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- P-ISSN2233-8292
- E-ISSN2287-4747
- KCI
15권 3호
초록
본 연구에서는 Model Code 2010에 제시된 실험방법에 근거하여 설계강도 60MPa의 강섬유보강 콘크리트의 휨강도와 잔존강도, 휨인성을 평가하였다. 비교를 위하여 설계강도 40MP의 강섬유보강 콘크리트도 실험하였다. 또한, 배합의 평가를 위하여 파괴된 시험체의 파괴면을 육안으로 관찰하여 강섬유의 분산도를 평가하였다. 본 실험에서 사용된 강섬유는 형상비 64, 67 및 80의 국내산 후크 강섬유이다. 강섬유 혼입률은 체적에 대하여 0.5%로 동일하다. 실험결과, 설계강도 60MPa에서는 형상비가 큰 강섬유가 혼입된 강섬유보강 콘크리트만이 Model Code 2010에서 제시된 요구성능을 만족하는 것으로 나타났다. 고강도 콘크리트에서는 큰 형상비의 강섬유가 심대한 균열에서 충분한 인성을 확보하는데 기여할 수 있는 것으로 판단된다. 또한, 섬유의 고른 분산도 확보를 위해서는 낮은 슬럼프가 유리한 것으로 나타났다.
Abstract
Based on Model Code 2010, flexural and residual strength, flexural toughness of SFRC with design strength of 60 MPa are evaluated. For comparisons, SFRC with design strength 40 MPa was tested. Distribution of steel fibers in crack surface of specimens was evaluated by visual inspection. The used steel fibers were hooked fibers with aspect ratio of 64, 67 and 80. In all specimens, mix ratio of steel fibers was 0.5% Vol. In results, only SFRC with the highest aspect ratio satisfied requirements specified in Model Code 2010. The results demonstrated that the use of high aspect ratio will provide enough flexural toughness for high strength concrete. Also, it is found that low slump of high strength concrete can help to enhance isotropic fiber distribution.
초록
강관보강다단 그라우팅은 터널공사에 널리 적용되는 공법으로, 터널지반의 안정성 증대 및 차수효과를 얻을 수 있다. 본 연구의 목적은 유도초음파를 이용한 강관보강다단 그라우팅의 건전도 평가 기법을 제시하고, 현장 적용성을 평가하는 것이다. 강관의 그라우팅 충진률에 따른 주파수 변화를 파악하기 위해 실내실험 (자유구속조건 및 지중근입조건)을 수행하였으며, 건전도 평가시스템의 현장 적용성을 검증하기 위해 현장실험을 수행하였다. 강관의 두부를 해머로 타격하여 유도초음파가 발생되며, 발생된 유도초음파는 선단에서 반사되어 두부로 되돌아 온다. 반사된 유도초음파는 두부에 설치된 AE센서에 의해 수신된다. 강관보강다단 그라우팅의 건전도 평가 모델은 충진률 25 %, 50 %, 75 %, 100 %로 제작되었으며, 자유구속조건 및 지중근입조건의 실내실험으로 수행되었다. 신호처리를 위해 고속 푸리에 변환과 웨이브렛 변환을 수행하였다. 실내실험 결과, 유도초음파의 전파속도 변화는 크지 않았으나, 그라우팅 충진률에 따른 주 주파수의 변화가 뚜렷하게 나타났다. 강관보강다단 그라우팅의 충진률이 증가할수록 반사파의 주 주파수의 크기가 감소했다. 현장실험은 이미 설치된 강관보강다단 그라우팅에 대해 수행되었으며, 실내실험과 동일한 기법으로 분석하였다. 현장 조건의 실험체에서도 유도초음파의 반사파를 쉽게 수집할 수 있었으며, 이에 대한 주파수 영역에 대한 분석도 가능했다. 본 연구의 결과는 유도초음파를 이용한 주파수 분석 기법은 강관보강다단 그라우팅 건전도 평가에 효과적인 방법이 될 수 있음을 보여준다.
Abstract
Umbrella arch method (UAM) used for improving the stability of the tunnel ground condition has been widely applied in the tunnel construction projects due to the advantage of obtaining both reinforcement and waterproof. The purpose of this study is to develop the evaluation technique of the integrity of bore-hole in UAM by using a non-destructive test and to evaluate the possibility of being applied to the field. In order to investigate the variations of frequency depending on grouted length, the specimens with different grouted ratios are made in the two constraint conditions (free boundary condition and embedded condition). The hammer impact reflection method in which excitation and reception occur simultaneously at the head of pipe was used. The guided waves generated by hitting a pipe with a hammer were reflected at the tip and returned to the head, and the signals were received by an acoustic emission (AE) sensor installed at the head. For the laboratory experiments, the specimens were prepared with different grouted ratios (25 %, 50 %, 75 %, 100 %). In addition, field tests were performed for the application of the evaluation technique. Fast Fourier transform and wavelet transform were applied to analyze the measured waves. The experimental studies show that grouted ratio has little effects on the velocities of guided waves. Main frequencies of reflected waves tend to decrease with an increase in the grouted length in the time-frequency domain. This study suggests that the non-destructive tests using guided ultrasonic waves be effective to evaluate the bore-hole integrity of the UAM in the field.
초록
격자지보재는 기존의 H형강 지보재를 대체하여 현재 국내의 터널현장에서 널리 사용되고 있다. 그러나 격자지보재는 H형강 지보재에 비하여 강성이 떨어지며 이음부를 연결하는 용접에 만전을 기해야 한다는 단점이 있다. 이러한 문제를 개선하기 위하여 연결용 부재가 추가되고 용접부위를 편평하게 만든 개량형 격자지보재가 국내 기술에 의하여 개발되었다. 본 연구에서는 기존 격자지보와 개량형 격자지보에 대한 실내시험 및 현장계측을 수행하여 개량형 격자지보의 성능을 평가하였다. 실내 압축시험결과에 의하면 개량형 격자지보가 기존 격자지보에 비하여 약 16% 정도 큰 지지하중을 보였다. 현장 계측 결과에 의하면 개량형 격자지보가 기존 격자지보보다 강봉의 휨이 적게 발생하여 터널의 안정성 측면에서 더 우수하였다.
Abstract
Lattice girders are widely used as a substitute for H-steel ribs at domestic tunnels. However, lattice girders have a weak point in terms of the support capacity compare to H-steel ribs because of the lower stiffness and the weakness of the welded parts. To improve the weakness of the lattice girder, reformed lattice girders are developed in Korea by adding one more spider and having flat welded surface. Laboratory tests and field measurements were performed for the original and the reformed lattice girders to evaluate the performance of the reformed lattice girders. According to the laboratory compression test, reformed lattice girders have 16% higher load bearing capacity than that of original lattice girders. Reformed lattice girders are more stable than original lattice girders because reformed lattice girders tend to bend less according to the field measurements.
초록
최근 유럽 및 일본에서는 강섬유 보강 콘크리트를 활용하여 철근을 생략하거나 최소화하기 위한 연구가 수행중에 있으며, 세그먼트 제작시 강섬유 보강 콘크리트 활용은 철근 생략 또는 최소화를 통한 경제성 향상은 물론 품질관리 향상효과가 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 강섬유 보강효과 검토를 위하여 기존에 널리 활용되고 있는 철근만으로 보강된 세그먼트와 철근 및 강섬유로 보강된 세그먼트 실험체 제작 및 휨실험을 수행하였다. 실험결과 세그먼트 강섬유 보강은 콘크리트의 연성 증가효과로 인하여 균열제어는 물론 기존 세그먼트 보강재인 철근의 대체할 수 있는 보강재로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
Abstract
An experimental research on the possibility of using fiber reinforced concrete precast tunnel segments instead of traditional reinforced concrete(RC) segment has been performed in europe. This solution allows removing the traditional reinforcement with several advantages in terms of quality and cost reduction. Full-scale bending tests were carried out in order to compare the behaviour of the segments under flexural actions on both rebar reinforced concrete and rebar-fiber reinforced elements. The test results showed that the fiber reinforced concrete can substitute the traditional reinforcement; in particular the segment performance is improved by the fiber presence, mainly in terms of crack.
초록
TBM의 암반 굴착도구인 디스크커터의 작용력은 TBM의 설계와 굴진성능 평가를 위해 핵심적인 항목이다. 본 연구에서는 디스크커터 링의 형상에 따른 디스크커터 작용력의 차이를 실물 선형절삭실험에 의해 실험적으로 분석하였다. 또한 절삭실험 중에 발생하는 커터 링의 변형률을 계측하여 커터 링의 강성을 추정하였다. 분석결과, V형상의 디스크커터를 사용하게 되면 동일한 절삭조건에서 커터 관입깊이를 증가시킬 수는 있지만, 커터의 회전방향으로 큰 응력이 작용하는 것으로 나타났다. 또한 커터 작용력을 예측모델에 의해 추정할 경우에는, 디스크커터의 형상과 관련된 변수들을 고려할 수 있는 모델을 사용하는 것이 타당함을 알 수 있었다.
Abstract
Cutter forces acting on a disc cutter in TBM are the key parameters for TBM design and its performance prediction. This study aimed to experimentally evaluate cutter forces with different ring shapes in a hard rock. The stiffness of a cutter ring was indirectly estimated from a series of full-scale linear cutting tests. From the experiments, it was verified that the rolling stress acting on a V-shape disc cutter was much higher than on a CCS disc cutter even though the penetration depth by a V-shape disc cutter could be increased in the same cutting condition. Finally, it is suggested that a prediction model considering the shape parameters of a disc cutter should be used for its better prediction.
초록
본 연구는 변형률게이지와 열전대, 적외선 열화상카메라를 사용하여 선형절삭실험 동안 디스크커터의 축에 발생하는 축응력과 토크를 측정하고 디스크커터의 내부와 외부의 온도를 파악하고자 하였다. 실험결과, 축응력과 토크의 최대값은 각각 11.3 MPa, 171 kN·m로 측정되었으며, 축응력과 토크는 회전력보다는 디스크커터의 연직력과 상관성이 높은 것으로 나타났다. 선형절삭실험 동안 열전대로 측정한 결과, 디스크커터의 온도변화는 0.2°C 이내로 나타났다. 그러나 수행된 각 선형절삭작업이 연속적으로 이루어진다고 가정한 다음, 디스크커터의 내부온도와 커터 링 표면의 온도변화를 추정한 결과, 커터간격이 70 mm인 경우에는 각각 0.1°C/m, 0.15~0.17°C/m로 예상되었고 커터간격이 90 mm인 경우에는 각각 0.09°C/m, 0.13~0.23°C/m로 추정되었다.
Abstract
This study aimed to estimate the axial stress and torque on a shaft in a disc cutter. The corresponding inner temperature and the surface temperature of a cutter ring were also measured by using strain gauges and thermocouples during the linear cutting tests. The maximum values of the axial stress and torque were recorded to 11.3 MPa, 171 kN․ m respectively. They have higher correlations with normal force rather than rolling force. The results of temperature measured by thermocouples during a linear cutting test showed that the rate of increase in temperature was below 0.2℃. When the cutter spacing is set to be 70 mm, the inner temperature and surface temperature of a disc cutter were 0.1℃/m, 0.15~0.17℃/m respectively. Similarly, when the cutter spacing is 90 mm, the temperature values were 0.09℃/m, 0.13~0.23℃/m respectively.
초록
본 연구에서는 파쇄대의 공간적 분포 특성이 터널의 거동에 미치는 영향에 대한 내용을 다루었다. 이를 위해 발파굴착 공법이 적용되는 터널을 대상으로 다양한 파쇄대 조건을 도출하고 이에 대한 2차원 및 3차원 해석을 수행하여 파쇄대의 주향 및 경사, 터널과의 이격거리, 토피고, 측압계수 등에 대한 매개변수 연구를 실시하였다. 해석결과를 토대로 매개변수 조건에 대한 터널 변위 및 지보재 부재력의 변화경향을 고찰하였으며 그 결과 파쇄대의 경사각 및 주향에 따라 터널의 변위 및 지보재 부재력에서 큰 차이를 보였으며 전반적으로 터널의 심도가 깊어질수록 그리고 초기측압계수가 클수록 파쇄대의 공간적 분포 특성에 따른 터널 거동의 차이가 더 심화되는 것으로 나타나 대심도 터널의 경우가 저심도 터널에 비해 파쇄대의 영향이 가중될 수 있는 것으로 검토되었다.
Abstract
This paper concerns the effect of orientation and geometric characteristics of a fracture zone on the tunnel behavior using a numerical investigation. A parametric study was executed on a number of drill and blast tunnelling cases representing different fracture and tunnelling conditions using two and three dimensional finite element analyses. The variables considered include the strike and dip angle of fracture zone relative to the longitudinal tunnel axis, the width and the clearance of the fracture zone, the tunnel depth, and the initial lateral stress coefficient. The results of the analyses were examined in terms of the tunnel deformation including crown settlement, convergence, and invert heave as well as shotcrete lining stresses. The results indicate that the tunnel deformation as well as the shotcrete lining stress are strongly influenced by the orientation of the fracture zone, and that such a trend becomes more pronounced for tunnels with greater depths
초록
본 연구는 쉴드 TBM을 적용한 국내 지하철 현장의 계측 자료를 분석하고 기존 이론식에 의한 모델 및 수치해석 결과와의 비교를 통해 보다 간편한 지표침하 예측 S-모델을 개발하였다. 이를 위해 전체 굴착 구간 중, 대표 station을 선정하여 횡방향 지표침하 특성과 굴착 진행에 따른 종방향 지표침하 특성을 분석하였다. 분석 결과를 바탕으로 횡방향 지표침하 형태는 이완영역과 탄성영역으로 구성된다고 가정하고 실제 계측 자료와의 비교를 통해 최대 지표침하량과 침하 영향 범위를 산정할 수 있는 모델을 제안하였다. 이에 의하면 굴착 진행에 따른 종방향 지표침하 형태는 3차 함수 특성과 유사하였으며 각각의 계수를 터널 직경 및 토피고의 함수로 하여 S-모델을 제안하였고, 실제 계측 값 및 수치해석 결과와 상당히 유사한 형태의 지표침하를 얻을 수 있었다. 따라서 본 연구 결과를 통해 다소 연약한 풍화토, 풍화암 지층을 통과하는 쉴드 TBM 굴착 시공 시, 간편 S-모델을 이용하여 굴착에 따른 지표 침하의 예측이 가능할 것으로 판단된다.
Abstract
In this study, more convenient model(S-model) for predicting ground surface settlement is developed through comparing field monitoring data of the domestic subway applied shield TBM method with conventional equation & numerical analysis. Sample stations are chosen from whole of excavation section and lateral & vertical ground surface settlement characteristic with excavation are analysed. Based on analysis result, through the comparison with actual monitoring data, the model that is possible to compute maximum surface settlement and settlement influence area is suggested with assumption that lateral surface settlement forms are composed relaxed zone and elastic zone. In addition, vertical ground surface settlement patterns with excavation are similar to cubic-function and S-model with assumption that coefficients are function of tunnel diameter and depth is suggested. Consequently, the ground surface settlement patterns are significantly similar to actual monitoring data and numerical method result. Thus, as a result, when tunnels are excavated using sheild TBM through rather soft weathered soil & rock layer, prediction of ground surface settlement with excavation using convenient S-model is practicable.
초록
본 연구에서는 도로터널 화재해석에 적용하는 화재성장곡선을 적용하여 도로터널 화재시 열기류의 전파특성과 터널벽면에 미치는 열적특성을 수치 해석적으로 고찰하였다. 최대화재강도는 20, 100 MW로 하였으며, 터널내 풍속은 2.5 m/s로 유지하는 경우와 열부력에 의한 풍속으로 하는 경우에 대해서 터널연장 및 경사도에 따른 연기의 전파특성을 분석하고 열기류가 벽체에 미치는 영향을 평가하기 위해서 벽체표면온도와 벽체표면 열전달계수를 분석하였다. 터널내 열기류는 풍속을 2.5 m/s로 하는 경우에 벽체의 냉각효과에 의해서 일정거리 이후에는 급격하게 하강하여 하류까지 동일한 양상으로 흐르는 특성을 보이고 있으며, 벽체표면의 최대온도는 화재강도가 100 MW일 경우에 최대 615℃까지 상승하고 있으며, 표면온도가 380℃를 초과하는 면적은 아주 작은 것으로 나타나고 있다. 벽체의 표면열전달계수는 화재강도 및 터널내 풍속에 따라서 변하며 약 13～23 W/m℃의 범위에 있는 것으로 나타났다.
Abstract
This study numerically considered the characteristic of smoke movement and the effect of hot smoke gas on tunnel wall surface temperature during road tunnel fire under boundary condition of fire growth curve that is applied to fire analysis in road tunnels. The maximum heat release rate were 20 MW and 100 MW and tunnel air velocities were 2.5 m/s and velocity induced by thermal buoyancy respectively, also the cooling effect of tunnel wall was considered. As results, when tunnel air velocity was constant at 2.5 m/s during tunnel fire, due to the cooling effect of tunnel wall, the smoke layer was rapidly descent after some distance and it flowed the same patterns at the downstream. When heat release rate was 100 MW (and jet fan was not installed), the maximum temperature of tunnel wall surface has risen up to 615℃. The heat transfer coefficient of tunnel wall surface was varied from 13 to 23 W/㎡℃ approximately.
초록
현재 도로터널에는 화재시 임계풍속을 유지할 수 있도록 제트팬을 설치하고 있으며, 제트팬 댓수는 임계풍속을 유지하기 위한 유동저항, 자연풍에 의한 환기저항, 열부력에 의한 환기저항을 고려하여 산정한다. 그러나, 국내의 경우, 제트팬 댓수 산정시 열부력은 고려하지 않고 있는 실정이다. 이에 본 연구에서는 열부력이 제트팬 댓수에 미치는 영향을 검토하기 위해서 터널연장(500, 750, 1000, 1500, 2000, 3500 m) 및 경사도(-1.0, -1.5, -2.0%)를 변수로 하여 화재성장곡선에 따른 비정상상태의 수치 시뮬레이션을 수행하였으며, 열기류의 평균온도 및 열부력에 의한 압력손실을 검토하여 열부력이 제트팬 댓수에 미치는 영향을 검토하였다. 이에 본 연구에서는 화재로 인한 열부력을 고려하는 경우에 제트팬 댓수의 증가가 필요하며, 특히, 설계화재강도를 100 MW로 하는 경우에는 본 해석조건의 모든 범위에서 열부력에 의한 압력손실이 차량저항에 의한 압력손실의 최대치보다 증가하며, 현행설계기준을 적용하는 경우보다. 최소 2～11대의 제트팬 대수의 증가가 필요한 것으로 분석되었다. 따라서 제연용 제트팬 용량 산정시 열부력에 대한 고려가 반드시 필요한 것으로 나타났다.
Abstract
Jet fans are installed in road tunnels in order to maintain critical velocity when fire occurs. Generally the number of jet fans against fire are calculated by considering critical velocity and flow resistance by wall friction, vehicle drag force, thermal buoyance force and natural wind. In domestic case, thermal buoyance force is not considered in estimating the number of jet fans. So, in this study, we investigated the pressure loss due to the thermal buoyance force induced by tunnel air temperature rise and the impact of thermal buoyance force on the number of jet fans by the numerical fire simulation for the tunnel length(500, 750, 1000, 1500, 2000, 3500m) and grade (-1.0, -1.5, -2.0%). Considering the thermal buoyance force, number of jet fans have to be increased. Especially in the case of 100MW of heat release rate, the pressure loss due to thermal buoyance force exceed the maximum pressure loss due to vehicle drag resistance, so it is analyzed that number of 2～11 jet fans are needed additionally than current design criteria. Thus, in case of estimating the number of jet fans, it must be considered of thermal buoyance force induced tunnel air temperature rise by fire.
초록
이 논문은 쉴드TBM 추진시 잭킹 force에 의한 세그먼트 두께의 영향에 대한 현장사례연구이다. 이 연구를 위하여 조사 현장의 지반 특성에 대하여 분석하고 현장 조사 자료를 통한 쉴드TBM공사시 문제점에 대하여 분석하였다. 실질적으로 잭킹에 의한 터널 추진시 세그먼트가 부분적으로 파손된 것으로 추측되었다. 이에 따라 세그먼트의 파손에 대하여 조사하였으며, 파손 원인에 대하여 다각적으로 수치 해석적 및 이론적으로 평가를 실시하였다. 결과로부터 파손의 주원인들은 잭킹 시스템과 세그먼트의 두께가 얇은데 있다는 것으로 추측되었다. 추가로 연구 결과를 근거로 향후 얇은 세그먼트의 안전한 설치를 위한 추진 잭킹 방법에 대하여서도 제안하였다.
Abstract
This paper presents the effect of Segment thickness during Shield TBM tunnelling in case study. In order to perform this study, the ground condition developed in the investigation site are reviewed and analysed. It is also carried out the construction problems occurred in the site during Shield TBM tunnelling. Several Segments were broken partially during advance tunnel by jacking pressure. The data surveyed from site are analysed in order to investigate the cause of Segment break. The numerical and analytical evaluations are carried out to examine the effect of Segment behaviour. From the results, it is found that the main causes of Segment break may be the jacking system and Segment thickness. In addition, new jacking technique is suggested to install safely the Segment during advance tunnel by jacking.
초록
이 연구는 TBM의 디스크커터 관입깊이에 대하여 실질적인 현장을 통하여 평가한 것이다. 연구를 위하여 설계시 적용되는 디스크커터 관입깊이에 대하여 검토하였다. 또한 대상 현장에 대한 지반특성에 대하여 검토하고 현장에 투입된 장비에 대한 적용성에 대하여 분석하였다. 특히 장비의 용량분석을 실시하여 적합성에 대하여 평가하였다. 이러한 평가결과와 현장 공사자료를 근거로 실질적인 TBM의 공사량과 굴진속도를 분석하였다. 이 결과로부터 설계시 적용된 TBM의 디스크커터 관입깊이에 대하여 재평가 하였다. 연구 결과로부터 설계시 적용되는 디스크커터 관입깊이는 특히 극경암 지반(>150 MPa)에 있어서 적용값의 변경이 필요하다는 것을 명백히 보여주었다.
Abstract
This paper describes the evaluation of shield TBM disc cutter penetration depth in practice. In this study, the disc cutter penetration depth used to design the excavation speed of tunnel, is reviewed. The characteristics of ground encountered in the investigation site are analysed and evaluated. The shield TBM used in the field is reviewed to verify the applicability of machine in the site. The thrust and torque capacities of each TBM disc cutter are also evaluated. Based on the field data, the excavation volume and speed are re-analysed to evaluate the disc cutter penetration depth used in the design stage. It is clearly found that the design value of disc cutter penetration depth need to modify when estimation of the TBM capacities in very hard rock formation (>150 MPa).
초록
본 연구에서는 절리 암반 내 터널굴착 시 지하수 유출량 예측량이 실제 계측치와 큰 차이가 나는 이유 중 하나인 터널주변 절리암반의 투수계수의 감소 현상에 대해 논의하였다. 현재 터널 설계 시 일반적으로 사용되고 있는 지하수 유출량 산정식은 터널주변 암반이 등방, 균질하고 일정한 투수계수를 유지한다고 가정한다. 하지만, 실제로는 터널주변 절리암반의 투수계수는 터널주변 유효응력 상태에 따라 변화하며, 절리 내 지하수 흐름에 따라 다시 터널주변 유효응력 분포가 영향을 받는 수리-역학적 상호거동을 보인다. 터널굴착 직후 터널 접선방향 유효응력이 응력집중과 간극수압 감소로 인해 급증하고 그에 따라 절리의 닫힘현상이 발생하며, 결과적으로 터널인접 절리암반 링 구간에서 투수계수가 급격히 감소하게 된다. 이러한 터널인접 링 구간 내에서 상당히 큰 간극수압 감소가 발생하게 되어 터널주변 간극수압 분포는 등방 균질의 절리암반으로 가정한 산정식과 큰 차이를 보인다. 본 연구에서는 절리암반의 수리-역학적 상호거동의 개념을 도입하여 터널주변 간극수압 분포와 터널 내 지하수 유입량 산정방법을 제안하고 이를 수치해석을 통해 검증하였다.
Abstract
This paper discussed about the effect of permeability reduction of the jointed rock mass in the vicinity of a tunnel which is one of the reasons making large difference between the estimated ground-water inflow rate and the measured value. Current practice assumes that the jointed rock mass around a tunnel is a homogeneous, isotropic porous medium with constant permeability. However, in actual condition the permeability of a jointed rock mass varieswith the change of effective stress condition around a tunnel, and in turn effective stress condition is affected by the ground water flow in the jointed rock mass around the tunnel. In short time after tunnel excavation, large increase of effective tangential stress around a tunnel due to stress concentration and pore-water pressure drop, and consequently large joint closure followed by significant permeability reduction of jointed rock mass in the vicinity of a tunnel takes place. A significant pore-water pressure drop takes place across this ring zone in the vicinity of a tunnel, and the actual pore-water pressure distribution around a tunnel shows large difference from the value estimated by an analytical solution assuming the jointed rock mass aroundthe tunnel as a homogeneous, isotropic medium. This paper presents the analytical solution estimating pore-water pressure distribution and ground-water inflow rate into a tunnel based on the concept of hydro-mechanically coupled behavior of a jointed rock mass and the solution is verified by numerical analysis.
초록
본 연구에서는 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 코드를 사용하여 TBM에 장착되는 디스크커터에 의한 암석의 절삭 과정을 모사하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 3차원 FEM 해석 상용프로그램인 AUTODYN3D를 사용하였으며 이를 통해 국내 황등화강암을 대상으로 총 25개의 절삭조건에 대한 수치적인 절삭시험을 수행하였다. 암석과 디스크커터를 각각 라그란지안 솔버와 SPH 솔버를 사용하여 3차원 형상으로 모델링 하고 두 개의 디스크커터가 순차적으로 암석을 절삭하도록 모델링 하였다. 수치해석과 LCM시험에서 측정한 디스크커터의 작용력은 오차 10%이내의 값을 보여 대체로 일치하는 것으로 나타났고 균열의 전파양상과 암석의 파쇄양상 또한 유사한 것으로 나타났다. 또한 절삭된 최적 커터간격을 측정한 결과 LCM시험 결과와 일치하였다. 이를 통해 SPH 코드를 사용한 수치해석기법의 적용성을 확인할 수 있었으나 해석시간을 단축하기 위한 Lagrange-SPH코드의 커플링에 관한 후속연구가 필요할 것으로 판단되었다.
Abstract
Numerical simulation on rock cutting by a TBM disc cutter was carried out using SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) code. AUTODYN3D, a commercial software program based on finite element method, was used in this study. The three-dimensional geometry of a disc cutter and a rock specimen were modeled by Lagrange and SPH code respectively. The numerical simulation was carried out for Hwangdeung granite for 10 different cutting conditions. The results of the numerical simulation, i.e. the relation between cutter force and failure behavior, had a good agreement with those from LCM test. The cutter forces measured in the numerical simulation had 10% deviation from the LCM test results. Moreover, the optimum cutter spacing was almost identical with the experimental results. These results indicate that SPH code can be successfully used had applicability for simulation on rock cutting by a TBM disc cutter. However, further study on Lagrange-SPH coupled modelling would be necessary to reduce the computation time.
초록
본 논문에서는 터널-지반 시스템의 거동을 합리적으로 해석하고 재료의 특성과 터널설계정수 평가를 위한 역해석 프로그램을 개발하였다. 이 프로그램은 유한차분법과 직접법을 조합한 역해석 기법을 이용하기 위하여 상용 프로그램인 FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua)과 최적화 알고리즘을 이용하여 지하구조물의 역해석이 가능하도록 구성되었다. 역해석 알고리즘으로는 최적화기법 중 미분계수를 구하지 않고 직접탐색이 가능한 로젠브록법(Rosenbrock Method)을 이용하였다. 이 연구를 통하여 개발된 역해석 알고리즘의 현장 적용성 검증을 위하여 4개 구간의 실제현장을 대상으로 현장 계측결과를 이용하여 역해석을 수행하였다. 역해석 과정에서 현장계측 변위에 대한 해석 대상지반의 최적함수를 파악하기 위하여 비선형 회귀분석(nonlinear regression analysis)을 실시하였다. 회귀분석은 지수함수와 분수함수를 이용하였으며, 이를 통하여 결정된 최적함수를 이용하여 계산된 총 변위를 역해석 입력 자료로 활용하였다. 이 연구결과로써 대상구조체의 실측변위를 이용한 역해석을 수행한 결과는 계측변위와 평균 4.5%의 오차율을 보였다. 따라서 이 연구에서 제안하는 역해석 기법이 터널 해석에 유용하게 적용될 수 있음을 알 수 있었다.
Abstract
In this paper, a back analysis program for analyzing the behavior of tunnel-ground system and evaluating the material properties and tunnel design parameters was developed. This program was designed to be able to implement the back analysis of underground structure by combination of using FLAC and optimized algorithm as direct method. In particular, Rosenbrock method which is able to do direct search without obtaining differential coefficient was adopted for the back analysis algorithm among optimization methods. This back analysis program was applied to the site to evaluate the design parameters. The back analysis was carried out using field measurement results from 5 sites. In the course of back analysis, nonlinear regression analysis was carried out to identify the optimum function of the measured ground displacement. Exponential function and fractional function were used for the regression analysis and total displacement calculated by optimum function was used as the back analysis input data. As a result, displacement recalculated through the back analysis using measured displacement of the structure showed 4.5% of error factor comparing to the measured data. Hence, the program developed in this study proved to be effectively applicable to tunnel analysis.