초록

최근 국가간 대륙간의 정치․경제․문화의 통합에 따른 여객 및 물류수송의 증가로 인해 이를 수용할 수 있는 교통 시스템 건설을 위한 필수적 요소 중 하나인 해저터널의 필요성이 대두됨에 따라 해저터널의 연장이 점차 증가되는 추세에 있다. 하지만, 현재 연장 5 km 이상의 해저터널은 19개가 건설되어 있으나, 연장 50 km 이상의 해저터널 시공 및 운영사례는 전무한 실정이다. 우리나라의 경우에는 한․ 중 해저터널, 한․ 일 해저터널, 호남~제주 해저터널 등 연장 50 km 이상의해저터널이 계획 중에 있으며, 지역특성상 국가간 연결터널이 대다수로서, 해저터널 건설에 대한 기술선점의 중요성이더욱더 크게 대두되고 있다. 이러한 해저터널은 대부분 초장대의 고수압 조건에 건설됨에 따라, 초장대 터널에서의 환기및 방재기술, 고수압 조건에서의 구조적 안정성 확보기술, 열차고속화에 의한 공력저감기술 등 육상터널과는 다른 새로운 개념의 건설기술들이 종합적으로 요구되나, 유로터널 등 기존사례의 기술수준 반영 시에는 과도한 건설비와 건설기간이 소요된다. 이에, 본 논문에서는 호남~제주 구간에 대한 가상설계를 통하여 현재 설계 및 시공사례가 없는 고수압(최대수심 160 m), 초장대(총 연장 108 km), 고속철도(설계속도 350 km) 터널의 구조적 안정성 확보, 시공 중 및 운행 시 효율적 환기․방재 시스템 확립 등 다양한 문제점들에 대한 합리적인 해결방안을 제시하였다.

Abstract

Subsea tunnel needs to be built over 50 km long to connect between nations and continents. However there are only 19 tunnels longer than 5 km until recently. And there is no history of constructing and operating tunnel longer than 50 km. In Korea, subsea tunnels with a length of more than 50 km are being planned, such as Korea~ Japan, Korea~China, Honam~Jeju subsea tunnels. Because of the geographical conditions of Korea, most of these tunnels are inter-contry tunnels. So technology preemption for the subsea tunnel construction is getting more and more important. Most of these subsea tunnels are ultra-long tunnels under high water pressure conditions. So new technologies are required such as ventilation and disaster prevention of high-speed tunnels, securing of structural stability under high pressure conditions, and pressure reduction in high-speed conditions. These technologies are different from those of ground tunnels. Therefore, this paper describes the ultra-long subsea tunnel design under high water pressure of maximum 16 bars through the Honam (land) - Jeju (island) virtual subsea project. We proposed a reasonable solution to various problems such as securing structural stability in high pressure condition and ventilation disaster prevention system of ultra long-tunnel.

초록

초장대 철도터널에서는 화재 시 안전성 확보를 위해서 구난역을 설치하도록 하고 있으나, 구난역에서 제연방식 및 제연풍량에 대한 기준이나 연구결과는 없는 실정으로 제연방식과 적정풍량에 대한 연구가 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 서비스터널이나 상대터널과 연결하는 피난연결통로가 일정간격(40 m 간격)으로 설치된 구난역을 모델링하고 화재강도(15, 30 MW), 제연방식(급기만하는 경우, 강제급배기를 하는 경우, 강제배기만을 하는 경우), 제연풍량(7, 14, 40 m3/s)을 변화시켜 화재해석을 수행하였다. 화재해석결과로 부터 구난역 승강장의 온도 및 CO농도를 분석하고 한계온도기준 ASET을 비교 분석하였다. 그 결과, 화재강도가 15 MW일 때에는 제연풍량이 7 m3/s 이상인 경우에 강제급배기하는 방식과 강제배연을 하는 방식을 적용하면 충분히 안전한 대피환경을 확보할 수가 있는 것으로 나타났다. 또한 화재강도가 30 MW인 경우에는 배연풍량이 14 m3/s 이하에서는 900초 이상 대피환경을 유지하는 것이 불가능하며, 풍량이 40 m3/s일 때에는 상부덕트의 측면부에서 배기하는 경우(SA + EA2, SA + EA4)가 온도측면에서 안전성 확보에 가장 유리한 것으로 나타나고 있다.

Abstract

In the long railway tunnel, in order to secure safety in case of fire, it is required a emergency station. However, there is no standard or research results on smoke exhaust method and exhaust flow rate in emergency station, so it is necessary to study the smoke exhaust system for emergency station. In this study, we are created a numerical analysis model for emergency station where the evacuation cross passage connected to the service tunnel or the relative tunnel was installed at regular intervals (40 m intervals). And the fire analysis are carried out by varying the fire intensity (15, 30 MW), the smoke exhaust method (only air supply, forced air supply and exhaust, forced air exhaust only), and the air flow rate (7, 14, 40 m3/s). From the results of fire analysis, temperature and CO concentration are analyzed and ASET based on the limit temperature are compared at various condition. As a result, in the case with fire intensity of 15 MW, it is shown that a sufficiently safe evacuation environment can be ensured by applying forced air supply and exhaust method or forced air exhaust only method when the air flow rate is 7 m3/s above. In case of fire intensity of 30 MW, it is impossible to maintain the safety evacuation environment for more than 900 seconds when the exhaust air volume is below 14 m3/s. And when the air flow rate is 40 m3/s, the exhaust port is disposed at the side portion of the upper duct, which is most advantageous for securing the temperature-based safety.

초록

사회기반시설의 지중화로 인하여 쉴드 TBM 적용이 점차 확대되고 있는 추세다. 합리적인 공기기간 및 공사비 산정을 위해 쉴드 TBM의 실굴진율을 정확하게 예측하는 것은 매우 중요한 사안이라 할 수 있다. 이러한 이유로 국내에서는 지반의 물성을 합리적으로 반영한 쉴드 TBM의 실굴진율예측모델이 필요한 상황이다. 본 연구는 쉴드 TBM의 순굴진율 산정을 위해 현장 데이터베이스를 기반으로 현장관입지수의 통계적 예측절차를 모듈화 하였다. 출력인자로 현장관입지수를 선정하였고, 비정상치 제거 및 전처리 그리고 최상부분집합선택이 고려된 능형회귀를 적용한 예측시스템을 모듈에 포함하였다. 또한 현장 굴진 데이터를 활용하여 예측모델의 적용성을 확인하였다.

Abstract

The use of shield TBM is gradually increasing due to the urbanization of social infrastructures. Reliable estimation of advance rate is very important for accurate construction period and cost. For this purpose, it is required to develop the prediction model of advance rate that can consider the ground properties reasonably. Based on the database collected from field, statistical prediction procedure for field penetration index (FPI) was modularized in this study to calculate penetration rate of shield TBM. As output parameter, FPI was selected and various systems were included in this module such as, procedure of eliminating abnormal dataset, preprocessing of dataset and ridge regression with best subset selection. And it was finally validated by using field dataset.

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최근 도심지 등에서 활용도가 높아지고 있는 얕은터널은 구조물에 인접하여 얕은 심도에 건설하므로 그 거동에 따른 주변지반 변위에 대한 연구는 아직 충분하지 않다. 특히, 얕은터널의 측벽에서 변위가 일어나면 주변지반의 이완형태 및 주변지반으로 전이되는 하중의 분포와 크기가 영향을 받을 수 있다. 그러나 지금까지 터널의 측벽변위에 관련된 연구는 많지 않고 그나마 터널과 주변지반을 평면변형률조건(plane strain state)으로 단순화하고 터널 전체의 안정이나 파괴메커니즘 규명에 대한 연구에 국한되어 있고, 터널 측벽일부의 변위에 따른 영향을 연구한 사례는 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 터널측벽의 변위가 터널 주변 횡방향 하중전이에 미치는 영향을 규명하였다. 이를 위하여 탄소봉으로지반을 조성하고 알미늄으로 터널의 형상을 모형화하여 터널의 한쪽측벽에 수평으로 변위를 주어 토피(0.5D, 0.75D, 1.0D, 1.25D)를 변화시키면서 모형시험을 수행하였고, 일부 측벽의 파괴에 따른 주변지반의 하중전이 거동을 분석하였다. 연구 결과, 얕은터널에서 토피가 일정깊이(0.75D) 이상이면 토피고에 무관하게 일정한 형태로 터널 측벽파괴가 발생하였고 반대측벽에 영향을 미치지 않았다. 그러나, 토피고가 일정깊이 이하일 경우에는 한쪽 측벽의 파괴가 반대쪽 측벽에까지 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 터널 굴착시 측벽변위가 예상변위량의 50% 발생하면, 터널 파괴는75% 이상 진행되는 것을 발견하였다. 그러나, 지반조건에 따라 차이를 보일 수 있으므로 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract

Nowadays, the construction of tunnels with a shallow depth drastically in urban areas increases. But the effect of sidewall displacement in shallow tunnel on its behavior is not well known yet. Most studies on the shallow tunnel have been limited to the stability and the failure of the tunnel and the adjacent ground in plane strain state. Therefore, the model tests were conducted in a model ground which was built with carbon rods, in order to investigate the impact of the tunnel sidewall displacement on the lateral load transfer to the adjacent ground. The lateral displacement of the tunnel sidewall and the load transfered to the adjacent ground were measured in model tests for various overburdens (0.50D, 0.75D, 1.00D, 1.25D). As results, if the cover depth of tunnel was over a constant depth (0.75D) in a shallow tunnel, the tunnel sidewall was failed with a constant shape not depending on the tunnel cover depth and also not affected by the opposite side of the wall. But, if the cover depth of tunnel was under a constant depth (0.75D), the failure of the tunnel sidewall could affect the opposite sidewall. In addition, if the displacement of tunnel sidewall with 50% of the critical displacement occurred, the tunnel failure was found to be at least 75%. However, additional studies are deemed necessary, since they may differ depending on the ground conditions

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터널이 시공되는 환경은 다양하여 지형이 평탄하지 않거나 지표가 경사가 진 경우가 많으며, 이런 경우에는 지반내 응력의 분포가 일정하지 않다. 그러므로 이와 같은 환경에서는 얕은 터널 굴착에 따라 종방향 하중전이 특성이 달라서 그 영향이 불명확하다. 또한, 시공방법이나 지반조건 및 굴진면의 변위형태 등이 종방향 하중전이 발생경향에 영향 줄 것이므로, 이를 종합적으로 고려한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 지반의 경사를 0°, 10°, 20°, 30°로 모사하고, 굴진면의 변위형태(상부 큰 변위, 등변위, 하부 큰 변위)에 따른 굴진면의 토압과 터널 천단상부의 종방향 하중전이 특성을 실험적으로 규명하였다. 연구결과 굴진면에서 변위가 발생하면 굴진면 토압이 감소하고 터널의 천단 하중이 증가하며, 굴진면의 토압변화량에 따라 터널 천단상부의 하중전이의 크기와 발생경향이 변화되었다. 따라서 굴진면의 토압변화가터널 종방향 하중전이에 직접적인 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 지표경사가 작으면 하중전이 영역이 넓어지며 지표경사가 커질수록 종방향으로 전이되는 경향이 감소하고 굴진면 부근에서 집중되었다. 또한, 굴진면의 변위형태에 따라 종방향으로 전이되는 하중의 분포경향도 달라지므로 종방향 지반의 응력조건과 굴진면의 변위형태는 터널 종방향 하중전이의 형태와 크기에 영향을 주는 것으로 분석되었다.

Abstract

Lots of shallow tunnels are constructed in the mountainous areas where the stress distribution in the ground around tunnel is not simple, also the impact of stress conditions on the longitudinal load transfer characteristics is unclear. The tunnel construction methods and the ground conditions would also affect the longitudinal load transfer characteristics which would be dependant on the displacement patterns of tunnel face. Therefore, in this study, the slope of the ground surface was varied in 0°, 10°, 20°, 30°, and the longitudinal load transfer depended on the deformation conditions of tunnelface (that were maximum deformation on the top, constant deformation, and maximum deformation on the bottom), and the stress distribution at tunnelface. As results, when the tunnelface deformed, the earth presure on the tunnelface decreased and the load at tunnel crown increased. The load transferred on the crown was influenced by the earth presure on tunnel face. Smaller load would be transfered to the wide areas when the slope of ground surface decreased. When the slope of ground surface became larger, the longitudinal load transfer would be smaller and would be concentrated on tunnelface, In addition, the shape of the transferred load distribution in the longitudinal direction was dependant on the deformation shape of tunnelface. The deformation shape of tunnelface and stress conditions in longitudinal sections would affect the shape and the magnitude of the load transfer in the longitudinal directions.

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Abstract

To design segment lining, loads such as self weight, vertical load, horizontal load, ground reaction, water pressure, backfill grouting pressure et al. have to be considered. Earth pressure and water pressure are the major factor to design segment lining such as concrete strength, segment thickness and amount of rebar et al. To analysis earth pressure and water pressure acting on segment lining, filed monitoring and back analysis are performed in this study.

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본 논문에서는 2016년을 기준으로 강화된 터널 방재시설 설치 및 관리지침과, 점차 강화되고 있는 터널 CCTV설치 터널등급 기준과 터널 영상유고감지 시스템의 설치 운용에 대한 요구의 증가 상황을 정리해 보고하였다. 그럼에도, 가동중인알고리즘 기반의 터널 영상유고감시 시스템의 정상 인지율은 50%가 채 되지 않는 것으로 파악되었으며, 그에 대한 주원인은 터널 내 낮은 조도, 심한 먼지로 인한 영상 선명도 저하, 낮은 CCTV 설치위치로 인한 이동객체의 겹침현상 등으로파악되었다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 열악한 조건에서도 영상유고 정상 인지율을 확보할 수 있는 딥러닝 기반 영상유고감지 시스템을 개발하였으며, 이에 대한 이론적 배경 제시와 시스템의 타당성 검토 연구가 진행되었다. 개발 시스템의 타당성 검토 연구는 터널 방재시설 및 관리지침 내 영상유고감지 항목중 정지 및 역주행 차량을 감지하는 주요 정보인차량 객체 인식과 보행자 감지를 중심으로 진행되었다. 또한, (1) 동일 터널 내에서 학습과 추론이 이루어 지는 경우와 (2) 다양한 터널의 영상 정보를 통합 학습하고, 각 터널의 영상유고감지에 투입되는 경우, 두개의 시나리오를 설정하여 타당성 검토를 진행하였다. 두 시나리오 모두 일정 시간의 학습 자료와 유사한 상황에 대해서는 열악한 터널환경과 무관하게그 감지성능이 80% 이상으로 우수하나, 추가 학습 없이 학습된 시간 구간과 멀어질수록 그 추론 성능은 상대적으로 낮은40% 수준으로 떨어짐을 알 수 있었다. 그러나, 시간이 지남에 따라 자동으로 누적되어 확장되는 영상유고 빅데이터를반복적으로 학습함으로써, 설치된 영상유고감지 시스템의 보완이나 보정절차 없이도 자동으로 그 영상유고감지 성능이향상될 수 있음을 보였다.

Abstract

In this study, current status of Korean hazard mitigation guideline for tunnel operation is summarized. It shows that requirement for CCTV installation has been gradually stricted and needs for tunnel incident detection system in conjunction with the CCTV in tunnels have been highly increased. Despite of this, it is noticed that mathematical algorithm based incident detection system, which are commonly applied in current tunnel operation, show very low detectable rates by less than 50%. The putative major reasons seem to be (1) very weak intensity of illumination (2) dust in tunnel (3) low installation height of CCTV to about 3.5 m, etc. Therefore, an attempt in this study is made to develop an deep-learning based tunnel incident detection system, which is relatively insensitive to very poor visibility conditions. Its theoretical background is given and validating investigation are undertaken focused on the moving vehicles and person out of vehicle in tunnel, which are the official major objects to be detected. Two scenarios are set up: (1) training and prediction in the same tunnel (2) training in a tunnel and prediction in the other tunnel. From the both cases, targeted object detection in prediction mode are achieved to detectable rate to higher than 80% in case of similar time period between training and prediction but it shows a bit low detectable rate to40% when the prediction times are far from the training time without further training taking place. However, it is believed that the AI based system would be enhanced in its predictability automatically as further training are followed with accumulated CCTV BigData without any revision or calibration of the incident detection system.

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도심지 도로는 도시민의 안락한 편익을 제공하기 위해서 차량과 보행이 집중되고 각종공급배관들이 매설되어 있으며 도시민은 도로에 접하고 있는 건축물을 주거, 사무, 상업, 휴게공간으로 이용하면서 안락한 생활을 영위하고 있다. 그러므로 높은 토지비용에도 불구하고 토지이용효율이 높은 지하건축물이 꾸준하게 건설되고 있다. 최근 지하건축물의 개착공사로 인해서 주변도로와인접건물이 침하되는 등의 도시안전성 저해문제가 사회적으로 크게 이슈되고 있으며 이를 개선하기 위한 제도개선이 활발히 이루어지고 있다. 본 연구에서는 도심지 지하건축물의 지하굴착 안전성을 확보하고 주변 침하로 인한 민원을 효과적으로 예방할 수 있도록 새로운 형태의 강재주열벽을 개발하였으며 이를 이용한 지하건축물 가설공법에 관한 연구를 수행하였다. 또한 강재주열벽의 휨강도 시험을 통해서 강도설계법을 적용한 흙막이 벽체의 합리적인 설계방법을 제시하였다.

Abstract

Urban roads are not only congested with vehicles and pedestrians, but also have many pipelines buried to provide convenience for inhabitants. In addition, urban inhabitants live comfortably in buildings adjacent to the road for residence, business, commerce, rest and so on. Therefore, despite the high cost of land, urban underground buildings with high land use efficiency are constantly being built. Recently, the construction of underground buildings has caused social problems such as the collapse of surrounding roads and adjacent buildings. Institutional improvement is being actively carried out to improve this. In this study, a new type of MSRC diaphragm wall was developed and a study on the construction method of underground building was carried out. It is intended to secure the underground excavation safety of underground buildings in urban areas and effectively prevent land subsidence complaints. Also, a reasonable design method of MSRC diaphragm walls using the ultimate strength design method is presented through the flexural performance Experiment.

초록

발파진동 안정성 평가는 일반적으로 발파 진동추정식을 통해 최대진동속도(PPV)를 산정하고 추정된 속도 값과 법규 혹은 기준에 제시된 허용 기준 값을 비교하여 안정성 여부를 판단한다. 현장 고유의 발파 진동추정식은 시험 발파의 횟수, 대상지반의 지질학적 구조와 발파 조건에 따라 달라지기 때문에 이 식을 통해 정확한 응답 값을 예측하는 것은 한계가 있다. 또한 최대진동속도는 지반에 예상되는 응답 값으로 구조물에 대한 직접적인 평가는 불가능하다. 이와 같은 한계점으로 인해 발파 진동에 대한 구조물의 정밀한 안정성을 평가할 경우 엔지니어들은 상용화된 수치해석 프로그램을 이용한다. 하지만 폭발로 인해 발생하는 발파공 주변 암반의 복합적인 상태변화(파쇄, 분쇄, 균열, 소성변형)를 기존 수치해석프로그램으로 정확히 모델링 하기가 쉽지 않다. 만약 이러한 일련의 과정을 모사할 경우 절점 수의 제한으로 인해 모델링이 가능한 범위가 한정적이고 긴 연산시간이 소요된다. 따라서, 본 연구에서는 폭발로 발생하는 암반의 복합적 상태변화과정을 모사하지 않고 파쇄영역 이후 탄성에너지 전파만을 모사하는 해석 방법에 대한 연구를 수행하였으며, 이때 파쇄영역의 형상 및 크기에 따른 속도의 응답특성을 분석하였다. 그 결과 폭원 주변에서는 설정되는 파쇄영역에 따라 계산된속도의 크기 및 감쇠에 차이를 보였다. 전파되는 진동은 폭원으로부터 멀어질수록 구형으로 확산되는 것으로 나타났다.

Abstract

In evaluation of blast-induced vibration, peak particle velocity (PPV) is generally calculated by using attenuation relation curve. Calculated velocity is compared with the value in legal requirements or the standards to determine the stability. Attenuation relation curve varies depending on frequency of test blasting, geological structure of the site and blasting condition, so it’s difficult to predict accurately using such an equation. Since PPV is response value from the ground, direct evaluation of the structure is impractical. Because of such a limit, engineers tend to use the commercial numerical analysis program in evaluating the stability of the structure more accurately. However, when simulate the explosion process using existing numerical analysis program, it’s never easy to accurately simulate the complex conditions (fracture, crushing, cracks and plastic deformation) around blasting hole. For simulating such a process, the range for modelling will be limited due to the maximum node count and it requires extended calculation time as well. Thus, this study is intended to simulate the elastic energy after fractured zone only, instead of simulating the complex conditions of the rock that results from the blast, and the analysis of response characteristics of the velocity depending on shape and size of the fractured zone was conducted. As a result, difference in velocity and attenuation character calculated depending on fractured zone around the blast source appeared. Propagation of vibration tended to spread spherically as it’s distanced farther from the blast source.

초록

도심지에서 지하철, 공동구 등의 지하시설물 건설을 위해 TBM 터널 공법 적용의 필요성이 증가하고 있다. 터널공사는 지반의 변동성 및 불확실성으로 인하여 건설 중 다양한사고 발생 위험요소를 내재하고 있고, 사고발생 시 인명 피해 유발 및 복구에 큰 비용이소요되므로 계획 및 설계단계에서 공사의 위험요소를 도출하고 저감대책을 수립하는 리스크 관리가 매우 중요하다. 본 연구에서는 문헌 연구 및 전문가 의견 조사를 통하여 도심지 TBM 터널 공사 안정성에영향을 미치는 총 31개의 위험요소를 도출하였고, 전문가 합의에 의한 의사결정 방법인 델파이 기법을 통해 위험요소별중요도를 평가하였다. 최종적으로 내용타당도 기준을 만족하는 12개의 위험요소가 결정되었으며, TBM 터널공사 중 사고 예방을 위한 중점 관리요소로 활용 가능할 것이다.

Abstract

There is a growing need to apply TBM tunnelling method for the construction of underground facilities such as subways and utility tunnels in urban areas. Due to the variability and uncertainty of the ground, tunnelling in urban areas has various safety hazards which could cause damage to people and properties and it is very costly to recover from accidents. Therefore, it is very important to identify hazards from the planning and design phase and to establish risk mitigation measures. In this study, a total of 31 hazards affecting the stability of TBM tunnelling works in urban areas were listed from both the technical literature and correspondence with experts in tunnelling area. The importance and priorities of the hazards were analyzed by conducting Delphi technique, which is a decision-making method by consensus among experts. Finally, 12 hazards that satisfy the content validity criteria were settled and could be used as major control factors for accident prevention during TBM tunnelling works.

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해외에서는 이미 많은 국가에서 대부분의 터널공사가 쉴드TBM공법으로 발주되고 있으며, 국내 기업도 활발하게 참여하여 수행하고 있는 실정이다. 국내의 경우는 재활용 장비를 활용한 전력구, 가스관로, 상하수도 공사를 중심으로, 지하철 터널의 경우는 신규장비를 활용한 7 m 이상의 쉴드TBM공법이 주로 발주되고 있다. 쉴드TBM은 한번 제작되면 변경하기 쉽지 않으므로, 해당 공사의 다양한 특성을 만족하도록 제작조건에 대해 충분한 정보를 발주자가 제공할 필요가있다. 본 연구는 먼저 최적의 쉴드TBM 제작을 위해 최근 홍콩과 영국에서 발주된 도심지 터널공사의 입찰안내서에서제시한 제반 조건들을 검토하고, 국내의 입찰안내서와 비교분석하였다. 이러한 분석결과는 향후 국내에서 쉴드TBM을이용하여 터널공사를 수행하고자 하는 경우, 입찰 및 제작에 대한 보다 발전된 가이드라인을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract

In many countries, most of the tunneling works have been ordered by the shield TBM, and also Korean companies are actively bidding and execute in this project. In case of Korea, refurbished machines are mainly using in power cable, gas pipelines, and water and sewage tunnel. Also in metro projects, shield TBM of over diameter 7m is required mainly by using brand new machine. Since the shield TBM is not easy to change once it is produced, it is necessary for the client to provide sufficient information on the production conditions so as to satisfy various characteristics of the construction. In this study, to manufacturing optimal shield TBM, the Client’s TBM requirements of tunnel construction in Hong Kong and UK was analyzed and compared with the domestic requirements. The results are expected to provide as client’s guidelines for bidding stage and manufacturing for shield TBM tunneling in Korea in the future.

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터널 굴착에 따라 발생하는 지반이완하중은 이론식, 경험식 및 수치해석적 방법에 의해 산정할 수 있다. 이론식 및 경험식에 의한 방법은 지반조건, 터널형상, 그리고 시공조건을 고려할 수 없다. 그러나 수치해석적인 방법은 터널 굴착으로인해 발생하는 굴착면 주변의 변위와 응력 분석이 가능하며, 지반조건 및 시공조건을 고려한 지반이완하중 산정이 가능하다. 터널 굴착면 주변에 발생하는 응력전이효과를 파악할 수 있는 최대주응력과 최소주응력과의 차이와 최대주응력에대한 비로서 응력전이비(e)를 제시하였다. 이 결과를 이용하여 터널 굴착에 따른 굴착면 주변에서의 이격된 거리에 따라발생하는 주응력 차이에 의한 지반이완 영역을 확인할 수 있었다. 또한, 지반등급별 변화와 응력전이비(e) 변화에 따른수치해석을 실시하여 지반이완하중 값의 차이를 확인할 수 있었다. 본 연구의 방법과 기존의 지반이완하중 산정 결과와비교한 결과, 응력전이효과(e = 10%)를 고려한 결과값이 한계변형률을 이용한 방법보다는 지반이완하중이 다소 크게나타났으나 대체로 이론식 및 경험식 보다는 작게 나타났다. 따라서 응력전이효과를 고려한 지반이완하중 산정은 실제지반조건과 터널 시공조건을 고려한 것으로 콘크리트라이닝 설계에 적용 가능한 방법이 될 것으로 판단된다.

Abstract

Theoretical, empirical and numerical methods are used to evaluate the rock load due to tunnelling. Theoretical and empirical methods do not consider ground conditions, tunnel shape, and construction conditions. However, through numerical analysis, it is possible to analyze the displacement and stresses around tunnel due to its excavation, and evaluate the rock load considering ground and construction conditions. The stress transfer ratio(e) which is defined as a ratio of the difference between the major and minor principal stresses to major principal stress is used in order to understand the stress transfer effect around the tunnel excavation using numerical analysis results. The loosend area around tunnel periphery was found based on this approach. The difference of rock load from stress transfer effect were found according to the ground grade. From comparison, rock load obtained from stress transfer effect (e = 10%) were somewhat larger than the results obtained from the critical strain method, but smaller than those obtained from theoretical and empirical methods. The stress transfer effect approach considers the ground condition, tunnel shape; therefore, it can be applied to evaluate the rock load in concrete lining design.

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본 논문은 원형 자유면을 이용한 암반 파쇄에 대한 수치해석적 연구이다. 암반 파쇄시균열 발생에 대한 메커니즘을 알아보기 위하여 수치해석을 통해 응력 및 변형율 경로를분석하였다. 수치해석 결과로부터 균열선의 주응력 분석으로 최대 주응력을 산출하여취성 재료의 파괴와 균열 진전에 대하여 분석 규명하였다. 또한 본 연구결과를 통하여암반파쇄시 균열 진전 방향이 전환되는 거동 메커니즘을 제시하였다.

Abstract

This paper presents key findings obtained from the numerical experiment investigating into the use of the cylindrical cavity for rock splitting operations. The stress and strain path analyses were carried out in order to provide a better insight into the crack formation. The principal stress analysis carried out along the crack line using the results obtained from these numerical analyses allowed the failure of the brittle material and the crack propagation to be investigated. This paper also suggested possible reasons for the change in crack direction observed during the rock splitting operations using the results obtained.

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Abstract

The Discrete Element Method (DEM) is one of the useful numerical methods to analyze the behavior of the ground formation by computing the motion and interaction using particles. The DEM has not been applied in civil engineering but also a wide range of industrial fields, such as chemical engineering, pharmacy, material science, food engineering, etc. In this study, to review a performance of the spoke-type earth pressure balance (EPB) shield TBM (Tunnel Boring Machine), the commercial software based on the DEM technology was used. An analysis of the TBM during excavation was conducted according to two pre-defined excavation conditions with the different rotation speed of a cutterhead. During the analysis, the resistant torque at the face of the cutterhead, the compressive force at the cutterhead and shield surface, the muck discharge at the screw auger were measured and compared. Upon the two kinds of excavation conditions, the applicability of the DEM analysis was reviewed as a modelling method for the TBM.

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Abstract

This paper is a study on railway tunnel behavior characteristic of shallow overburden under the existing road. In order to understand the behavior characteristics of the ground deformation during tunnel excavation, a horizontal rod extensometers were installed in the passage area of the shallow overburden tunnel under the road, and the measurement and analysis were carried out. To compare the in situ measurement, three dimensional numerical analysis with ground condition and construction step was carried out using MIDAS NX. As a result of the field measurement, large preceding settlement occurred where the poor ground condition with shallow overburden excavation has been conducted. As a result of the numerical analysis, the largest settlement occurred at the shallow overburden point where the ground condition was poor. Therefore, in the shallow overburden section where the soil condition is poor and a sufficient depth can’t be secured and the arching effect of the ground around the tunnel can’t be expected, careful attention should be paid to the application of stiffness reinforcement measures and to minimize ground loosening.

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Abstract

The objective of this study was to evaluate the freezing and thawing resistance of the existing drainage system for leakage treatment of underground concrete structures operating in cold regions. The freezing and thawing test was conducted on 4 types of drainage system specimens to evaluate the freezing and thawing resistance of the drainage system. The freezing and thawing resistance was evaluated on 4 types of Hotty-gel, as a waterproofing material, connection methods and on two methods to fix the drainage board with Hotty-gel on the surface of cement concrete specimen. One cycle of the freeze-thaw testing was 48 hours (24 hours of freezing and 24 hours of thawing), and the temperatures of freezing and thawing were at -18°C and 10°C, respectively. Among the 4 types of Hotty-gel connection methods, leakage occurred after 28 cycles (8 weeks) of freeze-thawing only in the Hotty-gel connection method with the ‘V’ groove applied to the corner of the drainage board. No leakage occurred in the 3 types of Hotty-gel connection methods. In two fixing methods, leakage occurred in the method of fixing the drainage board on the cement concrete specimen using the washer, screw and plastic wall plug. Leakage occurred at one point after 10 cycles (3 weeks) of freezing and thawing. After 28 cycles (8 weeks) of freezing and thawing, leakage point increased to 5 points. As time passed, the leak point was not increased, but the amount of leakage was increased at each leak point. The Hotty-gel connection method with cross-sectional diagonal shape was evaluated to be the highest in the production efficiency considering the production time and manufacturing method of the Hotty-gel connection shape. In the construction efficiency considering the construction time and construction method, the fixing method of air nailer, fixed nail and washer was superior to that of the washer, screw and plastic wall plug.