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NATM터널의 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중을 산정하는 방법으로 수치해석적 기법인 지반-라이닝 상호작용모델(Ground-Lining Interaction Model, GLI 모델)에 의한 지반하중 산정방법이 제안되었다. 그러나, 기존의 GLI 모델은 지반과 지보재 또는 콘크리트 라이닝 사이에 존재하는 계면(Interface)의 구조적 역할을 반영하지 못하였다. 이에 본 연구에서는 기존의 GLI 모델에 계면요소를 반영하여 보다 실제에 가까운 모델로 구현하였다. 그리고, 지반조건 및 토피별 지반하중을 수치해석을 통해 산정하고 기존의 GLI모델 지반하중 상관식을 수정하여 제안하였다. 연구결과, 기존 모델에 비해 계면요소 반영시 지반하중은 토피두께에 따라 IV등급 지반조건에서는 평균 88~106%, 풍화토 지반조건에서는 평균 47~57% 수준으로 감소하였다. 본 연구결과로 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중을 실제에 가까운 모델로 산정할 수 있으며, 상관식을 이용하여 일관되고 경제적인 설계가 가능하게 될 것으로 예상된다.

Abstract

In NATM tunnel, the Ground-Lining Interaction model(GLI model) had been proposed a one of the numerical analysis as the ground load estimation method of the concrete lining. But this model was not applied with the interface mechanism between the ground and the support member or concrete lining. Therefor in this study, it is implemented as a model for closer than actual states that the interface element applied to the existing GLI model. And the modified GLI formula is proposed with the ground load estimation that is from the numerical results for each ground and rock cover conditions. Based on the numerical results, the ground load acting on concrete lining is reduced to ave. 88~106% in case of IV ground condition and ave. 47~57% in case of weathered soil condition comparing with the existing GLI model. It can be anticipated that the results obtained from this study can be applied to an estimation of the ground load on the concrete lining modeled like as real states, consistent and economical design.

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Abstract

Recent years have shown great advances in the feasibility of long subsea tunnels. Projects such as the Channel Tunnel, the Stoerebelt Tunnel or the Bosporus Crossing have pushed the boundaries of TBM tunneling technology and fueled the work on feasibility studies for even more challenging projects such as crossing the Qiongzhou or Gibraltar Straits. There are numerous geotechnical challenges such as wide variations of ground conditions, high operation pressures or long tunnel distances and finally geological uncertainties which must be solved in order to attempt such projects. Several operational challenges such as large muck quantities interventions under difficult conditions and long transport distances also have to be tackled. TBM manufacturer and construction industry have developed a number of approaches to these challenges which point into the right technical direction and have been proven successfully in recent experiences. Their further development will allow attempting several megaprojects which are currently under discussion.

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발파공법을 적용한 터널건설 시 발파에 의한 영향으로 굴착벽면은 평탄하지 않으며, 이후 타설되는 숏크리트의 두께가 불규칙하게 된다. 이 경우 균일한 두께의 터널 라이닝에 대한 응력해석 방법의 적용이 적절하지 않을 수 있다. 본 연구는 비평탄 굴착벽면을 모사하기 위해 주기함수를 적용하였으며, 함수의 진폭과 파장을 이용하여 숏크리트 라이닝의 두께변화를 조절할 수 있도록 하였다. 라이닝의 응력해석을 위한 이론해에 주기함수를 적용하여 근사해를 제안하였으며 이를 통해 불규칙한 숏크리트의 응력분포를 검토하였다. 다양한 응력, 물성, 기하학적 조건에 대한 수치해석을 통해 근사해의 적용성을 검증하였다. 숏크리트의 축응력은 초기응력과 지반물성뿐만 아니라 비평탄 굴착벽면에 의한 불규칙한 라이닝에 의한 영향이 큰 것을 확인하였다. 또한 숏크리트의 전단응력은 불규칙한 라이닝의 파장과 초기응력 상태의 영향이 큰 것으로 나타났다. 본 연구의 응력해석을 통해 숏크리트의 두께가 얇은 부분의 응력상태가 균일한 두께의 숏크리트 해석에 의한 결과보다 불리한 것으로 나타나, 숏크리트 타설 시 이에 대한 보완이 필요할 것으로 판단된다.

Abstract

When a tunnel is constructed by drilling and blasting operation, the excavated perimeter becomes uneven due to overbreak at the drill holes so that the thickness of shotcrete tends to be irregular. In this case, the conventional stress analyses for tunnel lining of a uniform thickness cannot be readily applicable. In this study, the profile of tunnel perimeter assumed to be sinusoidal in order to simulate the uneven tunnel perimeter and to control the thickness of shotcrete by using the amplitude and wavelength. By adopting the sinusoidal function to a theoretical solution of stress analysis for uniform lining, the range of axial stress of irregular shotcrete can be estimated. The applicability of the approximate solution has been verified by performing a series of numerical analyses for various conditions. It is shown that the axial stress of shorcrete is highly dependent upon the irregularity of shotcrete, together with the ground property and initial stress conditions. It is also shown the shear stress is dependent upon the wavelength, and the stress condition becomes unfavorable where the thickness of shotcrete is relatively small. The approach developed in this study shows that the stress state where the thickness is relatively small is unfavourable, and it is necessary to take complementary measures when installing shotcrete after blasting.

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주방식 지하구조물은 여러 개의 암주의 룸으로 구성된 격자 형태의 구조물로 굴착순서에 따라 주방식 지하구조물의 시공성과 경제성이 좌우될 수 있다. 본 연구에서는 주방식 지하구조물의 굴착공정에서 중요하게 다뤄질 수 있는 발파굴착 공정을 장비 운영과 현행 발파 규정 및 건설공사 표준품셈에 근거하여 검토하였다. 굴착공법으로는 점보드릴을 이용한 발파공법을 가정하였으며, 기존 연구에서 제시한 가로․세로 순차시공방식으로 검토하였다. 주방식 지하구조의 계획부지 크기에 따라 굴착공기와 장비운영 등을 고려하여 전체 굴착공정을 예상할 수 있었으며 막장운영 계획에 따라 운영가능한 장비수를 고려하여 전체 굴착공기를 예상할 수 있었다.

Abstract

A room-and-pillar underground structure is characterized by its grid-type array of room and pillar. As a result, its construction and economical efficiency can be governed by excavation sequence. In this study, the construction period by the drill and blast method which can be treated as a main sequence for excavation was examined by considering the regulation for blasting and construction standard of estimation in Korea. To evaluate the construction period for the room-and-pillar underground structure constructed in 4 kinds of square-type area (30×30~57×57 m), the concurrent excavation pattern which was suggested in the previous researches was used. From the suggested condition, the total construction period by drill-and-blast method can be estimated with the consideration of the construction area, number of jumbo drill and faces in operation.

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Abstract

In this paper diamond wire cutting method has been proposed to cut the rock in the tunnel face. Diamond wire saw method could cut the rock from tunnel face with very minor vibration and noise. In this study rock cutting process has been simulated with FEM method by using LS-DYNA explicit non-linear finite element code. Normal load act as an prime factor when cutting the rock surface. For observing the effect of normal load on bead, several experiments has been conducted by varying normal loads on the bead. From each experiment, cutting rate has been calculated to compare the cutting rate with different load conditions. By increasing the normal load on bead, cutting rate increases drastically.

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지하수위 아래에 건설되는 복층터널은 비교적 대단면이며 비배수 터널로 건설되는 특징을 가지고 있다. 지하수위 하부에 위치하는 터널은 지하수로 인해 발생하는 부력으로부터 터널의 안정성 확보방안이 필요하다. 일반적으로 터널 라이닝과 지반사이의 경계면에서의 결합력은 부력에 대해 충분한 안정성을 발휘한다. 그러나 장기적인 시간이 경과하면 구조물의 열화로 인하여 결합력이 감소할 수 있다. 본 연구에서는 장기적인 관점에서 부력으로 인한 복층터널의 영향을 조사하였다. 그 결과 부력으로 인해 터널 하단부분에서 변형과 라이닝에 작용하는 응력이 증가하였다. 본 연구로부터 운영중 터널의 라이닝과 지반사이의 결합력을 유지시킬 수 있는 방안이 필요함을 알 수 있다.

Abstract

Double-deck tunnels beneath the groundwater table have relatively large volume and commonly constructed as watertight tunnels. In this case, it requires to secure stability of the tunnels for buoyant force. Generally the contact force between lining and ground is sufficient to resist the buoyant force. However in the long-term the contact force could be reduced because of structural deterioration. In this study the effect of long-term buoyant force acting on the double-deck tunnel is investigated. The results has shown that the buoyant force has increased invert deformation and stress. It is indicated that the contact resilience between lining and ground needs to be kept during tunnel operation.

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본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 실시하여 말뚝에 인접한 터널시공으로 인한 말뚝의 거동을 터널로부터 말뚝선단의 횡방향 이격거리를 고려하여 분석하였다. 단독말뚝 및 간격 2.5d인 5×5 군말뚝을 고려하였다. 여기서 d는 말뚝의 직경을 의미한다. 수치해석에서는 순수하게 터널굴착(tunnelling-induced) 으로 인해 유발된 말뚝침하, 전단응력, 상대변위, 축력분포, 겉보기안전율 및 터널굴착 영향권을 고찰하였다. 말뚝이 터널굴착으로 인한 지반침하 영향권 내부에 존재할 경우 말뚝두부의 침하는 Greenfield 조건의 지표면 침하보다 최대 대략 111% 크게 산정되었고, 군말뚝의 경우 단독말뚝과 비교하여 말뚝침하가 크고 축력이 작게 나타났는데 이는 군말뚝내의 말뚝이 인접지반과 함께 블록(block)의 형태로 거동하는 것으로 분석되었다. 또한 말뚝의 상부에서는 상향의 마찰 저항력이 발생하고 말뚝의 하부에서는 하향의 마찰 저항력이 발생하여 순수하게 터널굴착(tunnelling-induced)으로 인해 말뚝에는 인장력을 발생시켰다. 한편 말뚝이 영향권 외부에 존재할 경우 말뚝에는 tunnelling-induced 압축력이 발생하였다. 수치해석을 통해 분석된 하중-침하 관계로부터 말뚝의 겉보기안전율을 계산한 결과 터널굴착 이전에 비해 대략 45% 감소된 것으로 나타났다. 따라서 이는 말뚝의 사용성에 심각한 문제를 유발시킬 수 있는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 지반침하 영향권에 따른 단독말뚝 및 군말뚝의 거동을 심도 있게 고찰하였다.

Abstract

In the present work, a number of three-dimensional (3D) parametric numerical analyses have been carried out to study the influence of tunnelling on the behaviour of adjacent piles considering the transverse distance of the pile tip from the tunnel. Single piles and 5×5 piles inside a group with a spacing of 2.5d were considered, where d is the pile diameter. In the numerical modelling, several key issues, such as the tunnelling-induced pile settlements, the interface shear stresses, the relative shear displacements, the axial pile forces, the apparent factors of safety and zone of influence have been rigorously analysed. It has been found that when the piles are inside the influence zone, the pile head settlements are increased up to about 111% compared to those computed from the Greenfield condition. Larger pile settlements and smaller axial pile forces are induced on the piles inside the pile groups than those computed from the single piles since the piles responded as a block with the surrounding ground. Also tensile pile forces are induced associated with the upward resisting skin friction at the upper part of pile and the downward acting skin friction at the lower part of pile. On the contrary, when the piles were outside the influence zone, tunnelling-induced compressive pile forces developed. Based on computed load and displacement relation of the pile, the apparent factor of safety of the piles was reduced up to about 45%. Therefore the serviceability of the piles may be substantially reduced. The pile behaviour, when considering the single piles and the pile groups with regards to the influence zone, has been analysed by considering the key features in great details.

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압력도수터널 콘크리트 라이닝 구조계산시 암반의 이완하중, 내수압, 외수압, 건조수축, 그라우팅압 등 다양한 하중조건을 고려하는데, 아직까지 국내에는 압력도수터널에 대한 콘크리트 라이닝 구조해석을 위한 설계기준 및 체계적인 매뉴얼이 없으므로 설계자에 따라 다르게 적용되고 있는 실정이다. 특히, 도수터널은 외수압을 저감시키기 위해 Weep Hole을 설치하는 경우도 있는데, Weep Hole 설치로 인해 많은 문제점이 야기될 수도 있으므로 Weep Hole을 설치하지 않을 시 외수압 처리에 대한 합리적인 접근 방법이 필요하다. 따라서, 본 논문에서는 압력도수터널 콘크리트 라이닝 구조 계산시 외수압 처리에 대해 기존 설계사례 및 문헌 등을 분석하여 합리적이고 적절한 설계개념에 대하여 서술하였다.

Abstract

When the structural analysis is performed for the concrete lining of the water pressure tunnel, many parameters are considered such as relaxed ground loads, internal water pressure, external water pressure, the shrinkage of the concrete lining, grouting pressure, etc. But, there are no standards and manuals for the structural analysis for the concrete lining of the water pressure tunnel. Above all, the external water pressure has an much effect on the stability of tunnel. So, in case that permeability of ground is large, the external water pressure should be decreased by installation of weep hole, or reinforced ground by ground improvement grouting should be pressed by the external water pressure instead. But, when weep hole is installed to reduce the external water pressure, the many problems may me occurred. Thus, reasonable approach for treatment of the external water pressure is necessary if weep hole is not installed. Therefore, the purpose of this study is to analyze design cases and studies for treatment of the external water pressure in performing structural analysis for the concrete lining of the water pressure tunnel, and to find reasonable method for tunnel lining modeling which is the treatment of the external water pressure according to permeability of ground and consequently the design of ground improvement grouting.

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TSL(Thin Spray-on Liner)는 폴리머로 구성된 재료로 기존 시멘트계 숏크리트에 비해 높은 조기 강도와 시공성, 방수기능이 특징이다. TSL이 숏크리트에 비해 가장 큰 차이점은 재료의 인장력과 점착력으로 하중을 지지하는 것이다. 최근 TSL의 우수한 특성으로 인해 TSL에 대한 수요가 늘어나고 있으나 아직까지 국내에 TSL의 재료적 특성이나 평가방법이 잘 알려지지 않았다. 본 연구에서는 TSL의 특성 중 접촉면의 거동을 실내시험과 수치해석 방법을 사용하여 분석하였다. 해석결과 TSL과 암석 모델 사이의 접촉면에 점착모델과 손상 기준을 함께 적용하여 TSL의 접촉 거동을 적절히 모사할 수 있었다. 또한 접촉면의 강성이 TSL 접촉면의 초기 하중-변위 관계를 설명하여 손상 에너지가 접촉면의 수렴 수준을 결정하였다.

Abstract

A TSL (Thin Spray-on Liner) which consists of polymers has a higher initial strength, faster construction time and higher waterproofing performance than the conventional cementitious shotcrete. Main supporting mechanism of TSL is the adhesion and tensile strength which is distinct from the conventional shotcrete. Even though highly in demand due to its outstanding characteristics, TSL is not yet well-known support material. In this study, to evaluate contact behavior of TSL, numerical analysis was performed with comparing result from laboratory tests. From the analysis, cohesive behavior at the contact surface between TSL and rock can be evaluated by using combination of cohesive and the damage model. In addition, results show that the cohesive stiffness controled slope between force and displacement, the fracture energy controled level of force at the contact.

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주방식 지하구조물은 주방식 채광법의 개념을 이용한 지하구조물 건설 방법이다. 주방식 공법에서 배수는 터널의 싱글쉘 개념과 유사하며, 주방식 지하구조의 장기적인 안정화를 위해서 복공 뒷면의 지하수를 배수하여 지하수위를 사전 저감시키는 방식이 유효하다. 그러나 배수공에 의한 지하수위 저감 방식은 지하 굴착시 굴착면에 지하수압이 작용하지 않거나 발생 용수량이 크지 않다면 배수공은 필요치 않게 된다. 본 연구에서는 지하 굴착시 발생용수량에 따른 배수공 적용 유무를 검토하여 주방식 지하구조에서 배수공 적용 유무를 판단하는 기준을 제안하고자 하며, 배수공 적용이 불필요한 구간에 대해서는 숏크리트를 통한 유도 배수시스템을 제안하고자 한다.

Abstract

The room-and-pillar construction method for underground space is adopted from the room-and-pillar mining method which is one of the most popular underground mining method in the world. Drainage system in the room-and-pillar underground construction method can be similar with the concept of single shell in tunnel because additional reinforcement except the TSL (thin spray-on liner) is not applied in the room-and-pillar construction method. That is, to decrease groundwater level and maintain safety in tunnel, the drainage pin hole inside lining (shotcrete) can be used. However, if total amount of outflow in the underground structure is relatively small or groundwater is not detected, such drainage system will not be useful and cause additional construction cost. In this study, outflow of conventional tunnels in South Korea was investigated and the criteria to determine whether the drainage pin hole is effective was suggested. And the guided drainage system was suggested when drainage pin hole was not applied in the room-and-pillar construction method.

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도심지에서는 지속적인 지하 개발이 요구되고 있으며, 도심지공사는 주변구조물 및 기존 도로의 기능을 유지하면서 신속하게 진행되어야한다. 이러한 상황에서 비개착공법은 시공 시 주변 지반의 변위를 최소화하고 건설을 진행하기에 매우 유용한 공법이다. 그러나 비개착공법 선정을 위해서는 경제성, 시공성, 환경문제, 주변구조물 등 다양한 현장조건들을 고려하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 의사결정기법을 활용하여 비개착공법의 최적 선정을 위한 기초연구를 수행하였다. 특히, 다중복합의사결정기법 중에 하나인 계층분석법을 이용하여 전문가 의견을 반영한 합리적인 공법선정의 평가기준과 규칙을 설정하였다. 분석 결과, 비개착공법을 선정하는데 있어서 필요한 고려항목들의 중요도를 도출하였고, 지반조건별로 가장 효과적인 비개착공법들이 제시되었다.

Abstract

There have been high demands for urban underground structures. However, they should be rapidly constructed while maintaining the functions of adjacent structures and road systems especially in urban areas. In this respect, trenchless excavation methods are considered to very effective in minimizing ground displacements during excavation works. A variety of field conditions such as economic, technical and environmental aspects should be taken into consideration when an optimum trechless excavation method is to be chosen in a given condition. Therefore, this study aims to carry out a fundamental study to select an optimum trenchless excavation method by the decision making technique. Especially, AHP (Analytic Hierarchy Process) which is a kind of a multiple attribute decision making process is adopted to consider the opinions of experts and to derive reliable decision criteria. As a result, the weights of key factors and the most effective trenchless methods for different ground conditions were proposed in this study.

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원심모형시험은 최근의 기계적, 이론적 발전에 따라 그 활용도와 정확성이 높아지고 있다. 원심모형시험은 원지반 응력을 효과적으로 재현할 수 있으므로 주위 지반 또는 암반과 상호작용을 하는 터널과 같은 지하구조물의 거동을 모사하기 적합하다. 본 연구에서는 병렬 터널의 지진시 동적 거동을 원심모형시험을 통하여 분석하였다. 터널 모델링시 지진에 의해 발생하는 최대 가속도 저감을 위하여 Flexible segment를 고려하였으며 Flexible segment의 두께가 얇은 경우와 두꺼운 경우를 각각 고려하였다. 시험 결과 Flexible segment의 지진시 터널 구조물에 발생하는 최대 가속도 저감 효과를 확인하였다. 그러나 Flexible segment가 얇은 경우 단주기파 적용시 최대가속도의 저감효과는 없었고, 두꺼운 경우 기반암 가속도가 클 경우 보다 효과적임을 확인하였다. 또한 동일 모델에 대하여 3차원 수치해석을 수행하여 지진시 거동을 파악한 결과, 시험 결과와 유사한 경향을 보임을 확인할 수 있었다.

Abstract

Recently, the improvement of mechanical and theoretical issues in geo-centrifuge test enhances the applicability and accuracy of the test. Geo-centrifuge test is appropriate to simulate the behaviors of underground structures like tunnel, since tunnel interacts with the soil and/or rock around it and the test can embody the in-situ stress conditions effectively. In this study, the seismic behaviors of twin tunnel were analyzed based on geo-centrifuge test. Flexible segment to mitigate seismic acceleration were implemented in the model with thin and thick thickness. Based on the test results, it was found that flexible segment can decrease the peak acceleration generally, however, thin flexible segment was not able to reduce peak acceleration in short-period seismic wave. Thick flexible segment was more effective in case of high bedrock acceleration condition. Additionally, 3-dimensional numerical analysis was performed to verify the characteristics of seismic behavior and the effect of flexible segment. Consequently, the numerical analysis result showed good agreement with the test result.