유한규 연구실은 지반공학을 기반으로 터널 및 지하공간의 설계·시공 안정성, 암반 및 지반의 역학적 거동 평가, 수치해석 기반 지보 설계, 그리고 토목합성재료를 활용한 배수·보강 기술을 연구하며, 복잡한 지질 조건에서의 안전한 인프라 구축을 위한 이론과 실무를 아우르는 연구를 수행하고 있다.
Prediction of Settlement Due to Shield TBM Tunneling Based on Three-Dimensional Numerical Analysis
Ji-Seok Yun, Hankyu Yoo, Sung-Pil Hwang, Wooseok Kim, Han-eol Kim
IF 3.1
Buildings
The Tunnel Boring Machine (TBM) method has gained attention as an eco-friendly tunneling technique, effectively reducing noise, vibration, and carbon emissions compared to conventional blasting methods. However, ground settlement and volume loss are inevitable during TBM excavation due to the deformation of the surrounding ground, which may even lead to ground collapse in severe cases. In this study, a Shield TBM model, validated using field data, was employed to perform numerical analyses on parameters such as tunnel diameter, ground elastic modulus, face pressure, and backfill pressure. Based on the simulation results, the influence of each parameter on settlement was evaluated, and a predictive model for estimating maximum settlement was developed. The proposed model was statistically validated using p-value assessment, variance inflation factor (VIF), coefficient of determination (R2), and residual analysis. Furthermore, the prediction model showed high agreement with the field data, yielding a prediction error of 8.25%. This study emphasizes the applicability of verified numerical modeling for accurately predicting ground settlement in Shield TBM tunneling and provides a reliable approach for settlement prediction under varying construction conditions.
Three-Dimensional Modeling and Analysis of Ground Settlement Due to Twin Tunneling Using GIS
Ji-Seok Yun, Han-eol Kim, Hankyu Yoo
IF 3.3
Sustainability
Ground settlement occurs because of the surrounding ground behavior during tunnel excavation. A high chance of its occurrence could cause the collapse of buildings; therefore, the accurate prediction and assessment of ground settlement are necessary when structures are concentrated in urban regions. This study leverages Geographic Information Systems (GIS) and 3D modeling to evaluate the effects of tunnel excavation on the ground settlement and damage of buildings along the Mandeok–Centum underground highway in Busan. It integrates the field topography with building data to simulate and visualize construction-induced interactions. Numerical analysis is used to assess the effects of the terrain elevation, building presence, excavation sequences, and lag distance between the twin tunnels on the settlement. The results indicate that high terrain elevation, dense building layouts, and shorter distances between tunnels increase settlement. Furthermore, this study deduces that bidirectional excavation causes a rapid increase in settlement compared with parallel excavation, which is evident from the variations in the inflection points during the excavation process. Finally, this study estimates the damage to buildings and ground settlements and visualizes risk maps using GIS, emphasizing the practicality of 3D modeling based on GIS.
Laboratory-Scale Limestone Rock Linear Cutting Tests with a Conical Pick: Predicting Optimal Cutting Conditions from Tool Forces
Han-eol Kim, Sung-Pil Hwang, Wan-Kyu Yoo, Wooseok Kim, Chang-yong Kim, Hankyu Yoo
IF 3.1
Buildings
This study introduces a simplified method for predicting the optimal cutting conditions to maximize excavation efficiency based on tool forces. A laboratory-scale linear rock-cutting test was conducted using a conical pick on Finike limestone. The tool forces and their ratios were analyzed in relation to cutting parameters such as penetration depth and spacing. While the cutting force (FC) and normal force (FN) increased with the penetration depth and spacing, this relationship could not predict the optimal cutting conditions. The ratio of the mean normal force to the mean cutting force (FNm/FCm) increased with the penetration depth and the ratio of spacing to penetration depth (s/d). However, even while including this relationship, predicting optimal cutting conditions remained challenging. The ratio of the peak cutting force to the mean cutting force (FCp/FCm) reached a maximum value at a specific s/d, which is similar to the relationship between the specific energy (SE) and s/d. The optimal s/d obtained through the SE methodology was found to be between 3 and 5, and FCp/FCm reached a maximum at s/d. The error between the optimal s/d and the s/d in which FCp/FCm was maximized was less than 5%. Therefore, it was confirmed that the optimal cutting conditions could be predicted through the relationship between FCp/FCm and s/d. Additionally, by using the results from previous studies, the optimal cutting conditions obtained from the SE methodology and the proposed methodology were found to agree within a margin of error of 20%. The proposed methodology can be beneficial for the design of cutter heads and the operation of excavation machines.
기존터널 확대를 위한 최적 Pre-cutting 기술개발 및 IoT 기반 시공 위험관리 시스템 개발
1차년도 연구목표는 종방향 터널확대를 위한 Pre-cutting 안정성 확보기술 개발이며, 목표에 따른 연구 내용은 3차원 FE 해석을 이용하여 지반조건에 따라 안정성을 확보할 수 있는 Pre-cutting 굴착 단면과 굴진깊이, 지보두께 산출, 지반조건 및 Pre-cutting 숏크리트와의 상호작용에 따른 2차 라이닝 설계개념을 정립, 터널확대에 따른 하중 및 설계개념에 따른 2차 라이닝 단면 도출이다. 지반조건과 굴착방향을 변수로 하여 변수에 따른 최적 Pre-cutting단면, Pre-cutting 단위 단면 전단연결 방법 및 보강, 지반-Pre-cutting 숏크리트 라이닝-2차 라이닝 설계개념 도출이 연구 성과이다.
2차년도 연구 목표는 횡방향 터널 확대를 위한 Pre-cutting 안정성 확보기술 개발이며, 목표에 따른 연구 내용은 기존터널 영향 및 손상평가를 위한 손상기준 마련(변위, 강도-응력비, 한계균열), 횡방향 터널 굴착에 따른 안정성 확보 가능한 Pre-cutting 굴착단면 도출, 지반조건 및 단면 크기에 따른 Pre-cutting 숏크리트 지보반응분석 및 보강 방안(강섬유,강지보) 도출이다. 지반조건과 굴착방향을 변수로 하여 기존터널에 영향을 최소화 한 최적 Pre-cutting단면, 기존터널의 손상평가 방법, 기존터널과 횡방향 터널의 접속부 해체 및 보강방법 도출이 연구 성과이다.
3차년도 연구 목표는 Pre-cutting을 위한 커터비트 설계 및 시공속도 평가이며, 목표에 따른 연구 내용은 지반조건에 따른 비트 배열에 따른 절삭능력 수치해석 평가, 축소화 실험을 통한 절삭 능력 실험, 비트설계에 따른 회전토크, 압력에 따른 최적 굴착깊이 및 시공 속도 평가이다. 지반조건 별 커터비트 종류 및 커터비트 간격,배열을 변수로 최적 절삭능력, 최적 배토능력, 굴착 깊이 및 굴착속도 도출이 연구 성과이다.
4차년도 연구 목표는 시공프로세스 개발 및 IoT 기반 실시간 위험관리 시스템 구축이며, 이동식 프로텍터 적정 길이 산출과 굴착기계 진입 및 시공, 현장 내 무선AP기기 구축을 통한 전 구간 IoT망 형성 및 굴진면, 터널 라이닝 변위 스캔 빅데이터의 무선AP기기송신을 통한 실시간 위험도 예측, 실시간 계측데이터를 통한 비상상활 발생시 SOS대비 체계 확립 및 실시간 교통류 차단 프로세스 구축이다. 장비상 간섭 및 시공효율, 위험 시나리오, 계측기기 및 IoT구축을 통해 최적 시공프로세스와 위험도 알고리즘, 교통통제 프로세스 정립이 연구 성과이다.
기존터널 확대를 위한 최적 Pre-cutting 기술개발 및 IoT 기반 시공 위험관리 시스템 개발
1차년도 연구목표는 종방향 터널확대를 위한 Pre-cutting 안정성 확보기술 개발이며, 목표에 따른 연구 내용은 3차원 FE 해석을 이용하여 지반조건에 따라 안정성을 확보할 수 있는 Pre-cutting 굴착 단면과 굴진깊이, 지보두께 산출, 지반조건 및 Pre-cutting 숏크리트와의 상호작용에 따른 2차 라이닝 설계개념을 정립, 터널확대에 따른 하중 및 설계개념에 따른 2차 라이닝 단면 도출이다. 지반조건과 굴착방향을 변수로 하여 변수에 따른 최적 Pre-cutting단면, Pre-cutting 단위 단면 전단연결 방법 및 보강, 지반-Pre-cutting 숏크리트 라이닝-2차 라이닝 설계개념 도출이 연구 성과이다.
2차년도 연구 목표는 횡방향 터널 확대를 위한 Pre-cutting 안정성 확보기술 개발이며, 목표에 따른 연구 내용은 기존터널 영향 및 손상평가를 위한 손상기준 마련(변위, 강도-응력비, 한계균열), 횡방향 터널 굴착에 따른 안정성 확보 가능한 Pre-cutting 굴착단면 도출, 지반조건 및 단면 크기에 따른 Pre-cutting 숏크리트 지보반응분석 및 보강 방안(강섬유,강지보) 도출이다. 지반조건과 굴착방향을 변수로 하여 기존터널에 영향을 최소화 한 최적 Pre-cutting단면, 기존터널의 손상평가 방법, 기존터널과 횡방향 터널의 접속부 해체 및 보강방법 도출이 연구 성과이다.
3차년도 연구 목표는 Pre-cutting을 위한 커터비트 설계 및 시공속도 평가이며, 목표에 따른 연구 내용은 지반조건에 따른 비트 배열에 따른 절삭능력 수치해석 평가, 축소화 실험을 통한 절삭 능력 실험, 비트설계에 따른 회전토크, 압력에 따른 최적 굴착깊이 및 시공 속도 평가이다. 지반조건 별 커터비트 종류 및 커터비트 간격,배열을 변수로 최적 절삭능력, 최적 배토능력, 굴착 깊이 및 굴착속도 도출이 연구 성과이다.
4차년도 연구 목표는 시공프로세스 개발 및 IoT 기반 실시간 위험관리 시스템 구축이며, 이동식 프로텍터 적정 길이 산출과 굴착기계 진입 및 시공, 현장 내 무선AP기기 구축을 통한 전 구간 IoT망 형성 및 굴진면, 터널 라이닝 변위 스캔 빅데이터의 무선AP기기송신을 통한 실시간 위험도 예측, 실시간 계측데이터를 통한 비상상활 발생시 SOS대비 체계 확립 및 실시간 교통류 차단 프로세스 구축이다. 장비상 간섭 및 시공효율, 위험 시나리오, 계측기기 및 IoT구축을 통해 최적 시공프로세스와 위험도 알고리즘, 교통통제 프로세스 정립이 연구 성과이다.
기존터널 확대를 위한 최적 Pre-cutting 기술개발 및 IoT 기반 시공 위험관리 시스템 개발
1차년도 연구목표는 종방향 터널확대를 위한 Pre-cutting 안정성 확보기술 개발이며, 목표에 따른 연구 내용은 3차원 FE 해석을 이용하여 지반조건에 따라 안정성을 확보할 수 있는 Pre-cutting 굴착 단면과 굴진깊이, 지보두께 산출, 지반조건 및 Pre-cutting 숏크리트와의 상호작용에 따른 2차 라이닝 설계개념을 정립, 터널확대에 따른 하중 및 설계개념에 따른 2차 라이닝 단면 도출이다. 지반조건과 굴착방향을 변수로 하여 변수에 따른 최적 Pre-cutting단면, Pre-cutting 단위 단면 전단연결 방법 및 보강, 지반-Pre-cutting 숏크리트 라이닝-2차 라이닝 설계개념 도출이 연구 성과이다.
2차년도 연구 목표는 횡방향 터널 확대를 위한 Pre-cutting 안정성 확보기술 개발이며, 목표에 따른 연구 내용은 기존터널 영향 및 손상평가를 위한 손상기준 마련(변위, 강도-응력비, 한계균열), 횡방향 터널 굴착에 따른 안정성 확보 가능한 Pre-cutting 굴착단면 도출, 지반조건 및 단면 크기에 따른 Pre-cutting 숏크리트 지보반응분석 및 보강 방안(강섬유,강지보) 도출이다. 지반조건과 굴착방향을 변수로 하여 기존터널에 영향을 최소화 한 최적 Pre-cutting단면, 기존터널의 손상평가 방법, 기존터널과 횡방향 터널의 접속부 해체 및 보강방법 도출이 연구 성과이다.
3차년도 연구 목표는 Pre-cutting을 위한 커터비트 설계 및 시공속도 평가이며, 목표에 따른 연구 내용은 지반조건에 따른 비트 배열에 따른 절삭능력 수치해석 평가, 축소화 실험을 통한 절삭 능력 실험, 비트설계에 따른 회전토크, 압력에 따른 최적 굴착깊이 및 시공 속도 평가이다. 지반조건 별 커터비트 종류 및 커터비트 간격,배열을 변수로 최적 절삭능력, 최적 배토능력, 굴착 깊이 및 굴착속도 도출이 연구 성과이다.
4차년도 연구 목표는 시공프로세스 개발 및 IoT 기반 실시간 위험관리 시스템 구축이며, 이동식 프로텍터 적정 길이 산출과 굴착기계 진입 및 시공, 현장 내 무선AP기기 구축을 통한 전 구간 IoT망 형성 및 굴진면, 터널 라이닝 변위 스캔 빅데이터의 무선AP기기송신을 통한 실시간 위험도 예측, 실시간 계측데이터를 통한 비상상활 발생시 SOS대비 체계 확립 및 실시간 교통류 차단 프로세스 구축이다. 장비상 간섭 및 시공효율, 위험 시나리오, 계측기기 및 IoT구축을 통해 최적 시공프로세스와 위험도 알고리즘, 교통통제 프로세스 정립이 연구 성과이다.