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- P-ISSN2233-8292
- E-ISSN2287-4747
- KCI
18권 2호
초록
성능기반 설계에서 구조물의 안정성은 손상 상태와 이를 수치화한 손상 지수에 의해 평가한다. 지상 구조물에 대해서는 이들이 비교적 명확하게 정의되어 있으나 지중 구조물에 대한 연구 수행 사례는 매우 제한적이다. 본 연구에서는 국내 지하철 시스템에 널리 사용되는 박스형 개착식 터널에 작용하는 지진하중에 의한 손상 상태와 손상 지수를 일련의 비탄성 프레임 해석을 통하여 규명하였다. 터널의 3 단계 손상 상태는 구조물에 발생한 소성 힌지의 수에 의해 정의하였다. 손상 지수는 터널 구조 부재의 탄성 모멘트와 항복 모멘트의 비로 정의하여 탄성 해석만으로도 비탄성 거동과 파괴 메커니즘의 모사가 가능하도록 하였다. 또한 손상 지수를 자유장 전단 변형률의 함수로도 제시하였다. 전단 변형률은 1 차원 지반응답해석으로 쉽게 계산할 수 있으므로 이를 이용하여 간편하게 박스형 터널의 초기 내진 안정성 평가가 가능할 것으로 판단된다. 보다 일반적이고 보편적인 적용성 확보를 위해서는 추후 포괄적인 해석을 수행하여 다양한 형태의 터널과 지반에서의 전단 변형률 분포와 불확실성에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다. 본 연구에서 제시된 터널 내진설계를 위한 손상 상태, 손상 지수, 그리고 전단파 속도 및 전단변형률 간의 상호관계 플래트폼은 새로운 아이디어를 담고 있으며 추후 설계에 널리 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
Abstract
In a performance-based design, the structural safety is estimated from pre-defined damage states and corresponding damage indices. Both damage states and damage indices are well defined for above-ground structures, but very limited studies have been performed on underground structures. In this study, we define the damage states and damage indices of a cut-and-cover box tunnel which is one of typical structures used in metro systems, under a seismic excitation from a series of inelastic frame analyses. Three damage states are defined in terms of the number of plastic hinges that develop within the structure. The damage index is defined as the ratio of the elastic moment to the yield moment. Through use of the proposed index, the inelastic behavior and failure mechanism of box tunnels can be simulated and predicted through elastic analysis. In addition, the damage indices are linked to free-field shear strains. Because the free-field shear strain can be easily calculated from a 1D site response analysis, the proposed method can be readily used in practice. Further studies are needed to determine the range of shear strains and associated uncertainties for various types of tunnels and site profiles. However, the inter-linked platform of damage state – damage index – shear wave velocity – shear strain provides a novel approach for estimating the inelastic response of tunnels, and can be widely used in practice for seismic designs.
초록
지표침하를 발생시키는 다양한 원인 중에 하나로 알려진 지하에서 발생되는 공동은 지반의 불연속적 특징이다. 그러므로 기존의 연속체해석으로 분석하기에는 한계가 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 지표침하를 발생시키는 구형지하공동에 대해서 개별요소법을 활용하여 분석하였다. 지표침하에 영향을 미치는 구형지하공동의 특성인자로서 지반의 물성치, 구형지하공동의 심도 및 크기를 선택하였고, 각 특성인자들의 값의 변화가 지표침하에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 또한 지하공동의 직경에 대한 상대적 깊이와 지표침하의 관계를 분석하였고, 이를 통해 지하공동의 붕괴 예측 및 보강유무를 결정하기 위한 근간을 제시하였다.
Abstract
The underground cavity known as one of the reasons of ground surface settlement is a discontinuous character. Therefore, it is limited to analyze with continuum analysis. In this research, The spherical underground cavity affecting the ground surface settlement is studied with Discrete Element Method. Ground properties, depth and diameter of the spherical underground cavity are chosen as factors of the spherical underground cavity and the effect of the each factor variations on the ground surface settlement is analyzed. Relative depth to the diameter of the spherical underground cavity is also studied. The result of the research suggests the basis of underground cavity collapse prediction and standard of support.
초록
최근 국내 빈번하게 발생되고 있는 지반함몰 현상의 원인, 현황, 대책에 대하여 지반공학적인 접근 방법으로 조사하였다. 국내 발생된 지반함몰은 대부분 터널 굴착 공사와 지중매설관의 손상에 의한 것으로 나타났다. 용산역과 석촌 지하차도 지반함몰 사례와 같이, 굴착 공사 중 지반함몰은 지하수와 토사의 과다 유출이 주된 원인으로 나타났다. 특히, 충적층과 같은 연약지반에서의 기계식 굴착 시, TBM 굴착이 멈춘 지점에서 지반함몰 위험이 큰 것으로 나타났다. 서울시에서 발생된 지중매설관 손상으로 인한 지반함몰 사고를 종합하였을 때, 시공 시의 부주의, 노후화, 연약지반에서의 관의 부등침하 등이 지반함몰의 원인으로 나타났다. 터널 굴착 공사에 의한 지반함몰은 공사 시 발생되는 지하수, 토사의 이동에 대한 모니터링을 통해 대비할 수 있다. 지중매설관 손상으로 인한 지반함몰은 지중매설관의 생애주기 분석 및 유지관리 혹은 관 상부의 토압 분산 및 토압 지지력 증대를 통하여 대비할 수 있을 것으로 판단된다.
Abstract
ABSTRACT:This study investigated the occurrences, causes, and mitigation of the recent ground subsidence and underground cavity generation events in Korea. Two main causes of ground subsidence are (1) the soil erosion by seepage during tunneling and earth excavation and (2) the damage of underground pipes. The main cause of the soil erosion during tunneling was the uncontrolled groundwater flow. Especially, when excavating soft grounds using a tunnel boring machine (TBM), the ground near TBM operation halt points were found to be the most vulnerable to failure. The damage of underground pipes was mainly caused by poor construction, material deterioration, and differential settlement in soft soils. The ground subsidence during tunneling and earth excavation can be managed by monitoring the outflow of groundwater and eroded soils in construction sites. It is expected that the ground subsidence by the underground pipe damage can be managed or mitigated by life cycle analysis and maintenance of the buried pipes, and by controlling the earth pressure distribution or increasing the bearing capacity at the upper ground of the buried pipes.
초록
본 연구에서는 지상구조물 건설을 위하여 흙막이 벽체를 이용하여 지하굴착이 이루어진 지역에 근접하여 새로운 지하공간이 신설될 때, 지하굴착과 흙막이 벽체간의 이격거리에 따른 흙막이 벽체에 작용하고 있던 토압의 변화 및 지표 침하 변화를 실험적으로 연구하였다. 지하공간 굴착 단계별로 흙막이 벽체의 토압 변화 및 지표 침하를 측정할 수 있는 길이 160 cm, 높이 120 cm의 모형 토조를 제작했다. 실험은 균일하게 조성된 사질토 지반에서 하부 지반에 변위를 가하고, 수직한 흙막이 벽체의 토압 변화 및 지표면 침하를 확인하는 방식으로 수행하였다. 모형실험은 인접한 지하공간 굴착에 따른 흙막이 벽체의 높이별 토압을 측정하기 위하여 흙막이 벽체를 모사하는 우측 벽체 10개 및 지하공간 굴착을 모사하는 하부 벽체 5개로 구성하고 하부벽체를 거동시킴으로서 지하굴착을 모사하였다. 실험 결과, 하부 1단 벽체의 거동 시에는 흙막이 벽체의 토압에 변화가 발생하였으나, 하부 3단의 경우는 지하 굴착이 흙막이 벽체와 충분히 이격되어 토압변화가 크게 발생하지 않았다. 하부 1단 벽체를 굴착한 결과, 우측 하단부 벽체 주변의 응력이 감소되고, 우측 중간부 벽체 주변으로 응력이 재분배되는 아칭현상을 증명할 수 있었다.
Abstract
The changes in earth pressure and ground settlement due to the underground excavation nearby the existing retaining wall according to the separation distance between underground excavation and retaining wall, were studied experimentally. A soil tank having 160 cm in length and 120 cm in height, was manufactured to simulate the underground excavation like tunnel by using 5 separated bottom walls. The variation of earth pressure was measured according to the excavation stages by using 10 separated right walls simulating the retaining wall. The results showed that the earth pressure was changed by the lowering of first bottom wall(B1), however the earth pressure was not changed significantly by the lowering of third bottom wall(B3) since B3 had sufficient separation distance from retaining wall. Lowering of first bottom wall(B1) induced the decrease of earth pressure in lower part of retaining wall, on the contrary, lowering of first bottom wall(B1) induced the increase of earth pressure in middle part of retaining wall proving the arching effect.
초록
본 논문은 격자지보재의 규격자재와 비규격자재의 성능평가에 대한 내용을 다루었다. 격자보재는 강봉으로 제작된 아치형의 터널지보공을 말하며 터널 굴착시 지반의 변형을 최대로 억제하여 터널의 안정성을 확보하기 위하여 사용되어지는 지보재이다. 이런 격자지보재의 성능평가는 휨강도시험과 인장강도시험을 통해 평가할 수 있으며 터널표준시방서에서는 항복강도 500MPa 이상인 용접용 강재를 사용도록 규정하고 있다. 그러나 저품질의 강재가 사용될 경우 현장에서 규격자재와 비규격자재를 육안으로 구분하기 어렵게 되었다. 따라서 본 논문에서는 격자지보재의 규격자재와 비규격자재에 대한 성능평가를 실시하여 비규격자재의 항복강도 저하의 문제점을 분석하였다.
Abstract
This paper dealt with contents on the performance evaluation of standardized steel and non-standardized steel of lattice girder. Lattice girder is arch type tunnel supports made of structural steel bar and it is girder used to ensure the stability of tunnel by suppressing any transformation of ground as much as possible during tunnel excavation. The performance evaluation of lattice girder can be conducted through bending strength test, tensile strength test and tunnel standard specification specifies that welding structural steel with over 500MPa yield strength shall be used. However, it is difficult to distinguish visually between standardized steel and non-standardized steel onsite if low-quality structural steel is used. Accordingly, this paper conducted performance evaluation of standardized steel and non-standardized steel of lattice girder to point out the issue of deteriorated yield strength of non-standardized steel, while proposed a method of verifying yield strength onsite.
초록
본 연구는 액체질소와 같이 급속 동결이 가능하면서 질식의 위험을 배제할 수 있는 냉매로서 액화공기를 선정하였고 이의 적용성을 평가하였다. 액화공기의 안정성을 평가하기 위해 액체질소와 액체산소가 혼합된 액화공기의 산소 농도가 산업안전보건법에 제시된 산소 농도 기준에 부합되는지를 실험적으로 검증하였으며, 액체질소 및 액체산소의 혼합 비율, 액화공기 저장용기의 압력변화 및 유량변화에 따른 액화공기 산소 농도변화를 살펴보았다. 그 결과, 액체질소 및 액체산소를 8:2로 혼합하였을 경우 산업안전보건법에 제시된 산소 농도 기준에 부합되는 것을 확인하였다. 액화공기 저장용기의 압력변화 및 유량변화는 액화공기의 산소 농도에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
Abstract
In this paper, the liquid air was selected as the refrigerant in artificial ground freezing to be used for rapid ground freezing and to reduce the risk of suffocation and the applicability of liquid air was verified. In order to evaluate the stability of the liquid air, the oxygen concentration of mixtures with liquid nitrogen and liquid oxygen was experimentally examined to meet the oxygen concentration criteria in the Occupational Safety and Health Act. In addition, the effects of the mixture ratio of liquid nitrogen and liquid oxygen, pressure and flow rate change in the storage vessel on the oxygen concentration in the liquid air were investigated. As a result, the ratio of liquid nitrogen and liquid oxygen 8: 2 was shown to meet the oxygen concentration standards. Pressure and flow rate change in the storage vessel did not have significant effects on the oxygen concentration in the liquid air.
초록
운영 중 터널의 역해석을 통한 안정성 평가는 다루기 어려운 개념이다. 특히, 해저터널처럼 라이닝이 상대적으로 두껍게 시공된 경우에 발생하는 내공변위가 작기 때문에, 일반적으로 터널 역해석에 사용되는 변위 기반의 터널 역해석에는 한계가 있을 것으로 판단된다. 여기서는 FLAC3D 프로그램에 내장된 FISH 언어를 사용해서, 다양한 역해석 알고리즘 중에 차분진화 알고리즘의 구축을 통한 터널 역해석에 대한 적용성을 확인하였다. 또한, 변위 기반의 알고리즘 구축과 더불어 응력 계측값 등 다양한 인자의 적합성을 확인하여 터널 라이닝의 안정성을 평가하고자 한다.
Abstract
Estimation of the stability of an operating tunnel through a back analysis is a difficult concept to analyze. Specially, when a relatively thick lining is constructed as in case of a subsea tunnel, there will be a limit to the use of displacement-based tunnel back analysis because the corresponding displacement is too small. In this study, DEA is adopted for tunnel back analysis and the feasibility of DEA for back analysis is evaluated. It is implemented in the finite difference code FLAC3D using its built-in FISH language. In addition, the stability of a tunnel lining will be evaluated from the development of displacement-based algorithm and its expanded algorithm with conformity of several parameters such as stress measurements.
초록
이 논문에서는 해저터널의 특수성을 고려한 NATM 터널의 라이닝의 설계에 대한 내용을 다루었다. 해저터널 자동화 설계 시스템 개발의 요소기술인 인공신경망(Artificial Neural Network) 기반의 터널 설계 시스템에 대한 개념, 학습과정 및 검증과정과 예측된 부재력을 통한 최적 단면 설계에 대한 내용을 기술하였다. 부재력 평가가 정확하게 구현 가능한 인공신경망을 개발하기 위해서 다양한 설계 조건과 각 조건에 따른 해석 모델을 이용한 유한요소해석을 수행하여 단면 설계에 필요한 최대부재력의 학습DB를 구축하고 인공신경망을 통해 일반화하였다. 인공신경망을 이용해 산정된 부재력은 해저 터널의 라이닝 설계 시스템에 적용시켜 빠르고 쉽게 해저터널의 라이닝 설계에 적용이 가능하도록 하였다.
Abstract
This paper concerns a study of a knowledge-based NATM tunnel lining design for subsea tunnels. Concept for tunnel automation designing system, the development of Artificial Neural Network based technology of the tunnel design system, the learning process and verification of the technology forecasting member forces were described. The design system is the series of process which can predict segmental lining member forces by ANN(artificial neural network system), analyze suitable section for the designated ground, construction and tunnel conditions using a FEM(finite element analysis). The lining member forces are predicted based on the ANN quickly and it helps designers determine its segmental lining dimension easily.
초록
최근 제한된 국토 면적에 비해 늘어나고 있는 인구와 그에 따른 교통량 증가에 따라 효율적인 공간 이용의 필요성이 급증하고 있다. 이를 위하여 여러 가지 지하구조물 건설이 증가하고 있으며, 그 중 대표적인 것이 복층터널이다. 복층터널 건설시 터널 라이닝과 주위 지반이 접촉하게 되고, 그 사이에 차수, 보호 또는 지반보강의 목적으로 토목섬유를 시공하게 된다. 따라서 필연적으로 지반-토목섬유 접촉면이 형성되어 터널의 전단 거동에 큰 영향을 미치게 되며, 특히 지진과 같은 동적하중 재하시 그 거동은 매우 복잡해지므로 실험적 접근이 필수적이다. 본 연구에서는 터널 주위지반의 지하수 내 산성 및 중성과 같은 화학적 성분이 반복 전단하중 상태에서 지반-토목섬유 접촉면의 전단강도 감소에 미치는 영향을 실내 시험을 통하여 분석하였다. 또한 여러 가지 요인에 의하여 형성되는 지중 온도차를 고려하기 위하여 시료의 온도를 20°C와 40°C로 설정하여 온도에 의한 접촉면의 동적 전단특성을 고려하였다. 이를 위하여 접촉면 동적전단시험기를 이용하고 60일, 960일간 수침시킨 토목섬유와 흙 시료를 이용하여 반복 단순전단시험을 수행하였고, 그 결과를 교란상태개념을 이용하여 지반-토목섬유 접촉면의 전단강도 감소 특성을 확인하였다.
Abstract
The needs for the utilization of space in the urban ara due to the increasing population and traffic volume. A Double-deck tunnel can be an appropriate solution. Geosynthetics are inevitably installed between ground and tunnel lining, therefore, geosynthetic-soil interface is also comprises. Dynamic shear behavior of geosynthetic-soil interface affects the dynamic behavior of tunnel, and experimental study is required since the behavior is very complicated. In this study, chemical factors such as acid and basic element in the groundwater and temperature are considered in the laboratory test. Multi-purpose Interface Apparatus(M-PIA) is utilized and submerging periods are 60 and 960 days. Consequently, dynamic shear degradation of geosynthetic-soil interface considering chemical and thermal factors are verified.
초록
본 연구는 로드헤더 커팅헤드에 사용되는 코니컬커터의 삽입재 크기에 따른 커터작용력의 변화를 살펴보기 위하여 절삭간격과 절삭깊이, 그리고 사각을 변화시키면서 연직력, 절삭력, 구동력을 측정하였고 그 측정결과의 평균값을 사용하여 분석을 실시하였다. 절삭간격이 12~27 mm인 조건에서 절삭깊이에 따라 평균 커터작용력이 일정한 범위에서 나타났다. 사각이 0°인 경우에서는 일반적으로 알려진 최적 S/d비 1~5사이인 4~4.5 조건에서 비에너지가 최소로 나타났으며, 사각이 6°인 경우에서는 최적 S/d비가 좀 더 작은 1~3에서 나타났다. 단순히 시험결과에 의한 비교에서는 슬림 코니컬커터가 헤비 코니컬커터에 비해 절삭효율이 좋게 나타났지만, 대상지반의 강도가 높을 경우에 대해 커터의 소모량과 손상을 고려한다면 헤비 코니컬커터의 사용이 효과적일 것이다.
Abstract
In order to estimate the performance of a conical cutter depending on the insert size, this study measured forces acting on conical cutters with different cutter spacings, penetration depths and skew angles using slim and heavy conical cutters. When cutter spacings ranged from 12 to 27 mm, the deviations of mean cutter forces with cutter depths appeared smaller compared to other cutter spacings. When skew angle is 0°, the optimal S/d ratio was obtained in the range of 4 to 4.5 for which specific energy of cutting was minimized. It were usually found in the range of 1 to 5. However, when skew angle is 6°, the optimal S/d ratio was obtained in the range of 1 to 3. The simple comparison results shows that the performance of slim cutter was superior to that of heavy cutter, but the use of heavy cutter can be effective, considering the cutter consumption and cutter damage when the strength of the ground is high enough.
초록
해저터널 시공 중 단층, 파쇄대 및 미고결층 등의 취약한 지반조건에서 일어나는 문제점을 극복하기 위해 시공 중 그라우팅을 진행한다. 암반에서 그라우팅은 주로 불연속면을 따라 주입되므로 절리의 분포, 거칠기 또는 폭과 같은 절리 인자들이 그라우팅 보강암반의 물성에 지대한 영향을 미친다. 해저터널 주변의 그라우팅 보강암반은 해저환경에서 정수압을 다 부담하여 장기적인 열화와 미세구조변화 및 균열 등이 발생하며 암반물성이 시간에 따라 변하므로 그라우팅으로 인한 해저터널 주변암반의 장기적인 거동평가가 요구된다. 본 연구에서는 실내실험을 통해 다양한 축 응력, 양생기간 및 절리조건에서 그라우팅 보강암반의 탄성파 전달특성을 분석하였고 국내에서 사용되는 다양한 암반분류법들의 탄성파 기준을 고려하여 그라우팅 보강암반의 보강정도를 탄성파 속도로 추론하였다.
Abstract
Grouting is frequently used before the construction of subsea tunnels to mitigate problems that can occur in weak ground zones such as joints, faults or unconsolidated settlements during construction. The grout material injected into rock mass often flows through the discontinuities present in the host rock and hence, joint properties such as its distribution, roughness and thickness greatly affect the properties of grouting-improved rocks. The grouting-improved zones near subsea tunnels are also subjected to high water pressures that can cause long-term weathering in the form of changes in grout microstructure and crack formation and lead to subsequent changes in ground properties. Therefore, an assessment method is needed to accurately measure changes in the grouting-improved zones near subsea tunnels. In this study, the elastic wave propagation characteristics in grouting-improved rocks were tested for various axial stress levels, curing time, joint roughness and thickness conditions under laboratory conditions and the results were compared with wave velocity standards in different Korean rock mass classification systems to provide a basis for inferring improvement in grouted rock-mass.
초록
TBM을 적용하는 현장에서 장비 선택, 공사기간 및 공사비용의 합리적인 산정을 위하여 TBM의 굴진성능을 정확하게 예측하는 것은 매우 중요한 사안이다. 본 연구에서는 최신 자료들을 바탕으로 기존의 TBM 굴진성능 예측모델들의 평가과정과 방법론에 대한 분석을 수행하였다. 2000년 이후에 발표된 문헌들에 대한 조사를 토대로 TBM 굴진성능 예측모델의 분류체계를 제시하였다. 본 연구에서 제시한 분류체계에서는 TBM 굴진성능 예측모델에 필요한 입력인자 선정단계와 예측기법 적용단계로 크게 구분하였다. 또한 각 예측모델에서 사용된 입력인자, 출력인자 그리고 예측모델에서 사용된 인자의 적용빈도를 분석하였다. 마지막으로 TBM 굴진성능 예측모델의 현황과 향후 연구방향에 대하여 제언하였다.
Abstract
Prediction of TBM performance is very important for machine selection, and for reliable estimation of construction cost and period. The purpose of this research is to analyze the evaluation process of various prediction models for TBM performance and applied methodology. Based on the solid literature review since 2000, a classification system of TBM performance prediction model is proposed in this study. Classification system suggested in this study can be divided into two stages: selection of input parameter and application of prediction techniques. We also analyzed input and output parameters for prediction model and frequency of use. Lastly, the future research and development trend of TBM performance prediction is suggested.