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- P-ISSN2233-8292
- E-ISSN2287-4747
- KCI
11권 1호
초록
절리암반에서 기존 터널에 근접하여 사면굴착시 터널의 거동은 절리와 굴착사면상태의 영향을 받는다. 본 논문에서는 기존터널에 근접하여 지반을 굴착시, 절리각도와 굴착사면 경사의 영향을 파악하기 위하여 2축 실대형 모형시험장치(3.1 m*3.1 m*0.50 m(폭*높이*길이))를 이용한 시험을 수행하였다. 절리암반은 콘크리트 블록을 사용하여 모사하였으며 터널은 1/10축척(직경 0.6 m)으로 제작하였다. 절리각도는 0°부터 90°까지 변경이 가능하며, 굴착사면 경사는 30°에서부터 90°까지 가능하도록 되어 있다. 실대형 시험을 통하여 절리각도와 사면경사에 따른 터널거동과 수평지중변위를 계측, 분석하였다. 분석결과 절리각도와 사면경사가 크면 클수록, 터널 내공변위와 터널 라이닝 모멘트가 커지는 경향이 있었으며 수평지중변위 또한 절리각도와 사면경사에 많은 영향을 받고 있어 향후 사면보강에 있어 효율적 방안제시를 위한 기초자료로 활용이 가능할 것이다.
Abstract
When a rock slope is excavated adjacent to a existing tunnel, the behavior of the existing tunnel in the jointed rock masses is greatly influenced by the joint conditions and slope status. In this study, the effects of joint dip and slope angle close to a tunnel are investigated through a large scale model using a biaxial test equipment (3.1 m x 3.1 m x 0.50 m (width x height x length)). The jointed rock masses were built by concrete blocks. The diameter of the modeled tunnel is 0.6 m and the dip angles of joint vary in the range of 0-90°. In addition, the excavated slope angle varies within 30~90°. Deformational behaviors of the tunnel were analyzed in consideration of joint dip and slope angle. With increase of the joint dip and slope angle, the magnitude of tunnel distortion and the moment of tunnel lining were increased. Rock mass displacement in horizontal was also dependent on the joint dip and the excavated slope angle, which indicated the optimal slope reinforcement for a specific rock mass conditions.
초록
터널 굴착 대상지반의 강도 및 강성이 낮은 경우 막장안정성을 확보하기 위해 분할굴착공법 또는 적절한 보조공법을 병용한다. 본 연구에서는 기존 문헌을 중심으로 막장평가 기법에 대해 정리하고 보조벤치 병용 전단면공법 적용 시 지반의 변형·강도특성에 따른 막장보강의 필요성 유무와 보조공법으로 페이스볼트를 채택할 경우 타설 길이, 타설 밀도, 보강 범위에 따라 막장 및 막장주변지반에 어떠한 영향이 발생되는지를 알아보기 위해 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 막장 안정성에 대해 문헌에 의한 이론적인 평가기법과 FEM수치해석결과를 비교 분석한 결과 상대적인 차이는 있으나 막장볼트를 통한 막장안정의 효과에는 일치하는 경향을 보였다. 검토대상 지반조건에 대해 막장볼트의 타설형태는 길이 1.0D(D: 터널 폭)이상, 격자상 타설(1개/1.5 ㎡), 상부 반단면 120°보강시 가장 효과적인 것으로 분석되었다.
Abstract
Tunnel excavation with several sections and appropriate auxiliary measures such as face bolt and pre-grouting are widely used in case of weak and less rigid ground for the stability of a tunnel face during excavation. This papers first described the evaluation methods proposed in technical literature to maintain the tunnel face stable, and then studied by FEM analysis whether face reinforcement is need in what degree of ground deformation and strength features for the stability of a tunnel face when excavating by full excavation with sub-bench. Lastly, a three dimensional FEM analysis was performed to study how the tunnel face itself and the ground around the tunnel behave depending on different bolt layouts, length of bolts, number of bolts. There were relative differences in comparison of results on the stability of a tunnel face by a theoretical evaluation methods and FEM analysis, but the same in reinforced effect of face. It was found that the stability of a tunnel face can be obtained with face bolt installed longer than 1.0D (tunnel width), bolt density of about 1 bolt per every 1.5 ㎡ (layout of grid type), and reinforcement area of 120° arch area of upper section.
초록
본 연구는 터널의 주 지보재인 숏크리트의 휨응력을 측압계수 변화에 따라 파악하기 위해 수행되었다. 이를 위해 1차로 마제형인 도로터널과 유사한 크기의 터널모형을 제작하여 수행하였으며 실험 결과를 3차원 수치해석으로 검증하였다. 실험의 하중재하를 위해 다양한 하중조건의 모사가 가능하도록 개별조절이 가능한 가압실린더 11개를 사용하였다. 측압계수를 0.5, 1.0 및 2.0으로 하여 3번의 실험을 수행하였으며 각 실험에서 측정된 숏크리트 휨응력이 수치해석에서 계산된 휨응력과 비교･분석되었다. 그 결과 수치해석에서 얻은 휨압축응력은 실험과 유사한 결과를 보였지만, 휨인장응력은 수치해석 시 약간 과대평가되는 것을 알 수 있었다.
Abstract
This study was performed to investigate the bending stresses of tunnel shotcrete as a function of the coefficient of lateral earth pressure. To perform this study, a large scale model tunnel with an one-lane horseshoe shaped road tunnel was prepared. The 3 dimensional numerical analyses were carried out to verify the results obtained from the model tests. For the loading system during the tests, 11 cylinder pressure jacks which can be controlled individually were used to simulate various loading conditions. The tests were preformed three times with three different lateral earth pressure coefficients of 0.5, 1.0 and 2.0. The bending stresses of shotcrete measured in tests were compared and analyzed with those calculated from numerical analyses. As a result, it was found that the bending compressive stresses obtained from numerical analyses were similar to those of tunnel model tests and bending tensile stresses were slightly overestimated during numerical analyses.
초록
본 연구는 대형･대단면 터널 라이닝 구조물에 적용하기 위해 50 MPa급 고성능 콘크리트의 개발 및 적용을 위한 실험을 수행하였다. 이를 위해 플라이애쉬와 고로슬래그미분말을 1종 시멘트 단위량의 50%까지 치환한 8종의 배합을 선정하여, 8종의 배합의 역학적 특성에 관한 실험과 간이 단열온도 상승실험을 실시하였다. 또한 정량적인 평가를 위해 8종의 배합 중 1종 시멘트만을 사용한 배합(OPC) 및 2성분계 배합과 3성분계 배합중 각각 1종(BS30, F15S35)을 재선정하여 단열온도 상승실험과 Mock-up 실험을 수행하였다. 실물 부재 크기의 시험체의 수화열 측정결과는 유한요소해석과 비교하여 해석루틴의 신뢰도 향상을 기대할 수 있었다.
Abstract
In this study, experiments of development and application of 50 MPa high-performance concrete are performed for large dimensional tunnel linings. In order to produce 50 MPa high-performance concrete, eight optimal mixtures replacing with fly ash and ground granulated blast furnace slag up to 50 percent of type I Portland cement were selected then tests for mechanical properties and simple adiabatic temperature rise tests were carried out. And in order to assess the quantitative characteristics of heat of hydrations of developed mixtures, three mixtures that the type I Portland cement (OPC) and each one mixture of binary and ternary mixtures (BS30, F15S35) were reselected, then the adiabatic temperature rise tests and mock-up tests were performed. Consequently, the comparisons between the results of mock-up tests and finite element analysis can be enhanced the reliability of analyzing routines of thermal behaviours of the developed high-performance concrete.
초록
록볼트는 숏크리트와 함께 지하구조물의 주지보재로써 중요한 역할을 수행한다. 따라서 록볼트에 발생된 공동결함은 지하구조물의 안정성에 영향을 줄 수 있다. 최근 록볼트 건전도 평가를 위한 비파괴 검사 방법들 중 피에조 디스크 엘리먼트와 음향방출센서를 사용하는 유도초음파의 투과법과 반사법이 우수한 결과를 보여 주었다. 하지만 피에조 디스크 엘리먼트에서 발생되는 파는 현장에 적용하기에 부족한 에너지의 크기를 가진다. 또한 투과법의 경우 현장에서 록볼트 시공시 피에조 디스크 엘리먼트를 철근 끝단에 설치하여 시공하여야 한다. 본 연구의 목적은 충분한 에너지를 발생시킬 수 있는 유도초음파의 반사법을 개발하고 이를 현장에 시공된 록볼트의 건전도를 평가에 적용하는 것이다. 본 연구는 실내실험과 현장실험으로 수행되었다. 충분한 에너지를 갖는 유도초음파를 록볼트 두부에 자국정을 대고 해머로 타격하여 발생시켰으며, 이를 음향방출센서로 수신하였다. 측정된 신호의 분석을 위해 웨이브렛 변환을 이용하였다. 웨이브렛 변환의 최고점으로부터 에너지 속도를 산정하여 록볼트의 건전도를 평가하였다. 유도초음파의 에너지 속도는 실내에 설치된 록볼트 실험체와 현장에 시공된 록볼트의 결함비율이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과는 해머 타격방법이 현장에서 록볼트 건전도 평가에 유용한 방법이 될 수 있음을 보여 준다.
Abstract
Rock bolts and shotcrete play a crucial role as a main support system in the underground space. Thus, the safety of the underground space may be affected by the defect of rock bolts. In order to evaluate the rock bolt integrity by using non-destructive technique, the transmission method of the guided ultrasonic waves, which are generated by using the piezo disk elements has been successfully performed. The energy generated by the piezo disk elements, however, is not enough for the rock bolts in the field. In addition, the piezo disk elements should be installed at the end of the steel bar during construction of the rock bolts. The purpose of this study is the devolvement of the reflection method, which may generate enough energy, and the application in the field rock bolts. Both laboratory and field tests are carried out. The guided ultrasonic waves with high energy are generated by the hammer impact with the center punch, and the AE sensor is used to measure the reflected guided waves. The received guided waves are analyzed by the wavelet transform. The peak value of the wavelet transform produces the energy velocity, which is used for the evaluation of the rock bolt integrity. The energy velocity increases with an increase in the defect ratio in both laboratory and field rock bolts. This study demonstrates that the hammer-impact reflection method may be a suitable method for the evaluation of the rock bolt in the field.
초록
UAM(Umbrella Arch Method)의 효과 및 역학적 보강메커니즘에 대한 연구는 국내외에서 수치해석 및 실험 등을 통하여 상당한 진척이 이루어졌으나 실제 설계 및 적용에 있어서는 아직도 3차원 해석의 해석시간과 복잡성 등의 제약 때문에 UAM의 보강영역과 지반과의 환산물성을 이용하는 정량적이지 못한 2차원해석이 주로 사용되고 있다. 이러한 이유로 합리적, 이론적, 정량적이면서도 손쉽게 수행할 수 있는 설계 및 해석기법이 요구되고 있다. 본 연구에서는 UAM의 보강효과가 미치는 범위를 파악하고 그라우팅 전･후의 강관주변지반 물성변화를 파악하기 위하여 연직방향의 UAM 현장실험 및 실내시험을 수행하였다. 풍화토, 풍화암 지반에 UAM 적용시 그라우트의 주입에 의한 주변지반의 물성치 증가는 미미하며, 강관외부와 천공구경 사이의 공간 및 강관내부에 형성된 시멘트구근과 강관의 강성만이 지반보강 효과에 기여한다는 것을 확인하였다. 이러한 결과와 내공변위제어법(CCM; Convergence Confinement Method) 개념을 바탕으로, 2차원 축대칭해석을 실시하여 막장효과, UAM효과와 지보재효과를 종단변위곡선(LDP)으로 나타내었다. 또한, 2차원 평면변형률 해석시 UAM의 지보효과를 내압의 크기로 변환하여 이를 고려하는 하중분담법을 제안하였다. 이 방법과 기존의 등가환산물성을 적용하는 해석을 비교한 결과, 지반조건, 터널의 심도 및 크기, 강관조건, 초기응력상태 등에 따라 차이가 있지만, 기존의 해석방법에서의 변위량이 새로운 방법에 비해 더 크게 발생하는 것으로 나타나, UAM의 종방향 빔 지지효과를 제대로 평가하지 못하는 것으로 나타났다.
Abstract
Considerable advance has been made on research on effect of steel pipe Umbrella Arch Method (UAM) and mechanical reinforcement mechanism through numerical analyses and experiments. Due to long analysis time of three-dimensional analysis and its complexity, un-quantitative two-dimensional analysis is dominantly used in the design and application, where equivalent material properties of UAM reinforced area and ground are used , For this reason, development of reasonable, theoretical, quantitative and easy to use design and analysis method is required. In this study, both field UAM tests and laboratory tests were performed in the residual soil to highly weathered rock; field tests to observe the range of reinforcement, and laboratory tests to investigate the change of material properties between prior to and after UAM reinforcement. It has been observed that the increase in material property of neighboring ground is negligible, and that only stiffness of steel pipe and cement column formed inside the steel pipe and the gap between steel pipe and borehole contributes to ground reinforcement. Based on these results and concept of Convergence Confinement Method (CCM), two dimensional axisymmetric analyses have been performed to obtain the longitudinal displacement profile (LDP) corresponding to arching effect of tunnel face, UAM effect and effect of supports. In addition, modified load distribution method in two dimensional plane-strain analysis has been suggested, in which effect of UAM is transformed to internal pressure and modified load distribution ratios are suggested. Comparison between the modified method and conventional method shows that larger displacement occur in the conventional method than that in the modified method although it may be different depending on ground condition, depth and size of tunnel, types of steel pipe and initial stress state. Consequently, it can be concluded that the effect of UAM as a beam in a longitudinal direction is not considered properly in the conventional method.
초록
숏크리트는 터널에서 적용되는 중요한 주지보재이다. 숏크리트의 품질평가는 터널의 안전한 시공과 효과적인 운영을 위한 핵심 요소이다. 숏크리트가 암반에 적절히 타설되었다 하더라도, 막장 및 벤치부에서의 발파, 수축, 지반의 변형 등으로 인해 숏크리트 균열발생 및 배면공동 등의 문제를 야기한다. 본 논문에서는 비파괴 시험인 충격 반향 기법(Impact-Echo) 및 지하레이다 탐사(GPR)를 이용하여 경암에 타설된 숏크리트 배면의 접착상태를 평가하고자 하였다. 기존의 수치해석 연구에 대한 검증과 더불어 현장 적용성에 대한 검토를 위해 실험적 연구를 수행하였다. 숏크리트의 접착상태는 완전 접착, 접착력 상실 및 공동 조건으로 구분할 수 있다. 실내 실대형 시험체에 이 세가지 숏크리트 접착상태를 모사하였다. 충격반향시험으로부터 획득된 신호는 시간영역, 주파수 영역, 및 시간-주파수 영역에서 각각 분석되었다. 능동적 신호 처리 기법인 Short-Time Fourier Transform(STFT)을 이용하여 숏크리트 배면의 접착상태를 효과적으로 예측할 수 있었으며, 그 결과는 기존의 수치해석 연구로부터 획득한 신호특성과 잘 부합 하였다. 숏크리트 배면의 접착상태가 불량할수록 다음과 같은 특징들을 나타낸다. 즉, 주파수 영역에서 자기스펙트럼밀도가 커지며, 기하학적 감쇠비는 감소하고, 시간-주파수 영역에서 윤곽선은 시간축에 평행한 형상을 나타내며, 숏크리트 두께가 얇을수록 그 공진시간이 길어진다. 또한 본 연구에서 제시한 상관계수를 이용하여 숏크리트의 접착상태를 정량적으로 평가할 수 있다. 본 연구 결과를 바탕으로 숏크리트의 접착상태를 평가할 수 있는 평가 기법 및 평가 기준을 제안하였다.
Abstract
Shotcrete is an important primary support for tunnelling in rock. The quality control of shotcrete is a core issue in the safe construction and maintenance of tunnels. Although shotcrete may be applied well initially onto excavated rock surfaces, it is affected by blasting, rock deformation and shrinkage and can debond from the excavated surface, causing problems such as corrosion, buckling, fracturing and the creation of internal voids. This study suggests an effective non-destructive evaluation method of the tunnel shotcrete bonding state applied onto hard rocks using the impact-echo (IE) method and ground penetration radar (GPR). To verify previous numerical simulation results, experimental study carried out. Generally, the bonding state of shotcrete can be classified into void, debonded, and fully bonded. In the laboratory, three different bonding conditions were modeled. The signals obtained from the experimental IE tests were analyzed at the time domain, frequency domain, and time-frequency domain (i.e., the Short-Time Fourier transform). For all cases in the analyses, the experimental test results were in good agreement with the previous numerical simulation results, verifying this approach. Both the numerical and experimental results suggest that the bonding state of shotcrete can be evaluated through changes in the resonance frequency and geometric damping ratio in a frequency domain analysis, and through changes in the contour shape and correlation coefficient in a time-frequency analysis: as the bonding state worsens in hard rock condition, the autospectral density increases, the geometric damping ratio decreases, and the contour shape in the time-frequency domain has a long tail parallel to the time axis. The correlation coefficient can be effectively applied for a quantitative evaluation of bonding state of tunnel shotcrete. Finally, the bonding state of shotcrete can be successfully evaluated based on the process suggested in this study.
초록
도심에서 지하구조물, 고층빌딩의 건설은 기존 지하철 터널의 근접시공이 수반되는 경우가 많다. 이 경우 지하철 구조물의 정적･동적인 안정성이 동시에 확보 되도록 하여야 하며 국내에서는 일반적으로 정적인 관리 기준만 제시되었다. 하지만, 도심지 근접시공이 많은 굴착 제약 조건하에서도 발파를 수행되는 경우가 대부분이므로 동적 가이드라인 또한 필요하다. 본 연구에서는 수치해석을 활용하여 발파진동에 따른 영향을 검토하고, 발파 제약영역을 추정하고자 하였다. 특히, 지하철 터널의 토피고 및 지반특성을 변화시켜 구조물의 최대진동속도 변화를 분석하였다. 해석결과 토피가 증가할수록 진동속도가 감소하는 결과를 보였다. 지반강성 변화 파라미터 스터디 결과 직경의 1～2배 이격 시 풍화암, 연암, 경암의 순서로 라이닝 진동속도가 더 커지는 결과를 보였지만, 이격되는 거리가 직경의 3.5배의 경우는 지반과 무관해지는 경우를 보였다. 진동규제속도인 1 cm/sec를 만족하는 발파위치 포락선 분석결과 전반적으로 지반특성이나, 심도의 차이에도 그 영향은 현저하지 않음을 보였다.
Abstract
In urban areas, blast excavation adjacent to tunnels is carried out frequently. It is generally required to secure static and dynamic stability of nearby tunnel structures for any such activities. Although there is some national guidelines for static safety, there is little guides to risk zoning controling the dynamic behavior of the underground structures. In this study, impacts on the blast-induced vibration are investigated using numerical study. An attempt to define the restricted area of blast adjacent to subway tunnels was also made. Particular concerns were given to tunnel depth and ground types. By carrying out the parametric study on depth and ground patterns, the envelope of blast distance of which dynamic response on the lining is controlled under 1 cm/sec, is established. It is shown that the increase in depth has increased the required safety distance slightly until the distance of 3.5 times of the tunnel diameter. Despite small changes in safety distance, it can be generally said that the effects of depth and stiffness of the ground is not significant in controlling the particle velocity of the tunnel linings.
초록
3-Arch터널 시공초기인 1990년대 중반에 시공된 4개소의 3-Arch터널을 대상으로 열화발생여부를 조사하였으며 그 결과 4개 터널 모두 중앙기둥측 상, 하선 아치부에서 발생형태가 유사한 종방향 균열이 조사되었다. 4개 터널 중 3개소의 터널에서는 종방향 균열의 발생빈도가 높고 1개의 터널에서는 종방향 균열의 발생빈도가 낮아 이 2개군의 시공과정상 차이점을 분석하였으며 비파괴시험 및 정밀육안조사, 지반조건이 취약한 1개의 터널을 대상으로 안전성평가를 실시하여 이러한 열화들의 원인과 이에 따른 안전성여부를 판단하였다. 그 결과 안전성은 확보되었으며 중앙터널 기둥측 상, 하선아치부에 발생한 열화는 중앙터널굴착에 앞서 선시공되는 상, 하선 콘크리트라이닝의 철근배근불량과 이후의 시공단계인 중앙터널 굴착시의 영향이 큰 것으로 분석되었다.
Abstract
This paper studied the cause of the deterioration of the four 3-Arch tunnels built in mid-1990. The common deteriorations of the four 3-Arch tunnels were longitudinal cracks, leakage and efflorescence at the same parts of lining concrete. Three fourths of 3-Arch tunnels, there was high percentage longitudinal cracks and a quarter was low frequency about longitudinal cracks. So the material reviewed to find out the differences between two groups in construction process and analysis was conducted such as non-destructive testing, precise visual survey and safety evaluation of one tunnel which had bad ground condition As the result, the tunnels were safety condition and the primary deterioration occurred during the construction process, namely, problems arrangement of rebar and the effects of the blast at middle tunnel.