자동차의 수소는 가연 범위 및 폭발 범위가 넓고, 폭발화염 전파속도가 매우 빠른 가연성 가스이기 때문에, 제조, 수송, 저장 시 누출, 확산, 점화 및 폭발 등의 위험성을 가지고 있다. 수소전기자동차의 연료탱크에는 폭발 등 위험성을 감소시키기 위해 온도감응식 압력방출장치(Thermally activate Pressure Relief Device, TPRD)가 있어, 사고가 발생했을 경우 폭발, 화재 등이 발생하기 전에 탱크 내부의 수소를 밖으로 방출한다. 그러나 지하주차장이나 터널과 같은 반밀폐공간에서 사고가 발생할 경우 공간 내 기류의 유동이 개방된 공간보다 미미하기 때문에 TPRD로부터 방출된 수소가스의 농도가 폭발하한계 이상으로 누적될 수 있는 등 문제가 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 TPRD의 노즐의 직경에 따라 시간에 따른 수소의 누출 유량을 분석하고, 반밀폐공간에서 수소가 누출될 경우 수소 농도변화를 수치해석으로 검토하였다. 노즐의 직경은 1 mm, 2.5 mm, 5 mm로 검토를 하였으며, 노즐 직경에 따라 지하주차장 내의 수소농도는 노즐의 직경이 클수록 빠른 시간에 농도가 높아지며, 최대값 또한 노즐 직경이 클수록 큰 것으로 분석되었다. 기류가 정체된 지하주차장에서는 노즐 주변에서 폭발하한계 이상의 수소 농도가 분포하는 것으로 분석되었으며, 폭발상한계를 넘지는 않는 것으로 분석되었다.

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    January 2021
  • Research Paper

    Assessment of tunnel stability according to height of embankment by numerical analysis

    수치해석을 통한 성토 높이에 따른 터널 안정성 평가 연구

    Kang-Hyun Lee, Sangrae Lee, Nag-Young Kim

    이강현, 이상래, 김낙영

    The construction of the tunnel portal should be careful because cover depth is shallow and it is difficult to exhibit the arching ...

    터널의 갱구부는 토피가 얕고 지반의 아칭효과가 발휘되기 어렵기 때문에 터널 시공 시 주의가 필요한 구간이다. 공용 중인 터널 갱구부 상부에 추가적인 성토가 ...

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    The construction of the tunnel portal should be careful because cover depth is shallow and it is difficult to exhibit the arching effect. Tunnel stability may be reduced with additional embankment above the portal of tunnel. In this study, in order to examine the stability of the tunnel according to additional embankment above the portal of tunnel, numerical analysis was performed while changing the ground conditions and height of embankment. As a result of the numerical analysis, it was found that the allowable flexural compressive stress of shotcrete and allowable axial force of rockbolts were exceeded when the height of additional embankment was 12 m in rock mass rating V. When considering the displacement, the range of the plastic region and the behavior of the support materials, the tunnel stability seems to be greatly reduced if the height of additional embankment above the portal of tunnel exceeds 10 m.


    터널의 갱구부는 토피가 얕고 지반의 아칭효과가 발휘되기 어렵기 때문에 터널 시공 시 주의가 필요한 구간이다. 공용 중인 터널 갱구부 상부에 추가적인 성토가 이루어진다면 터널 안정성을 크게 저해할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 터널 상부의 추가 성토에 따른 터널 안정성을 검토하고자 지반조건별로 성토 높이에 따른 수치해석을 수행하였다. 해석 결과 5등급 암반에서 성토 높이가 12 m 이상인 경우에는 숏크리트의 허용 휨압축응력, 록볼트의 허용 축력을 초과하는 것으로 나타났다. 발생되는 변위와 소성영역의 범위, 지보재의 상태를 종합적으로 고려할 때 터널 갱구부 상부에 추가 성토되는 높이가 10 m를 초과하는 경우에는 터널 안정성이 크게 저해되는 것으로 판단된다.

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    January 2021
  • Research Paper

    A basic study on the hazard of hydrogen feul cell vehicles in road tunnels

    도로터널에서 수소차 위험에 관한 기초적 연구

    Ji-Oh Ryu, Hu-Young Lee

    류지오, 이후영

    Hydrogen is a next-generation energy source, and according to the roadmap for activating the hydrogen economy, it is expected that industries to ...

    수소는 차세대 에너지원으로서 수소경제 활성화 로드 맵에 따라 수소를 안정적으로 생산 ‧ 저장 ‧ 운송하기 위한 산업과 더불어 수소차의 보급이 급속도로 이루어질 것으로 예상된다 ...

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    Hydrogen is a next-generation energy source, and according to the roadmap for activating the hydrogen economy, it is expected that industries to stably produce, store, and transport of hydrogen as well as the supply of hydrogen fuel cell vehicles will be made rapidly. Accordingly, safety measures for accidents of hydrogen vehicles in confined spaces such as tunnels are required. In this study, as part of a study to ensure the safety of hydrogen fuel cell vehicles in road tunnels, a basic investigation and research on the risk of fire and explosion due to gas leakage and hydrogen tank rupture among various hazards caused by hydrogen fuel cell vehicle accidents in tunnels was conducted. The following results were obtained. In the event of hydrogen fuel cell vehicle accidents, the gas release rate depends on the orifice diameter of TPRD, and when the gas is ignited, the maximum heat release rate reaches 3.22~51.36 MW (orifice diameter: 1~4 mm) depending on the orifice diameter but the duration times are short. Therefore, it was analyzed that there was little increase in risk due to fire. As the overpressure of the gas explosion was calculated by the equivalent TNT method, in the case of yield of VCE of 0.2 is applied, the safety threshold distance is analyzed to be about 35 m, and number of the equivalent fatalities are conservatively predicted to reach tens of people.


    수소는 차세대 에너지원으로서 수소경제 활성화 로드 맵에 따라 수소를 안정적으로 생산 ‧ 저장 ‧ 운송하기 위한 산업과 더불어 수소차의 보급이 급속도로 이루어질 것으로 예상된다. 이에 따라 터널과 같은 반밀폐공간에서의 수소차의 사고에 대비한 안전대책이 요구되고 있다. 본 연구에서는 도로터널에서 수소차량의 안전성을 확보하기 위한 연구의 일환으로 터널 내 수소차 사고에 따른 다양한 위험요인 중 가스누출에 따른 화재와 폭발의 위험성에 대한 기초적인 조사 ‧ 연구를 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다. 수소차 사고 시 가스누출속도는 TPRD의 오리피스직경에 의존하며, 가스가 점화되는 경우에 최대화재강도는 오리피스직경에 따라 3.22~51.36 MW (오리피스직경: 1~4 mm)에 도달하나 지속시간이 짧기 때문에 화재로 인한 위험의 가중은 거의 없는 것으로 분석되었다. 등가 TNT방법에 의해서 폭발에 따른 과도압력을 계산하였으므로 폭발수율을 0.2적용하는 경우, 안전한계 거리는 대략 35 m 정도로 분석되고 등가사망자는 보수적인 관점에서 수십 명 정도에 달할 것으로 예측된다.

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    January 2021