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- P-ISSN2233-8292
- E-ISSN2287-4747
- KCI
16권 1호
초록
본 논문은 단선터널 라이닝의 최적 계측 측점수를 산정하기 위해 단순보 형태로 모델링하여 터널 라이닝 역해석 프로그램에 적용한 결과와 상용 프로그램에 적용한 결과를 상호 비교하여 평가하였다. 단선터널을 대상으로 터널 라이닝에 대칭 분포하중이 작용하는 경우와 비대칭 분포하중이 작용하는 경우로 가정하여 터널해석 시 널리 사용되는 상용 프로그램에 하중조건을 입력시켜 터널 라이닝의 단면 위치별 변위와 응력을 산출하였다. 산출된 변위를 계측 측점수 3점, 5점, 7점으로 터널 라이닝 역해석 프로그램에 입력시켜서 구한 응력과 변위를 비교하여 최적 계측 측점수를 산정하였다. 연구결과 실무적으로 계측 수행의 경제성과 터널 계측의 손망실률을 고려한 계측 측점수가 최소 5점은 되어야 할 것으로 판단된다.
Abstract
In order to determine the optimal number of monitoring points in single-track tunnel lining, this thesis compares and evaluates the results of two cases: when the tunnel lining is modeled into a simple beam form and then is applied to 1) the tunnel lining inverse analysis program, and to 2) the commercially-used program. The displacement and stress of specific tunnel lining cross-sections are determined by entering the load conditions into the commercially-used program for tunnel interpretations. In doing so, two cases were assumed: where a symmetrically-distributed load was acting upon the tunnel lining of a single-track tunnel and where an asymmetrically-distributed load was in action. By comparing the computed displacement with the stress and displacement determined by entering side numbers 3, 5, and 7 into the tunnel lining inverse analysis program, the optimal number of monitoring points is determined. From the results of the research, it can be inferred that the number of monitoring points needs to be at least 5 points, considering the efficiency of monitoring in practice and the loss-and-damage rate of tunnel monitoring.
초록
본 논문에서는 TBM 터널의 세그먼트 라이닝 설계 자동화 기술 개발의 일환으로 인공신경망기법을 이용한 세그먼트 라이닝 부재력 산정기법 개발에 관한 내용을 다루었다. 부재력 평가가 가능한 인공신경망을 개발하기 위해 먼저 다양한 설계조건을 도출하고 이에 대해 2-Ring Beam 모델을 이용한 유한요소해석을 수행하여 인공신경망 학습에 필요한 설계조건별 부재력에 관한 DB를 구축하였다. 구축된 DB를 활용하여 인공신경망의 최적화 과정을 통해 최대 부재력 및 분포도를 예측할 수 있는 인공신경망을 구축하였다. 검토 결과 구축된 인공신경망은 유한요소해석과 동일한 정밀도의 부재력 산정 기능을 확보하는 것으로 검토되었으며 따라서 TBM 세그먼트 라이닝 설계시 필요한 부재력 평가를 위한 효율적인 수단으로 활용될 수 있는 것으로 판단된다.
Abstract
This paper presents development of artificial neural network(ANN) based prediction method for section forces of TBM tunnel segment lining in an effort to develop an automatized design technique. A series of design cases were first developed and subsequently analyzed using the two-ring beam finite element model. The results were then used to form a database for use as training and validation data sets for ANN development. Using the database, optimized ANNs were developed that can readily be used to predict maximum sectional forces and their distributions. It is shown that the compute maximum section forces and their distributions by the developed ANNs are almost identical to the computed by the two-ring beam finite element model, implying that the developed ANNs can be used as design tools which expedite routine design calculation process. The results of this study indicate that the neural network model can be effectively used as a reliable and simple predictive tool for the prediction of segment sectional forces for design.
초록
본 연구에서는 앵커의 대표적 유형인 인장형 앵커와 압축형 앵커, 최근 개발되어 널리 사용되고 있는 다중정착 지반앵커의 지반 내 거동을 비교, 분석하여 그 적용 특성을 평가하였다. 이를 위하여 대형모형실험과 현장시험을 통하여 앵커 유형별 하중-전단응력 관계를 확인하였으며 이를 수치해석 결과와 비교, 분석하였다. 검토결과 앵커 유형에 따른 하중과 지반강도, 전단응력의 관계를 규명할 수 있었으며, MLT 앵커는 인장형 앵커에 비해 1.3배, 압축형 앵커에 비해 1.5배의 인발저항 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구결과를 다양한 지반조건에서 확장하여 적용할 경우 지반조건에 따른 앵커 유형별로 적용이 가능한 최대 인발 저항력을 제안할 수 있을 것으로 판단되며, 이는 지반앵커의 설계 및 시공에서 매우 유용하게 이용될 수 있을 것이다.
Abstract
In order to identify a load transfer mechanism of ground anchors, the behavior of multi load transfer ground anchor systems was investigated and compared with those of compression type anchors and tension type anchors. Large scale model tests were performed and stress-strain relationships were obtained. The load transfer mechanism of ground anchors was also investigated in the field tests. Finally, numerical analyses to predict the load-displacement relationships of anchors were conducted. It is concluded that the load transfer characteristics of MLT anchors are mechanically much more superior in the pull-out resistance effect than those of existing compression and tension type anchors. From the results of research work, we could suggest that the max pull-out capacity of anchor capacity to each the soil condition. Also, the MLT anchors can be used to achieve both structural enhancement and economic construction in earth retaining or supporting structures.
초록
폭발 시 순간적으로 발생하는 고온 및 고압가스는 공벽 주변의 암반을 파쇄하며 이로 인해 파쇄영역 외부에서는 진동형태의 에너지가 방사방향으로 전달된다. 이러한 발파가 인근 구조물 또는 사면에 미치는 영향을 살펴보기 위해서는 정밀한 발파하중을 적용한 동적 수치해석 모델이 요구된다. 일반적으로 발파 해석시 고온 고압 가스로 암반에 균열이 발생하는 과정은 모사하지 않으며 경험식을 통하여 산정된 발파하중을 파쇄영역의 경계면에 재하하여 진동의 전파를 모사하게 된다. 발파하중을 정확하게 산정하는 것은 발파 해석의 가장 중요한 요소이지만 이의 적절성을 시험발파로부터 도출된 발파진동 추정식과의 비교를 통하여 철저하게 검토한 사례는 제한적이다. 본 연구에서는 발파로 인하여 발생된 진동의 전파를 수치적으로 모사하였으며 시험발파 계측기록과의 비교를 통하여 발파하중 시간이력을 산정하였다. 진동을 방사방향으로 전파시키기 위하여 발파로 인한 파쇄영역을 가상의 원형으로 가정하여 모델링 하였으며 발파하중을 경계벽에 재하 하였다. 해석 결과, 발파하중의 전파 특성은 하중의 주파수와 지반 감쇠비의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 또한, 국내외에서 널리 사용하는 발파 경험식을 터널의 발파 모사에는 적용하였을 경우 계산되는 진동속도가 현장 계측보다 크게 나타나 하중에 대한 보정과정이 필요한 것으로 나타났다. 보정된 발파하중이 적용된 수치해석을 수행한 결과 장약량에 무관하게 해석결과는 시험발파로부터 도출된 추정식과 잘 맞는 것으로 분석되었다.
Abstract
During blasting, high temperature and pressure gas is instantaneously emitted, which results in fracture of rock mass. Outside the fractured zone, energy is transmitted in radial direction in the form of elastic waves. In this study, the fracturing process is not modeled. Instead, to simulate the propagation of blast induced vibration, the pressure load derived from empirical equations is applied to the fracture boundary. In the numerical modeling, accurate prediction of the blast load time series, including the detonation pressure, is most important. However, comprehensive study which evalutes the blast load from measured attenuation relationship is limited. In this study, the propagation of vibration due to explosion is simulated using numerical analysis and blast time series was back-calculated through comparison withthe measured record. To allow propagation of the vibration in radial direction, the fracture zone was modeled as a circle and pressure was applied normal to the boundary. The results show that the characteristics of blast vibration are highly dependent on the frequency of the load and the damping ratio of rock mass. In addition, it was found that the most widely used empirical function in Korea is not appropriate for modeling the blast inside the tunnel. In addition, it is shown that the detonatio pressure should be reduced by a significant amount from the empirical equation. When the adjusted load is applied, the results are in good agreement with the attenuation relationship derived from the measurements, regardless of the charge
초록
쉴드 TBM 터널의 라이닝은 세그먼트로 구성되므로, 각각의 세그먼트가 서로 연결되면서 세그먼트 이음부를 발생시킨다. 세그먼트 이음부는 쉴드 TBM 설계에 있어 강성계수로 적용되어지는데, 세그먼트 이음부 강성계수는 그 결정 방법에 따라 결과 값이 현저한 차이를 보인다. 따라서 서로 다른 강성계수를 설계에 적용하였을 경우 그 결과가 어떻게 다른지에 대한 검토가 필요하다. 본 연구에서는 세그먼트 이음부 강성계수를 이론식을 통해 결정한 후 일정한 범위를 선정하였다. 그 범위 내에서 강성계수를 변화해 가며 터널 단면 수치해석을 실시하여 세그먼트 라이닝 부재력을 도출하였고, 이에 강도설계법을 적용하여 세그먼트 라이닝 안정성 검토를 실시하였다. 그 결과 세그먼트 이음부 강성계수는 세그먼트 라이닝 설계에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
Abstract
The lining of shield TBM tunnel is composed of segments, therefore segment joints are induced by connecting each segment. Segment joint is considered as joint stiffness in the design of TBM tunnel. Depending on the choice among the different stiffness equations, the joint stiffness values determined can be varied largely. Therefore, the influence of joint stiffness value on the design of segment lining should be verified. In this study, the joint stiffness values were determined firstly by using various equations and total change boundary was justified. Within the change boundary determined, the member forces were calculated by changing the joint stiffness through the numerical analysis and consequently the stability of segment lining was investigated by applying nominal strength. The results showed that the segment joint stiffness did not affect the design of segment lining largely.
초록
최근 세계 여러 나라에서는 지하공간의 활용이 증가하고 있다. 특히, 저심도 굴착의 경우 대부분 개착식 굴착공법을 적용하는데, 극심한 교통 체증 및 인접구조물의 불안정 등의 문제가 발생될 수도 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해서 저토피 토사구간에서 충분한 안정성을 확보하고 공사기간을 최소화하며 터널을 굴착할 수 있는 M-CAM공법(Modified Cellular Arch Method)이 제안되었다. 본 연구에서는 M-CAM공법 적용 시 주열식 수직연속벽체(Continuous Pile Wall, CPW)의 규격 및 지반조건이 터널 거동에 미치는 영향을 파악하기 위해 민감도분석을 수행하였다. 우선 터널의 안정성에 영향을 주는 매개변수로는 수직연속벽체의 근입깊이, 직경, 측압계수 그리고 지반상태를 선정하였다. 한편 수치해석을 위해서, 유한차분법에 기초를 둔 FLAC 2D가 이용되었다. 본 연구 결과 수직연속벽체의 규격 중 근입깊이가 터널 안정성에 가장 큰 영향을 주는 것을 확인되었다.
Abstract
In recent years, utilization of underground space has been increasing in various parts of the world. In particular, open-cut method is usually applied to the shallow depth excavation. However some problems such as extreme traffic congestion and unstability of adjacent structures etc. might occur. In order to cope with these problems, the M-CAM (Modified Cellular Arch Method) method was proposed to excavate soil tunnels at shallow depth with secured enough stability and minimized construction period. In this study, sensitivity analysis was performed to predict the influence of the size of CPW(Continuous Pile Wall) and ground conditions on the behavior of the tunnel. First of all, embedded depth and diameter (or thickness) of CPW, coefficient of lateral earth pressure, and ground conditions were selected as parameters that could affect tunnel stability. Meanwhile, FLAC 2D based on finite difference method was used for numerical analysis. As a result of this study, it was checked out that embedded depth among sizes of CPW had a greatest influence on the stability of a tunnel.
초록
발파충격 또는 응력재분배에 의해 발생하는 암반손상대(Excavation Damaged Zone, EDZ)는 암반의 여러 물성들을 변화시킴으로써 구조물의 거동과 안정성에 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 EDZ를 고려한 터널에 대한 2차원 연속체 해석 코드인 FLAC을 이용하여 역학적 안정성을 해석하고 안정성에 관련된 인자들을 대상으로 부분요인설계법(Fractional Factorial Design)을 이용한 민감도 분석을 실시하였다. 모델링 결과 터널 주변의 거동과 안전율은 손상대 유·무에 따라 많은 차이가 있었다. 민감도 분석 결과 터널주변의 안전율에 많은 영향을 미치는 인자는 측압계수와 심도, 점착력, 물성 감소비, 터널의 폭, 내부 마찰각, 터널의 높이 순이었다. EDZ는 터널 주변의 역학적 안전성에 많은 영향을 미칠 수 있기 때문에 터널 설계 시 고려하는 것이 필요하다.
Abstract
An Excavation Damaged Zone (EDZ), in which rock properties are permanently changed due to blasting impact or stress redistribution, can influence the behavior and stability of structures. In this study, the mechanical stability of an underground opening was simulated by using FLAC, which is a two-dimensional modeling code, with a consideration of EDZ. A sensitivity analysis was also carried out with fractional factorial design. From the modeling, it was founded that the behavior and the stability of an underground tunnel are strongly dependent on the existence of the EDZ. The sensitivity analysis showed that the key parameters affecting the factor of safety around the tunnel are in-situ stress ratio, depth, cohesion, reduction ratio, width of the tunnel and internal friction angle, height of the tunnel. It is necessary to consider the EDZ, which can significantly affect mechanical stability, in tunnel design.
초록
터널내의 연기거동 및 대피안전성을 평가하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 본 연구의 목적은 최근 더욱 길어지고 있는 장대터널의 화재로 인한 연기 및 온도 분포와 안전성을 평가할 수 있는 수치적 방법을 구현하는데 있다. 계산에 사용되는 컴퓨터자원을 최소화하기 위하여 모델로 선정한 터널의 전체길이인 3 km을 사용하는 대신 여러 개의 대피터널이 포함되는 1.5km만을 해석영역으로 사용하였다. 터널내의 연기거동에 의한 대피자 안전성을 평가하기 위하여 연기의 밀도에 의한 기시도와 바닥으로부터의 높이를 고려한 SE (smoke environment)값을 사용하였다. 공기 중에 포함된 연기의 밀도는 3차원 전산유체역학을 통하여 구하였다. 이러한 연기 거동에 영향을 미치는 온도분포를 정확하게 모사하기 위하여 터널 벽면을 단열 혹은 일정한 열유속(heat flux) 가정을 사용하는 대신 1차원 열전도(heat conduction)방정식을 이용하여 터널벽면의 온도를 계산하였다. 대피터널간의 거리는 가까울수록 대피자의 안전성은 높아지겠지만 상대적으로 건설비용이 증가하게 된다. 본 연구에서 대피터널의 길이는 250m로 하였으며 화재 시 제연팬의 운전 조건을 3가지 (팬이 가동되지 않는 조건, 임계풍속이하조건, 임계풍속이상조건)에 관하여 연기의 거동과 온도분포를 고찰하였다. 그리고 화재가 발생한 시간부터 플래쉬오버가 발생한 시간까지의 연기의 거동과 대피자의 상황을 SE를 이용하여 고찰하였다.
Abstract
A numerical analysis on the smoke behavior and evacuee safety has been performed with computational fluid dynamics. The purpose of this study is to build computational processes for an evacuation and prevention of a fire disaster of the 3km-length tunnel in Korea. To save computational cost, 1.5km of the tunnel that can include a few cross-passing tunnels is considered. We are going to assess the fire safety in a road tunnel according to the smoke level, which consists of the smoke density and the height from the floor. The smoke density is obtained in detail from three-dimensional unsteady CFD analysis. To obtain proper temperature distributions on the tunnel wall, one-dimensional conduction equation is considered instead of an adiabatic wall boundary or a constant heat flux. The tunnel considered in this study equips the cross passing tunnels for evacuees every 250 m. The distance is critical in both safety and economy. The more cross passing tunnels, the more safe but the more expensive. Three different jet fan operations can be considered in this study; under- and over-critical velocities for normal traffic condition and 0-velocoty operation for the traffic congestion. The SE (smoke environment) level maps show a smoke environment and an evacuating behavior every moment.