• Technical Notes

    국내・외 TBM 시뮬레이터 개발 현황

    Current Status of Technical Development for TBM Simulator

    최순욱, 이철호, 강태호, 장수호

    Soon-Wook Choi, Chulho Lee, Tae-Ho Kang, Soo-Ho Chang

    TBM의 운전 전문인력은 세계적으로 부족한 상황이며 신규 인력의 시공경험 부족은 각종 시공리스크 발생 시 대응능력 저하를 가져올 수 있다. TBM 시공품질이 TBM ...

    Professional TBM Operator is in short supply worldwide, and insufficient construction experience of new personnel using TBM can lead to a decline ...

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    TBM의 운전 전문인력은 세계적으로 부족한 상황이며 신규 인력의 시공경험 부족은 각종 시공리스크 발생 시 대응능력 저하를 가져올 수 있다. TBM 시공품질이 TBM 운전자의 숙련도와 경험에 크게 좌우되는 점과 숙련인력 부족에 의한 생산성 저하, 숙련도 저하에 의한 안전성 저하는 TBM산업에서의 자주 거론되는 문제점이다. 이를 위해 국외의 몇 개 업체와 기관에서 시뮬레이터를 개발하였고 국내에서도 시뮬레이터 개발이 이루어지고 있다. 국제터널협회에서는 강의실 교육, e-learning, 시뮬레이터 교육 및 현장실습을 포함하는 포괄적인 교육을 계획하고 있다. 국내외 진행상황으로 볼 때, TBM 운전자 교육 및 인증 또는 라이센스를 통한 공식적인 교육 인정은 멀지 않은 미래에 표준이 될 것으로 예상된다.


    Professional TBM Operator is in short supply worldwide, and insufficient construction experience of new personnel using TBM can lead to a decline in response capabilities when various construction risks occur. The fact that the TBM construction quality greatly depends on the skill and experience of the TBM operator, and the decrease in productivity due to insufficient skilled manpower, and the decrease in safety due to the decrease in skill level are frequently discussed problems in the TBM industry. To this end, several overseas companies and organizations have developed simulators, and a simulator is being developed in Korea. The International Tunneling Association is planning a comprehensive training, including classroom training, e-learning, simulator training and field training. Given the progress at home and abroad, TBM driver training and formal recognition of training through certification or licensing is expected to become the norm in the near future.

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    October 2020
  • Original Article

    MX80 벤토나이트 펠렛의 열-수리-역학적 복합거동 모델링

    Numerical Modeling of Coupled Thermo-hydro-mechanical Behavior of MX80 Bentonite Pellets

    이창수, 최희주, 김건영

    Changsoo Lee, Heui-Joo Choi, Geon-Young Kim

    MX80 벤토나이트 펠렛에서의 열-수리-역학적 복합거동 특성을 파악하고자 TOUGH2-FLAC3D 시뮬레이터를 이용하여 스페인 CIEMAT에서 수행된 컬럼 시험에 대한 수치해석을 수행하였다. 수치해석에서는 실험실에서 사용된 것과 ...

    Numerical simulations of CIEMAT column test in Spain are performed to investigate the coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behavior of MX80 bentonite pellets using ...

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    MX80 벤토나이트 펠렛에서의 열-수리-역학적 복합거동 특성을 파악하고자 TOUGH2-FLAC3D 시뮬레이터를 이용하여 스페인 CIEMAT에서 수행된 컬럼 시험에 대한 수치해석을 수행하였다. 수치해석에서는 실험실에서 사용된 것과 동일한 히터 파워와 물 주입압을 경계조건으로 설정하고 해석을 수행하였다. 사용된 열-수리 모델이 벤토나이트 펠렛의 복합거동 예측에 적용하기 적합한지 판단하기 위해 가열과 물 주입에 의한 벤토나이트 펠렛에서의 온도와 상대습도 변화를 시간 경과에 따라 잘 예측할 수 있는지를 살펴보았다. 계산된 결과가 계측된 온도와 상대습도 변화 경향을 적절하게 재현 할 수 있었기 때문에 사용된 열-수리 모델은 벤토나이트 펠렛의 열-수리 복합거동을 예측하고 재현하기에 적절한 것으로 판단된다. 하지만, 물 주입 이후의 계산된 응력변화가 상대적으로 작고 느리게 변화되는 것으로 보아 사용된 탄성모델과 스웰링 모델에 한계점이 존재하는 것으로 보이며, 사용된 두 역학 모델로 완충재의 복잡한 열-수리-역학적 복합거동을 현실적으로 재현하기에 부족한 것으로 판단된다.


    Numerical simulations of CIEMAT column test in Spain are performed to investigate the coupled thermo-hydro-mechanical (THM) behavior of MX80 bentonite pellets using TOUGH2-FLAC3D. The heater power and injection pressure of water in the numerical simulations are identical to those in the laboratory test. To investigate the applicability of the thermo-hydraulic (TH) model used in TOUGH2 code to prediction of the coupled TH behavior, the simulation results are compared with the observations of temperature and relative humidity with time. The tendencies of the coupled behavior observed in the test are well represented by the numerical models and the simulator in terms of temperature and relative humidity evolutions. Moreover, the performance of the models for the reproduction and prediction of the coupled TH behavior is globally satisfactory compared with the observations. However, the calculated stress change is relatively small and slow due to the limitations of the simple elastic and swelling pressure model used in numerical simulations. It seems that the two models are insufficient to realistically reproduce the complex coupled THM behavior in the bentonite pellets.

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    October 2020
  • Original Article

    자동 암종 분류를 위한 딥러닝 영상처리 기법의 적용성 검토 연구

    A Feasibility Study on Application of a Deep Convolutional Neural Network for Automatic Rock Type Classification

    추엔 팜, 신휴성

    Chuyen Pham, Hyu-Soung Shin

    암종 분류은 현장의 지질학적 또는 지반공학적 특성 파악을 위해 요구되는 매우 기본적인 행위이나 암석의 성인, 지역, 지질학적 이력 특성에 따라 동일 암종이라 ...

    Rock classification is fundamental discipline of exploring geological and geotechnical features in a site, which, however, may not be easy works because ...

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    암종 분류은 현장의 지질학적 또는 지반공학적 특성 파악을 위해 요구되는 매우 기본적인 행위이나 암석의 성인, 지역, 지질학적 이력 특성에 따라 동일 암종이라 하여도 매우 다양한 형태와 색 조성을 보이므로 깊은 지질학적 학식과 경험 없이는 쉬운 일은 아니다. 또한, 다른 여러 분야의 분류 작업에서 딥러닝 영상처리 기법들이 성공적으로 적용되고 있으며, 지질학적 분류나 평가 분야에서도 딥러닝 기법의 적용에 대한 관심이 증대되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 동일 암종임에도 다양한 형태와 색을 갖게 되는 실제 상황을 감안하여, 정확한 자동 암종 분류를 위한 딥러닝 기법의 적용 가능성에 대해 검토하였다. 이러한 기법은 향후에 현장 암종분류 작업을 수행하는 현장 기술자들을 지원할 수 있는 효과적인 툴로 활용 가능할 것이다. 본 연구에서 사용된 딥러닝 알고리즘은 매우 깊은 네트워크 구조로 객체 인식과 분류를 할 수 있는 것으로 잘 알려진 'ResNet' 계열의 딥러닝 알고리즘을 사용하였다. 적용된 딥러닝에서는 10개의 암종에 대한 다양한 암석 이미지들을 학습시켰으며, 학습 시키지 않은 암석 이미지들에 대하여 84% 수준 이상의 암종 분류 정확도를 보였다. 본 결과로 부터 다양한 성인과 지질학적 이력을 갖는 다양한 형태와 색의 암석들도 지질 전문가 수준으로 분류해 낼 수 있는 것으로 파악되었다. 나아가 다양한 지역과 현장에서 수집된 암석의 이미지와 지질학자들의 분류 결과가 학습데이터로 지속적으로 누적이 되어 재학습에 반영된다면 암종분류 성능은 자동으로 향상될 것이다.


    Rock classification is fundamental discipline of exploring geological and geotechnical features in a site, which, however, may not be easy works because of high diversity of rock shape and color according to its origin, geological history and so on. With the great success of convolutional neural networks (CNN) in many different image-based classification tasks, there has been increasing interest in taking advantage of CNN to classify geological material. In this study, a feasibility of the deep CNN is investigated for automatically and accurately identifying rock types, focusing on the condition of various shapes and colors even in the same rock type. It can be further developed to a mobile application for assisting geologist in classifying rocks in fieldwork. The structure of CNN model used in this study is based on a deep residual neural network (ResNet), which is an ultra-deep CNN using in object detection and classification. The proposed CNN was trained on 10 typical rock types with an overall accuracy of 84% on the test set. The result demonstrates that the proposed approach is not only able to classify rock type using images, but also represents an improvement as taking highly diverse rock image dataset as input.

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    October 2020
  • Original Article

    주방식 광산의 패널 광주 수직응력 추정을 위한 수치해석 연구

    Numerical Study on Vertical Stress Estimation for Panel Pillars at Room and Pillar Mines

    윤동호, 송재준

    Dong-Ho Yoon, Jae-Joon Song

    본 연구에서는 3차원 유한차분법(FDM) 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 주방식 채광장을 모사하고 채굴적 형성에 의한 현지응력 교란으로 광주에 집중되는 수직응력의 변화를 분석하였다. 오차율과 ...

    This paper examines the vertical stress change concentrated on mine pillar which occurs due to the stress disturbance from opening excavation at ...

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    본 연구에서는 3차원 유한차분법(FDM) 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 주방식 채광장을 모사하고 채굴적 형성에 의한 현지응력 교란으로 광주에 집중되는 수직응력의 변화를 분석하였다. 오차율과 해석시간을 고려하여 적절한 조합의 요소망 크기를 선정하고 지류론 암반을 모사하여 요소망 조합과 개발 심도에 따른 해석 성능을 검증하였다. 본 해석에서는 개발 영역 내에 1개(1×1)~ 121개(11×11)의 패널 광주가 생성되도록 채굴적을 형성하여 가장 높은 수준의 응력집중이 발생하는 중앙부 광주의 상부 수평단면에 작용하는 수직응력을 측정하였다. 40 m~320 m까지 40 m 단위로 굴착심도를 변경하여 동일한 과정을 반복 수행하였다. 해석 결과, 개발 규모(NP)가 클수록, 개발심도(HOB)가 작을수록 중앙부 광주의 수직응력 값이 지류론 추정값에 가까워지는 것을 확인하였다. 또한, 개발 규모가 작고 대심도인 경우에는 지류론에 의한 추정 시 수직응력이 과대평가될 수 있으며, 동일한 개발규모인 경우 심도가 증가할수록 수직응력계수(VSF)가 일정한 값으로 수렴하는 경향이 있음을 확인하였다.


    This paper examines the vertical stress change concentrated on mine pillar which occurs due to the stress disturbance from opening excavation at room and pillar mine by FLAC3D, a finite difference method (FDM) software. The mesh size combination is decided with a careful consideration of relative error and run-time, then its performance is verified. A series of numerical analyses is conducted and the vertical stress at central pillar was observed for the test cases of 1×1 to 11×11 mine pillars, 40 m to 320 m depth with 40 m difference. The results show that the vertical stress of pillar approaches to the similar value with the value estimated by tributary area theory(TAT) when the development area (NP) is increased or the height of overburden (HOB) is decreased, while it is overestimated in the opposite case. Furthermore, it also represents that the vertical stress factor (VSF) converges to a specific value when the depth is increased whille keeping the development area identical.

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    October 2020
  • Original Article

    개별요소법과 유한차분법 연계 해석을 이용한 EPB TBM 굴진해석 Part Ⅰ: 모델링

    Numerical Analysis of EPB TBM Driving using Coupled DEM-FDMPart Ⅰ: Modeling

    최순욱, 이효범, 최항석, 장수호, 강태호, 이철호

    Soon-wook Choi, Hyobum Lee, Hangseok Choi, Soo-Ho Chang, Tae-Ho Kang, Chulho Lee

    EPB TBM의 굴진을 수치적으로 해석하기 위해 개별요소법(DEM, discrete element method), 유한요소법(FEM, finite element method), 유한차분법(FDM, finite difference method) 등과 ...

    To numerically simulate the advance of EPB TBM, various type of numerical analysis methods have been adopted including discrete element method (DEM ...

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    EPB TBM의 굴진을 수치적으로 해석하기 위해 개별요소법(DEM, discrete element method), 유한요소법(FEM, finite element method), 유한차분법(FDM, finite difference method) 등과 같은 다양한 수치해석 기법이 적용되어 왔다. 본 논문에서는 이중 개별요소법과 유한차분법을 연계하는 방식을 채택하여 EPB TBM 굴진해석 모델링 방법을 제시하였다. 제시한 개별요소법-유한차분법 연계 TBM 굴진해석 모델에서 TBM이 굴착하는 굴착부는 개별요소법을 적용하였으며, 입자 접촉 물성치의 경우 일련의 삼축압축시험을 통해 교정하였다. 굴착부 주변지반은 유한차분법을 연계시켜 정지토압계수를 고려하여 굴착부에 수평지중응력을 구현할 수 있도록 하였다. 또한, 이를 통해 소요 입자 개수를 감소시켜 모델의 해석효율을 증대시켰다. 본 논문에서 제시한 수치해석 모델은 TBM의 굴진율, 커터헤드 및 스크류 컨베이어 회전속도 등을 조절할 수 있으며 TBM 굴진 중 토크, 추력, 챔버압, 배토량을 도출해 낼 수 있다.


    To numerically simulate the advance of EPB TBM, various type of numerical analysis methods have been adopted including discrete element method (DEM), finite element method (FEM), and finite difference method (FDM). In this paper, an EPB TBM driving model was proposed by using coupled DEM-FDM. In the numerical model, DEM was applied in the TBM excavation area, and contact properties of particles were calibrated by a series of triaxial tests. Since the ground around the excavation area was coupled with FDM, the horizontal stress considering the coefficient of earth pressure at rest could be applied. Also, the number of required particles was reduced and the efficiency of the analysis was increased. The proposed model can control the advance rate and rotational speed of the cutter head and screw conveyor, and derive the torque, thrust force, chamber pressure, and discharging during TBM tunnelling.

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    October 2020
  • Original Article

    개별요소법과 유한차분법 연계 해석을 이용한 EPB TBM 굴진해석 Part Ⅱ: 매개변수 해석

    Numerical Analysis of EPB TBM Driving using Coupled DEM-FDMPart Ⅱ: Parametric Study

    최순욱, 이효범, 최항석, 장수호, 강태호, 이철호

    Soon-wook Choi, Hyobum Lee, Hangseok Choi, Soo-Ho Chang, Tae-Ho Kang, Chulho Lee

    EPB TBM의 굴진성능 예측은 터널 시공성 향상을 위해 매우 중요하며, 따라서 현재까지 TBM 굴진을 수치해석적으로 모사하기 위한 다양한 시도들이 이루어져 왔다. 본 ...

    A prediction of the performance of EPB TBM is significant for improving the constructability of tunnels. Thus, various attempts to simulate TBM ...

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    EPB TBM의 굴진성능 예측은 터널 시공성 향상을 위해 매우 중요하며, 따라서 현재까지 TBM 굴진을 수치해석적으로 모사하기 위한 다양한 시도들이 이루어져 왔다. 본 논문에서는 EPB TBM의 운전조건에 따른 굴진성능을 평가하기 위해 개별요소법(DEM, discrete element method)과 유한차분법(FDM, finite difference method)을 연계한 수치해석 모델을 사용하여 운전조건을 변경해가며 매개변수 해석을 수행하였다. 해석은 커터헤드의 회전속도를 2 rpm으로 일정하게 유지한 상태에서 굴진속도를 0.5, 1.0 mm/sec, 스크류 컨베이어의 회전속도를 5, 15, 25 rpm으로 조건을 변경해가며 수행되었다. 운전조건의 변화에 따라 측정되는 토크, 추력, 챔버압, 배토량을 비교하였으며 매개변수 해석 결과를 통해 개별요소법-유한차분법 연계 TBM 굴진해석 모델을 사용하여 최적 TBM 운전조건을 예측할 수 있음을 나타냈다.


    A prediction of the performance of EPB TBM is significant for improving the constructability of tunnels. Thus, various attempts to simulate TBM excavation by the numerical method have been made until these days. In this paper, to evaluate the performance of TBM with different operating conditions, a parametric study was carried out using coupled discrete element method (DEM) and finite difference method (FDM) EPB TBM driving model. The analysis was conducted by changing the penetration rate (0.5 and 1.0 mm/sec) and the rotational speed of screw conveyor (5, 15, and 25 rpm) while the rotation velocity of the cutter head kept constant at 2 rpm. The torque, thrust force, chamber pressure, and discharging with different TBM operating conditions were compared. The result of parametric study shows that the optimum driving condition can be determined by the coupled DEM-FDM numerical model.

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    October 2020