초록

본 논문은 대심도 또는 과지압 암반에서 2차지압으로 인해 발생되는 취성파괴와 관련한 실내실험을 수행하고, 취성파괴 현상을 잘 예측할 수 있는 CWFS(Cohesion Weakening Frictional Strengthening)모델을 이용한 수치해석을 수행하였다. 암석의 거동을 분석하고 손상의 함수인 암석강도정수를 도출하기 위하여 일축압축강도실험과 손상제어실험을 수행하였다. 일축압축강도실험결과 균열개시응력은 화강암, 편마암 구분 없이 일축압축강도의 41~42% 정도로 분석되었으며, 반면 균열손상응력은 화강암은 일축압축강도의 75%, 편마암은 일축압축강도의 97%의 값으로 분석되었다. 손상제어실험결과 균열손상응력과 최대하중은 Peak하중 이후 감소하는 것으로 나타났다. 또한 점착력은 감소하고 마찰각은 증가하는 양상을 보였다. Peak하중 이전에는 탄성계수가 증가하고 Peak하중 이후에는 감소하였다. 그리고 포아송비는 손상이 진행될수록 증가하는 양상을 보였다. 일축압축강도실험과 손상제어실험의 균열개시응력과 균열손상응력의 비교분석결과 손상제어실험의 균열개시응력은 일축압축강도실험에서 얻어진 균열개시응력의 범위에서 변화하는 양상을 보였고, 균열손상응력은 일정손상수준에서 일축압축강도실험에서 얻어진 값보다 작은 값으로 나타났다. 실내실험결과로부터 CWFS모델의 입력 파라미터를 도출하여 수치해석에 적용하여 취성파괴 발생 한계토피고를 구했다. CWFS모델을 이용한 수치해석으로부터 예측된 한계토피고와 손상지수로부터 예측된 한계토피고를 비교한 결과, 취성파괴 발생 한계토피고를 정확히 예측하지 못하는 결과를 나타냈다. 따라서 원형터널에만 적용가능한 손상지수를 사용하는 것은 문제가 있다고 판단된다. 이를 개선하기 위해 터널의 형상을 고려한 형상계수를 손상지수에 적용하였다. 터널의 형상을 고려한 수정된 손상지수로부터 예측된 한계토피고는 수치해석결과와 거의 동일한 결과를 보였다.

Abstract

Laboratory tests are performed in this paper to investigate the brittle failure characteristics of over-stressed rocks taken in deep depth. Also, numerical simulation performed using that the so-called CWFS(Cohesion Weakening Frictional Strengthening) model is known to predict brittle failure phenomenon reasonably well. The most typical rock types of Korean peninsula - granite and gneiss - were used for testing. Results of uniaxial compression tests showed that the crack initiation stress was about 41% to 42% of the uniaxial compressive strength regardless of rock types, where as, the crack damage stress of granite was about 75%, and that of gneiss was about 97%. Through the damage-controlled test, strength parameters of each rock were obtained as a function of damage degree. After the peak, the crack damage stress and the maximum stress were decreased, The cohesion was decreased and the friction angle was increased with increase of rock damage. Before reaching the peak, the elastic modulus was slightly increased, while decreased after the peak. Poisson's ratio was increased as the damage of rock proceeds. Comparison of uniaxial compression tests and damage-controlled tests shows the crack initiation stress estimated from the damage-controlled test fluctuated within the range of crack initiation stress obtained from the uniaxial compression test; the crack damage stress was less than that estimated from the uniaxial compression test. In order to predict the critical depth that brittle failure occurs, numerical simulations using the CWFS model were performed for an example site. Material parameters obtained from the laboratory tests mentioned above were used for CWFS simulation. Comparison between the critical depth predicted from the numerical simulation using the CWFS model and that predicted by using the damage index proposed by Martin et al.(1999), showed that critical depth cannot be reasonably predicted by the currently used damage index except for circular tunnels. A modified damage index was proposed by the author which takes the shape of tunnels other than circular into account.

초록

서울지하철 5호선을 통과하고 있는 한강 및 중소 7개 하천 7.937 km구간의 터널 내부로 유입되는 지하수 유입량은 평균 34,444 ㎥/day로 터널 전구간 31.29 km로 유입되는 지하수량 62,272 ㎥/day의 55.3%를 차지하고 있으므로 하천구간에서 지하수 유입을 억제한다면 유지관리 비용을 크게 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 하천구간으로 유입되는 지하수의 양을 설계기준과 비교한 결과 유입량이 3.01 ㎥/min/km로서 터널 설계기준 3.0 ㎥/min/km과 비슷한 수준으로 유입되고 있었으나, 터널평균 유입량 1.38 ㎥/min/km와 비교했을 때 하천구간에서는 2.18배의 지하수가 더 유입되고 있는 것으로 나타났다.

Abstract

As ground water influx quantity which flows into the tunnel inside from the 7.937 km section of Han River and small and 7 medium-sized rivers which pass through subway line 5 is average 34,444 ㎥/day and it's 55.3% of the underground water influx quantity 62,272 ㎥/day which flows into whole tunnel section 31.29 km. If we suppressed the underground water influx from the rivers, it would be expect that the maintenance and management expenses would be able to reduce a lot. In addition, as the result of investigating the difference between the ground water influx quantity which flows into the river section and that of the design standard, the ground water influx quantity is 3.01 ㎥/min and it is flowing to similar level of tunnel design standard 3.00 ㎥/mim. However, when it is compared with tunnel average influx quantity 1.38 ㎥/mim, it has been found that 2.18 times of ground water flows into rivers.

초록

전기비저항 토모그래피법은 터널 주변의 물성분포나 그 변화를 탐지하는데 매우 효과적인 물리탐사 방법이다. 따라서 전기비저항 토모그래피 영상은 터널의 효과적인 유지관리를 위한 중요한 정보를 제공해 준다. 그러나 공기로 채워진 터널은 토모그래피 자료를 심하게 왜곡시키며, 이러한 현상은 송, 수신점이 터널에 근접할수록 심화된다. 또한 이러한 왜곡은 결과적으로 토모그래피 모니터링 자료의 해석에 오류를 가져오게 된다. 이런 문제점의 해결을 위하여 터널을 포함한 모델링 및 시간경과 역산법을 개발하였다. 개발된 프로그램을 사용하여 터널을 고려한 역산법이 기존의 역산법에 비하여 월등히 정밀한 영상을 제공함을 확인하였다. 또한 모니터링 자료에 시간경과 역산을 사용하여 보다 효과적으로 터널주변의 시간에 따른 전기비저항 변화대를 파악할 수 있었다.

Abstract

Resistivity tomography is very effective geophysical method to find out the resistivity distribution and its change in time around a tunnel. Thus, the resistivity tomogram can provide helpful information which is necessary for the effective maintenance of the tunnel. However, an air filled tunnel severely distorts tomography data, especially when the current or potential electrode is placed near the tunnel. Moreover, the distortion can often lead to misinterpretation of tomography monitoring data. To solve these problem, we developed a resistivity modeling and time-lapse inversion program which include a tunnel. In this study, using the developed program we assured that the inversion including a tunnel gives much more accurate image around a tunnel, compared with the conventional tomogram where the tunnel is not included. We also confirmed that the time-lapse inversion of resistivity monitoring data defines well resistivity changed areas around a tunnel in time.

초록

이전 연구를 통하여 터널 굴진에 따른 터널 막장의 붕괴 위험에 대한 잠재 수준을 정량적으로 평가하기 위한 툴인 KTH-index(KICT Tunnel Collapse Hazard index) 지수화된 위험도 수준 표현 툴을 개발한바 있으며, 이는 다수의 시공현장에 성공적으로 적용되어 왔다. 본 연구에서는 제안된 터널 위험도 지수를 기반으로 수행된 터널 설계안의 전 종단구간에 대해 정량적인 위험도 수준을 시뮬레이션 하는 새로운 설계안 적정성 평가 방법을 제안하였다. 본 KTH-index 기반 시뮬레이션에서 가장 중요한 것은 시뮬레이션을 위한 입력항목의 결정이며, 대부분의 설계안 관련 항목과 시공관련 항목은 직접적으로 설계안으로 부터 결정될 수 있으나, 불명확한 지반조건은 설계 당시 때 수행된 시추조사와 전기비저항 탐사를 기초로 준비된다. 이때, 낙관적 시나리오와 비관적 시나리오에 기반한 터널 종단 지반조건 시나리오가 설정되었다. 이러한 위험도 시뮬레이션을 통해서, 시뮬레이션 대상 설계안에 대한 위험도 수준을 사전에 파악할 수 있었으며, 사전에 파악된 요 주의구간은 시공단계와 연결시켜 시공 중 계측이나 막장관찰 시에 요긴하게 활용될 수 있는 정보를 제공할 수 있음을 확인하였다.

Abstract

A new indexing methodology so called KTH-index was developed to quantitatively evaluate a potential level for tunnel collapse hazard, which has been successfully applied to tunnel construction sites to date. In this study, an attempt is made to apply this methodology for validating an outcome of tunnel design by checking the variation of KTH-index along longitudinal tunnel section. In this KTH-index simulation, it is the most important to determine the input factors reasonably. The design factor and construction condition are set up based on the designed outcome. Uncertain ground conditions are arranged based on borehole test and electro-resistivity survey data. Two scenarios for ground conditions, best and worst scenarios, are set up. From this simulation, it is shown that this methodology could be successfully applied for providing quantitative validity of a tunnel design and also potential hazard factors which should be carefully monitored in construction stage. The hazard factors would affect sensitively the hazard level of the tunnel site under consideration.

초록

터널구조물은 지하공간에 건설되며 육안으로 터널 배면상태를 확인하는 것이 불가능하기 때문에 유지 관리하는데 어려움이 있다. 본 연구에서는 재래식 터널의 주 지보재인 콘크리트 라이닝의 장기 내구성 및 성능저하 원인을 규명하기 위하여 준공된 지 약 40~70년이 경과된 7개의 철도 폐터널을 대상으로 현장조사 및 실내실험을 수행하였다. 그 결과, 조사 대상 터널 구조물의 콘크리트 라이닝은 준공년도에 관계없이 모든 구조물에서 다양한 형태의 균열이 조사되었으며 특히 시공이음부에 열화현상이 심각하게 나타났다. 터널 구조물의 콘크리트 라이닝 주변 지하 공간으로부터 유입되는 침출수의 유해이온은 콘크리트 열화에 직접적인 영향을 미치는 농도는 아니었으나 일정한 농도의 유해이온이 장기간 지속적으로 콘크리트 라이닝에 침식작용을 한 것으로 나타났다. 터널 구조물의 콘크리트 라이닝에서 측정한 비파괴 압축강도와 동일한 위치에서 채취한 코어시편을 대상으로 측정한 일축압축강도는 콘크리트 라이닝의 표면의 건전 여부에 따라 상이한 결과를 나타내었다.

Abstract

The objective of this study is to evaluate the durability and deterioration of concrete lining in the seven conventional tunnels. These tunnels were constructed about 40~70 years ago, and closed about 10~40 years ago. The field investigation and various laboratory testings were performed for this study. It was observed from the visual examinations that the concrete linings of 7 tunnels were severely deteriorated, such as, cracks, leakages, desquamation, and exploitations. The compressive strengths obtained from rebound hardness method and uniaxial compressive strength test on core specimens largely differed depending on the locations in the tunnel. The maximum compressive strength of concrete lining was greater about 2 times than the minimum compressive strength of concrete lining in the same tunnel. The results of micro-structural analysis showed that the substances deteriorating the concrete lining, such as ettringite and thaumasite, were detected in the concrete lining of tunnel.

초록

장대터널의 환기 및 방재시스템 설계시 주요한 요소설계인자 중 하나인 자연환기력은 그 중요성에도 불구하고 관련 영향변수들의 상호관계는 정량화가 매우 복잡하여, 자연환기력에 의한 유입 자연풍에 관한 설계기준을 정량적 근거하에서 제시하고 있지 못하다. 최근 발생한 터널화재에 의한 문제 및 터널 이용자에 의한 보다 나은 공기질에 대한 요구 등으로 터널 환기시스템의 최적화가 시급히 필요하며, 따라서 최적화의 주요 설계인자인 자연환기력에 대한 연구가 절실히 요구된다. 본 연구에서는 국내 최장대 도로터널로 계획된 인제터널(연장 10.9 km)을 대상으로 자연환기력의 예측을 목적으로 하였다. 지형적 요인에 의한 외부풍의 풍압에 기인하는 자연환기력의 최대 가능수준을 예측할 수 있는 기압장벽고의 개념을 적용하여 외부풍에 의한 자연환기력을 추정하고 터널내외부 공기 밀도차로 인한 굴뚝효과에 따른 자연환기력을 동시에 분석하였다.

Abstract

One of the key design factors for the ventilation and safety system at extra long tunnel is the airflow velocity induced by the natural ventilation force. Despite of the importance, it has not been widely studied due to the complicated influencing variables and the relationship among them is difficult to quantify. At this moment none of the countries in the world defines its specific value on verified ground. It is also the case in Korea. The recent worldwide disasters by tunnel fires and demands for better air quality inside tunnel by users require the optimization of the tunnel ventilation system. This indicates why the natural ventilation force is necessary to be thoroughly studied. This paper aims at predicting the natural ventilation force at a 11 km-long tunnel which is in the stage of detailed design and will be the longest vehicle tunnel in Korea. The concept of barometric barrier which can provide the maximum possible natural ventilation force generated by the topographic effect on the external wind is applied to estimate the effect of wind pressure and the chimney effect caused by the in and outside temperature difference is also analyzed.

초록

본 논문은 시공현장에서 계측된 변위값을 이용하여, 터널구조물의 안정성을 정량적으로 평가하는 한계변형률 개념의 활용성에 관한 것이다. 한계변형률 개념의 활용성을 높이기 위해서 (1) 변위개념을 활용한 기존의 현장 및 연구사례를 정리하여 한계변형률 개념의 공학적 의미; (2) 터널공학적 및 지반공학적 관점에서 한계변형률 개념의 타당성; (3) 터널굴착에 의해 발생하는 지반의 변위 구분 및 총변위와 계측변위의 관계성; (4) 국내 터널시공 현장의 계측사례를 활용하여 한계변형률 관점에서의 터널안정성 평가; 그리고 마지막으로 (5) 기존에 현장에서 활용된 시공관리기준치를 한계변형률 관점에서 재평가 등에 대한 연구를 수행하였다. 결론적으로, 한계변형률 개념은 터널공학적인 측면에서 타당한 근거가 있으며, 통일된 관리기준으로 활용가능 한 것으로 평가되었다.

Abstract

This paper discusses an application method of critical strains concept for tunnels‘ safety by using the values of measured displacements which are obtained in the field. The aim of this paper is to: (1) study on the engineering meanings of critical strains concept by reviewing the previous researches and application examples with measured displacement values; (2) study on the engineering reasonability of critical strains concept with the view point of a tunnel engineering and a geotechnical engineering; (3) study on the features of ground deformation due to tunneling and reciprocal relation between total displacement and measured displacement; (4) evaluate a tunnel safety by using domestic measurements collected in the field; and (5) re-evaluate the control criteria which were previously used in the field, with the view point of critical strains concept. Consequently, it was confirmed that critical strains in the ground has a reasonability and a possibility of unified or common concept with the view point of a tunnel engineering.

초록

도로터널내 열유동장의 형성은 여러 가지 요인의 영향을 받는다. 즉 차량의 이동에 의한 피스톤 효과, 환기설비의 환기력, 자연풍 영향, 화재시 부력 등에 따라 도로터널내 기류가 형성된다. 차량의 이동에 의한 피스톤 효과는 도로터널내 기류생성의 일차적인 요인이며, 화재시 연기의 초기 거동에 영향을 줄 수 있다. 본 연구에서는 도로터널내 차량의 이동에 의해 생성되는 비정상 기류를 분석하기 위해서 단순한 형태의 터널과 차량에 대한 축소모형실험장치를 제작하고 실험을 수행하였다. 기본형, 전두부 사변형, 후두부 계단형의 3가지 형태로 차량의 형상을 변화시켜가며 차량운행에 따라 형성되는 터널내 압력과 기류속도를 측정하였다. 실험결과 터널내 생성되는 압력과 속도의 크기는 “기본형>후두부 계단형>전두부 사변형”의 순서로 증가하였다. 실험결과는 향후 3차원 수치해석 결과와의 비교, 검토를 통해서 수치해석 기술의 보완 및 신뢰성 확보를 위한 기초자료로 활용될 수 있다.

Abstract

The thermo-flow field in road tunnel is influenced by some facts such as piston effect of vehicle's move, operation of ventilation facilities, natural wind and buoyancy effect of fire plume. Among those, piston effect is one of primary causes for formation of air flow in road tunnel and has an effect on initial direction of smoke flow in tunnel fire. In this study to analyze the unsteady flow in the tunnel caused by the run of vehicle, the experimental study of vehicle-induced unsteady flow on a reduced-scale model tunnel is presented. While the three types of vehicle shape such as basic type of rectangular shape, diamond-head type and stair-tail type are changed, the pressure and air velocity variations with time are measured. The rising ratio of pressure and velocity are in order of “basic type of rectangular shape > stair-tail type > diamond-head type”. The experimental results would be good data for development of a numerical method on the vehicle-induced unsteady tunnel flow.

초록

최근에 저토피 및 터널 갱구부에 반개착식 공법을 적용하여 구조적인 안전성과 자연친화성을 높인 사례가 증가하고 있다. 반개착식 공법은 저토피구간에서 원지반을 터널 천단아치에 해당하는 기초까지만 굴착하고 아치형 구조물을 설치하여 복토한 후에 터널하반을 굴착하여 기존 개착공법에서 발생되는 지반 과다절취에 따른 대절토 비탈면 발생과 굴착면 보강에 따른 고비용과 불안정성 증대 문제를 해결할 수 있는 공법이다. 본 논문에서는 저토피 구간에서 반개착식으로 굴착한 Braced Rib Arch의 거동에 대하여 연구하였다. 아치형구조물의 Rib Arch는 지간이 1.8 m인 아치형 강재를 간격재는 목재를 사용하였으며 1:10의 축척으로 4.0 m(폭)×3.3 m(높이)×4.0 m(연장)의 크기를 가진 대형토조에서 실험을 수행하였다. 모형실험결과 아치형 구조물에 작용하는 성토하중은 기존 개착터널에서 사용하는 하부구조물의 폭에 해당하는 상부토체의 크기보다 작은 것으로 나타났다.

Abstract

Recently, the number of shallow tunnel construction increases to improve the structural safety and environment-friendliness. In Semi-Cut and Cover Method, ground is excavated to the crown arch level and braced rib arch is set to backfill before the excavation of lower face. Semi-Cut and Cover Method is proposed to solve the problems occurred by the conventional Cut and Cover Method, such as unstability, high-cost and the large cutting slope to be reinforced. In this paper, the behaviors of Braced Rib Arch in shallow tunnel excavated by semi-cut and cover method was studied. Model tests in 1:10 Scale were performed in real construction sequences. The distance between supports of rib arch was 1.8 m and the lenth of spacer was 1.0 m. the size of test pit was 4.0 m (width)×3.3 m (lenth) 4.0 m (height) in dimension. Tests results show that backfill load acting on arch was smaller than that in the conventoinal Open-Cut Method.

초록

Abstract

This study deals with the analytical solution for soil-lining interaction in a deep and circular tunnel. Simple closed-form analytical solutions for thrust and moment in the circular tunnel lining due to static and seismic loadings are developed by considering the relations between displacement and interaction forces at the soil-lining interface. The interaction effect at the soil-lining interface is considered with new ratios (the normal and shear stiffness ratios). The effects of the ratios on the normalized thrust and the normalized moment are investigated.

초록

국내외의 수많은 NATM 터널시공 보고서 및 연구로 부터 라이닝 콘크리트에서 재래공법 보다 많은 균열이 발생한다는 것을 쉽게 찾을 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 터널 라이닝의 종방향 균열제어 및 방지를 위하여 새로운 공법을 제안 하였으며 제안공법의 효율성을 판단하기 위하여 개별요소법을 이용하여 분석하였다.

Abstract

It is easily found by several references of NATM that the cracks on the lining concrete of NATM are more developed than those of the conventional tunnel methods. Based on the results of research, the new method is proposed to control and protect the axial cracks on the tunnel linings. Also, the efficiency of proposed method is evaluated using the Distinct Element Method.