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지하관거 균열로 인한 지하수의 흐름은 주변 지반의 토사유실을 야기하여 관거 인접 지반에서의 공동발생, 나아가 지반함몰(싱크홀) 원인이 된다. 본 연구는 관거의 균열을 모사하는 모형시험을 통해 비점착성 지반에 위치한 지중 비압력 관거의 균열로부터 비롯되는 지반함몰 메커니즘과 이로 인한 파괴모드를 조사하였다. 토사유실 및 함몰 영향인자로서 균열크기, 관거유속, 지하수위, 토피고 그리고 지반구성재료 등을 채택하여 이들 인자들이 함몰거동에 미치는 영향을 조사하였다. 각 인자들에 따른 지반파괴의 형상(파괴모드)과 지반유실량을 분석한 결과, 토피고와 지하수위가 일치하는 경우 최종파괴모드는 침식각이 불연속적으로 변화하는 ‘Y’형으로 관찰되며, 지하수위가 더 높게 위치하는 경우 침식각이일정한 파괴면 형상인 ‘V’형으로 나타난다. 토피고가 증가하는 경우의 파괴형상에서 토피고 영향에 무관한 길이와 토피고에 따라 점진적으로 증가하는 폭을 갖는 수직함몰구간이 형성되는 결과를 얻었다.

Abstract

Groundwater flow induced by cracks in a buried pipe causes ground loss in the vicinity of it which can lead to underground cavities and sinkhole problems. In this study, the ground collapse mechanism and the failure mode based on an aperture in the pipe located in cohesionless ground were investigated through a series of physical model studies. As the influence parameters, size of the crack, flow velocity in the pipe, groundwater level, ground cover depth and ground composition were adopted in order to examine how each of the parameters affected the behavior of the ground collapse. Influence of every experimental condition was evaluated by the final shape of ground failure (failure mode) and the amount of ground loss. According to the results, the failure mode appeared to be a ‘Y’ shape which featured a discontinuous change of the angle of erosion when a groundwater level was equal to the height of the ground depth. While in the case of a water table getting higher than the level of ground cover depth, the shape of the failure mode turned to be a ‘V’ shape that had a constant erosion angle. As the height of the ground depth increased, it was revealed that a mechanism where a vertically collapsed area which consisted of a width proportional to the ground height and a constant length occurred was repeated.

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Abstract

Subsea tunnel can be highly vulnerable to seawater intrusion due to unexpected high-water pressure during construction. An artificial ground freezing (AGF) will be a promising alternative to conventional reinforcement or water-tightening technology under high-water pressure conditions. In this study, the freezing energy and required time was calculated by the theoretical model of the heat flow to estimate the total amount of refrigerant required for the artificial ground freezing. A lab-scale freezing chamber was devised to investigate changes in the thermal and mechanical properties of sandy soil corresponding to the variation of the salinity and water pressure. The freezing time was measured with different conditions during the chamber freezing tests. Its validity was evaluated by comparing the results between the freezing chamber experiment and the numerical analysis. In particular, the freezing time showed no significant difference between the theoretical model and the numerical analysis. The amount of refrigerant for artificial ground freezing was estimated from the numerical analysis and the freezing efficiency obtained from the chamber test. In addition, the energy ratio for maintaining frozen status was calculated by the proposed formula. It is believed that the energy ratio for freezing will depend on the depth of rock cover in the subsea tunnels and the water temperature on the sea floor.

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쉴드 TBM 공사에서 뒤채움압은 지표 침하는 물론 주변 지하 구조물의 안정성에 영향을미친다. 따라서 설계단계에서 뒤채움압을 미리 산정하는 것은 필수적이다. 본 연구에서는 전 세계적으로 제시되어 있는 7가지 뒤채움압 산정 이론을 고찰하고 비교하였다. 6가지의 가상 지반조건을 가정하여, 그에 따른 뒤채움압을 산정하고 분석하였다. 그 결과, 토피고가 증가함에 따라 산정되는 뒤채움압이 증가하나 그 증가율은 감소함을 알 수 있었다. 또한 산정된 뒤채움압이 지표및 천단침하에 어떻게 영향을 미치는 지를 파악하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 그 결과, 불포화 지반조건 및 포화 지반조건 모두에서 동일하게 지표 및 천단 침하는 뒤채움압 보다는 막장압에 더욱 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 또한 토피고가 증가할수록 뒤채움압의 영향이 감소하고, 적용 막장압이 감소함에 따라 뒤채움압의 영향이 증가함을 알 수 있었다.

Abstract

Backfill injection pressure in shield TBM affects not only ground settlement but also adjacent underground structures. Therefore, it is essential to estimate a suitable backfill injection pressure in advance in design stage. In this paper, seven suggested equations worldwide to calculate the backfill injection pressure were reviewed and compared. By assuming 6 cases of virtual ground condition, backfill injection pressures were calculated and analyzed. it was confirmed that the backfill injection pressure increases as the depth of overburden increases, but the increasing ratio decreases. The numerical analysis was carried out by applying the calculated backfill injection pressure to investigate the influence of backfill injection pressure on the settlement of surface and crown of tunnel. It was confirmed that the final settlement at the surface and crown of tunnel on the both unsaturated and saturated condition are more influenced by the applied face pressure than the applied backfill injection pressure. In addition, the effect of backfill injection pressure decreases as the depth of overburden increases, and the effect of backfill injection pressure increases as the applied face pressure decreases.

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최근 한국에서는 지반함몰(ground subsidence) 현상이 자주 발생하고 있다. 이에 정부에서는 지하안전관리에 관한 특별법을 제정하였고, 2018년 1월 1일부터 법이 시행될 예정이다. 이 법에 의하면, 지하 굴착 시 지하안전영향 평가를 수행해야 하며, 이후에도 주기적으로 지구물리탐사 기법을 통해서 지하공동의 발생 유무를 조사하여야 한다. 지하공동 발견 시에는 수치해석을 통해서 지하안전성을 평가하도록 규정하였다. 하지만, 발견된 지하공동을 수치적으로 모델링하는 방법이 정해지지 않아서 논란의 여지가 있다. 본 연구에서는 지하공동의 형상 및 지표로부터 지하공동까지의 깊이에 따른영향을 연속체 해석 프로그램을 사용해서 검토하였다. 본 연구를 통해서 지하공동의 형상을 수치모델링에 반영하는 방법을 제시하였고, 지하공동의 형상 및 깊이와 전단강도감소기법으로 산정된 안전율과의 관계를 제시하였다. 본 연구의결과는 지하안전영향평가에 관한 기초 자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract

In recent years, the occurrence of ground subsidence phenomenon is frequent in Korea. The Korean government has enacted a special law on underground safety and the law will be enforced from January 1, 2018. Under this new law, underground excavation should be assessed for underground safety impacts. After excavation construction, periodic geophysical surveys should be conducted to investigate the occurrence of underground cavities. When underground cavities were discovered, the underground safety was assessed through numerical analysis. However, it is controversial because the method of numerical modeling the discovered underground cavity is due to be established. In this study, the effect of the depth of the underground cavity from the shape of the underground cavity to the underground cavity was studied using a continuum analysis program. In this study, a method to reflect the shape of the underground cavity to the numerical modeling is presented. The relationship between the shape and depth of the underground cavity, and the factor of safety calculated by the shear strength reduction method (SSR) is presented. The results of this study are expected to form the basic data on underground safety impact assessment.

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본 연구에서는 도로터널의 횡류환기 및 반횡류환기 방식의 설계 방안을 도출할 목적으로 수치해석적인 방법에 의해서환기특성을 고찰하고 소요환기량과 환기 시스템 용량의 관계를 검토하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다. 급 ․ 배기 횡류환기방식에서 환기시스템의 급 ․ 배기풍량은 이론적으로 소요환기량과 자연환기량의 차가 되나, 해석결과에 의하면환기시스템 용량은 소요환기량과 자연환기량의 차보다 약 10%정도 증가하는 것으로 나타나고 있다. 또한 제트팬을 설치하여 종방향 풍속을 증가시키는 경우, 환기시스템의 급배기 풍량은 감소하나, 터널풍속이 증가할 수록 터널 내 농도가감소하기 때문에 오염물질에 대한 배기효과가 감소하여, 횡류 환기시스템의 용량 감소효과는 감소하는 것으로 나타나고있다. 급기만 하는 반횡류식에서는 터널입구 풍향이 차량진행방향과 반대인 경우에는 환기시스템의 급기풍량은 소요환기량과 동일하나, 해석결과에서는 약 13.3% 이내의 범위에서 증가하는 것으로 나타나고 있으며, 터널입구 풍속이 음수인 상태에서는 제트팬 댓수를 증가하여 도 환기효과는 기대할 수 없는 것으로 나타났다.

Abstract

In this study, the ventilation characteristics and the relationships between the required ventilation flow rate and the ventilation system flow rate was investigated by numerical method for the optimum design of the transverse ventilation and semi-transverse ventilation system in road tunnels. The following results were obtained. In supply ․ exhaust transverse ventilation system, the system supply-exhaust air flow rate is theoretically equal to the difference between the required ventilation flow rate and natural ventilation flow rate. However, it is shown that it increases by about 10% in the analysis results. And, in the case of the longitudinal air flow rate is increased by installed jet fans, ventilation system air flow rate is reduced. However, as the longitudinal air flow rate increases, the concentration of pollutants in the tunnel decreases, so the exhaust effect of pollutants decreases, and the effect of reducing the system air flow rate is decreased. In case of semi-transverse with only air supply, ventilation system air flow rate is equal to required ventilation air flow rate when tunnel inlet velocity is negative, but results is shown it is increased within about 13.3%. Also, it was found that ventilation effect can not be expected even if the jet fans are increased when the tunnel inlet velocity is negative.

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기존의 공동구에 관한 연구에서는 공동구 내부의 수용시설물들의 최적설계 및 타당성 분석 보다는 공동구 설치와 관련된 전반적인 사항에 대하여 검토 하였다. 공동구 도입과 관련된 기본계획 단계에서의 관련 지표 및 자료 등의 부족으로수용시설물을 결정하기가 어려운 한계점을 해결하고자, 본 논문에서는 공동구 내 수용시설물의 최적 대안 결정을 위하여 VE/LCC 분석 방법을 제시하였다. 개별 수용시설물의 항목에 대한 분석 및 LCC 비용에 대한 가치지수를 종별 대안에적용하여 검토 하였으며, 각 종별 우선순위를 분석하였다. 또한, 국내 공동구와 각 종별 시설물의 분석된 결과를 비교하였으며, 본 연구의 결과는 공동구의 도입 시에 최초 설계자를 포함한 사용자들이 수용시설물을 결정하는 과정에서 소요되는 시간을 단축하고 편의성을 높이는데 도움이 될 것으로 판단된다.

Abstract

The study on the existing multi-utility tunnel has examined the general aspects related to the installation of multi-utility tunnel rather than the optimal design and feasibility analysis of accommodation facility in multi-utility tunnel. In the basic planning stage related to the introduction of multi-utility tunnel, it is difficult to determine accommodation facility due to lack of relevant indicators and data. In this paper, VE/LCC analysis method is suggested for the optimal alternative decision of accommodation facilities in multi-utility tunnel. The analysis of the items of individual accommodation facility and the value index for LCC costs were applied to the kind alternatives, and the priorities of each kind were analyzed. In addition, the domestic multi-utility tunnel and analysis result are compared. The result of this study will be helpful to shorten the time and convenience of the user in the process of determining accommodation facility including the first designers when introducing multi-utility tunnel.

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국내 고속철도 터널에 주요 방재시설물인 피난연결통로 방화문이 설치되고 있으나, 고속으로 통행하는 열차의 고압력으로 인하여 방화문에 강한 충격 및 장기간 진동으로 인하여 잦은 파손 및 유지보수가 발생되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 방화문 개선이 필요하나, 국내에서는 단순 KS F 2296 성능시험에 의한 인증서를 제출하여 설치되고 있다. 현재 국내에서는 사전에 이론적인 검토 없이 실규모 방화문 제작에 의한 단순 시험인증 여부로 개발 되다보니, 개선을 위한고비용이 발생되고 있는 실정으로 사전에 구조적인 안전을 확보할 수 있는 설계방안의 검토가 필요하다. 따라서 본 연구를 통하여 피난연결통로 방화문 설계 및 성능개선 효율화를 위해 사전 구조 검토가 가능한 구조해석 연구를 수행하였으며, 이러한 결과 값에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 실규모 시작품 제작을 통한 공인 인증시험(KS F 2296)에서 발생된결과 값을 비교검토 하였다.

Abstract

In the tunnel of domestic high - speed railway, the main fire - fighting facility, fire - extinguishing passageway, is installed. However, due to the high pressure of the high - speed train, frequent breakage and maintenance are caused by strong shock and long - term vibration. In order to solve these problems, it is necessary to improve the fire door, but in Korea, it is installed by submitting a certificate by simple KS F 2296 performance test. At present, it is developed as a simple test certification by producing a real scale fireproof door without the theoretical examination in advance, so that a high cost for improvement is occurring in Korea. Therefore, through this study, structural analysis study which can preliminary structure review was carried out in order to design the refuge connection passage fire door and to improve the performance improvement. In order to secure the reliability of the result value, the official authentication test (KS F 2296) were compared.

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서울 및 수도권의 교통 집중과 정체로 인하여 지하 공간 활용성이 필요함에 따라 여러 지하 구조물의 건설이 증가하고 있다. 그 중 대표적인 구조물로 복층터널이 있다. 복층터널은 상, 하부 차도를 구분하여 운영하고 있고, 그 가운데 중간슬래브가 있다. 중간슬래브는 차량의 하중 및 지진하중에 의하여 동적거동을 보이게 되는데, 특히 지진의 의한 응답특성은 하중의 크기 및 작용 메커니즘이 매우 복잡하고 이론적 접근이 어려워 실험적 연구가 필요하다. 본 연구에서는 복층터널의중간슬래브의 지지조건에 따른 지진 시 응답특성을 파악하기 위해 원심모형시험을 수행하였다. 중간슬래브의 양쪽 지지조건을 양단 강결, 탄성 받침의 2가지 경우로 나누어서 인공지진파 및 Ofunato (단주기)지진파, Hachinohe (장주기)지진파 3가지의 지진파를 적용하여 시험을 수행하였다. 그 결과, 양단 강결 조건에 비해 탄성 받침 조건의 가속도 응답이 인공지진파에서 최대 10.6%, 단주기 지진파에서 최대 13.6%, 장주기 지진파에서 최대 10.3% 감쇠됨을 확인하였다.

Abstract

Due to the concentration and congestion of traffic in Seoul metropolitan area, effective utilization of underground space is required, and construction of various underground structures such as a double deck tunnel is increasing. Double deck tunnels are divided into upper and lower runways, and the most important part is middle slab. To investigate seismic behavior of middle slab, experimental study is required because of the complexity of the load and the mechanism of earthquake. In this study, centrifugal model tests were conducted to investigate the response characteristics of earthquake response according to the support conditions of the middle slab of a double deck tunnel. Artificial, Ofunato (short period) and Hachinohe (long period) seismic waves were employed in the experimental study. As a result, it was confirmed that the acceleration attenuation of elastomeric bearings condition was 10.6% in artificial earthquake, 13.6% in Ofunato earthquake, and 10.3% in Hachinohe earthquake. The results indicate that elastomeric bearings have some advantages in the viewpoint of seismic behaviors.

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최근 국내에서 공용중인 국도터널의 효율적 관리를 위해 IT 기반의 터널 통합관리 시스템을 구축하여 운용 중에 있다. 이시스템은 지진에 대한 관리 기능이 포함되어 있지 않기 때문에 지진에 대한 신속한 대응과 내진 보강 대상 구간을 선별하는 것이 불가능하다. 특히, 1999년 이후부터 설계 및 시공된 터널은 재현주기 1000년(붕괴방지수준)을 기준으로 내진설계가 되어 있기에 이 이상의 지진이 발생할 경우 구조물에 대한 안정성은 별도의 평가가 필요한 실정이다. 그러나 다양한지진규모에 대해 안정성 평가를 수행하려면 물리적으로 많은 시간이 소요되므로 보다 간편하게 평가할 수 있는 방법이필요하다. 따라서 본 논문에서는 지진에 대한 평가를 간편하게 수행할 수 있는 경험적 간편식을 제안하고자 하였다. 이를위해 1차원 지반응답해석을 수행하여 지반 변위를 계산하였고, 응답변위법의 2가지 방법(해석해와 수치해석)을 사용하여 지진 시 터널의 안정성을 검토하였다.

Abstract

The country has built and is operating IT-based integrated management system for efficient management of national highway tunnels used publicly these days. Since this system doesn’t include the management function on earthquakes, it is impossible to promptly respond to earthquakes and to select the sections requiring seismic reinforcement. Tunnels designed and constructed after 1999 have been subjected to seismic design for an earthquake with a return period 1000 years. Therefore, it is necessary to evaluate the stability of structures in case of earthquakes more than this. Since it takes a lot of time to perform the stability evaluation on various earthquake magnitudes, a method that can easily evaluate earthquakes is needed. In this paper, the empirical simplification method that can easily evaluate the earthquake was proposed. For this, the study calculated ground displacement by conducting one-dimensional ground response analysis, and examined the safety of tunnels in the event of occurrence of an earthquake using two means of response displacement method (analytics and numerical analysis).

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Abstract

The shield TBM method is widely adopted for tunneling works in urban area because it has more beneficial ways to control settlement at ground surface than conventional mined tunneling. In the shield tunneling, backfill grouting at tail void is crucial because it is supposed not only to restraint ground deformation around tail void during excavation but also to compensate precedent ground settlement by pushing up the ground with highly pressurized grout. However, the tail void grouting has been found to be ineffective for settlement compensation particularly in sandy ground, which might be caused by complicate interaction between ground and tail void grouting. In this paper, the effects of tail void grouting on behavior of ground in shield TBM tunneling were investigated based on 3-dimensional finite element analyses. The results of numerical analyses indicated that backfill grouting actually reduces settlement by degrading settlement increasing rate in excavation, which means decrease of volume loss. Meanwhile, the grouting could not contribute to compensate the precedent settlement, because reduction of volume loss by grouting was found to be counterbalanced by volume change of ground.

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도심지 터널에서 지하도로는 지상도로와의 연결을 위한 램프터널을 계획하게 되고 본선터널과 램프터널이 접속되는 구간에서 대단면 터널과 분기구간이 생성된다. 본선터널과 램프터널이 접속하는 근접구간에서 응력집중으로 터널의 안정성에 심각한 문제를 초래할 수 있다. 따라서 필라부의 안정성을 확보하는 것은 터널의 안정성을 좌우하는매우 중요한 요소라 할 수 있다. 본 연구에서는 복층터널을 대상으로 본선터널, 분기부대단면 터널 단면을 계획하고, 분기부 암반 필라의 거동을 2차원 수치해석 방법으로 검토하였다. 양호한 지반조건인 암반 III등급에서 램프터널이 본선터널에 접속하는 방법을 달리하여 필라폭에 따른 지반 안정성을 평가하였으며, 안전율 1.5 이상을 확보할 수 있는 터널 필라폭을 제안하였다.

Abstract

The tunnel can be planned to connect to underground roadway and surface road. The large tunnel and branch section are made when the ramp tunnel access to the main tunnel. In the branch section, stress concentration can be assigned and it can be very important for the stability of the tunnel. This study assessed the behavior of rock pillar in double deck tunnel diverging area by using a two dimensional numerical analysis. This study evaluated different safety factors according to pillar width and the ramp tunnel position in branch. By the assessment of the strength-stress ratio, tunnel pillar width is suggested in order to secure the safety factor 1.5.

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현재 국내터널에 적용중인 벽면마찰계수는 단순히 외국의 연구결과를 인용하여 사용하고 있는 실정이다. 또한 기존 선행연구들에서는 속도감쇄법을 이용하여 벽면마찰계수를 추정하였으나, 터널 내 수렴풍속이 음수(-)이거나 자연풍의 변화가 있는 경우에는 벽면마찰계수에 대한 추정이 어려운 점이 있었다. 이에 따라 본 연구에서는 기존 속도감쇄법과 더불어 동적 시뮬레이션기법을 적용하여 벽면마찰계수를 추정하였다. 분석결과, 총 9개 터널(양방향 18개 튜브)에대한 터널 내 마찰계수는 0.011~0.025 정도로 분석되었으며, 평균값은 0.020로 추정되었다. 또한, 본 연구를 통해 정량적으로 획득한 벽면마찰계수를 현재 적용중인 설계기준과 비교하였다.

Abstract

In most of cases, the wall friction coefficients applied for local tunnel design are quoted directly from foreign data or local design guideline. In the previous studies, the wall friction coefficient was estimated using the velocity decay method. However, it is difficult to estimate the wall friction coefficient when the convergence wind velocity in the tunnel is negative (-) or if there is a change in the natural wind. Therefore, in this study, the wall friction coefficient is estimated by applying the dynamic simulation technique in addition to the conventional the velocity decay method. As a result of the analysis, the coefficient of wall friction in the tunnels for the total of 9 tunnels (18 tubes both directions) was 0.011~0.025, and the mean value was estimated to be 0.020. In addition, the wall friction coefficient obtained quantitatively through this study was compared with the current design criteria.

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대구지하철 화재사고가 발생한 이후에 국민의 안전에 대한 관심이 높아지고 열차 내부의 재료는 불연성 재질로 모두 변경되었지만 소화 설비에 관한 개발은 미비한 상태이다. 열차는 철판 재질로 둘러싸여 화재 시 일반적인 소화설비를 이용하면 소화하기 매우 어렵다. 본 논문은 실물화재 실험을 통하여 정차된 열차 화재를 압축공기포 소화설비를 활용하여 빠르고 손쉽게 소화할 수 있는 방안에 대하여 연구하였다. 구난역에 정차된 열차의 화재를 소화하기 위해서 창문 파괴장치를 이용하여 열차 유리창을 빠르게 파괴하고 압축공기포 소화설비를 열차 내부에 삽입하여 직접적으로 소화할 수 있도록 하였다. 창문 파괴장치를 이용하여 열차 유리창을 5초 만에 파괴하였으며, 압축공기포 소화설비를 열차 내부에 삽입하고 압축공기포를 방사하여 30초 만에 열방출량 11.88 MW 규모 화재를 진압하였다. 압축공기포 소화설비를 이용하여 화재 확산 방지와 터널 구조물 보호가 가능하도록 추가적인 실험 연구가 필요하다.

Abstract

Since the Daegu subway fire accident, people’s perception of safety has increased, and all materials inside the train have been changed to incombustible materials. However, there is still a lack of development of fire extinguishing systems. Train components are mostly made of steel plates, and therefore it is very difficult to extinguish the train fire by using general fire extinguishing equipment. In this regard, this paper investigated rapid and easy methods of extinguishing the train fire by using compressed air foam systems through full-scale fire tests. To extinguish the fire of train at rescue station, window breakers were used to quickly destroy the train windows, and the compressed air foam system was inserted inside the train. As a result, the train windows were destroyed in 5 seconds, and the 11.88-MW fire was put out in 30 seconds by the compressed air foam discharged from the compressed air foam system inserted inside the train. For the future work, there is a need for further experimental studies to prevent the spread of fire and protect tunnel structures with the use of compressed air foam systems.

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쉴드 TBM 공법은 터널 굴착으로 인한 터널 굴진면과 굴착면의 변형을 억제하여 지반의 변형을 최소화할 수 있는 공법이다. 이를 위해 쉴드 TBM의 운전 조건들을 적절히 제어하는 것은 매우 중요하다. 쉴드 TBM 공법의 여러 가지 운전 조건 중 굴진면압과 뒤채움주입압은 지반에 직접 압력을 가하는 과정으로 굴착에 인한 지반변위의 억제 뿐만 아니라, 지반내 유효응력 및 간극수압의 변화에 영향을 미치는 요인이다. 굴진면압과 뒤채움압의 작용에 대한 지반의 반응은 지반의강성 및 투수성에 따라 상이하다. 특히, 포화된 연약 점성토의 경우 굴진면압과 뒤채움압에 의한 지반 내 응력 변화의 영향이 장시간동안 잔류하므로 이에 대한 반응은 투수성이 큰 지반과 구별되는 거동을 보인다. 따라서 본 논문에서는 유한요소법을 이용한 응력 ̶간극수압 연계 매개변수해석을 통해 포화 점성토 지반에서 쉴드 TBM 운전 조건과 지반의 강성과투수성이 지표침하에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 연구 결과, 점성토 지반의 지표침하는 즉시침하와 압밀침하로 구분할 수 있었으며, 특히 압밀침하 거동은 지반의 투수성과 강성의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 또한, 굴진면압과 뒤채움압의 증가가 항상 지표침하 감소로 이어지지는 않고, 임의 크기의 압력(한계 압력) 이상으로 증가된 굴진면압과 뒤채움압은 역으로 지표침하를 증가시키는 요인으로 작용할 수 있음이 확인되었다.

Abstract

The shield tunneling method can minimize surface settlements by preventing the deformation of tunnel face and tunnel intrados due to tunnel excavation. For this purpose, it is very important to control the operating conditions of shield TBM. The face pressure and backfill pressure for tail void grouting should be the most important and immediate measure not only to restrain surface settlement, but also to influence the effective stress and pore water pressure around the circumstance of tunnel during excavation. The reaction of the ground to the application of face pressure and backfill pressure relies on the stiffness and permeability of ground. Especially, the reaction of saturated clayey ground formations, which shows the time-dependent deformation, is different from the permeable ground. Hence, in this paper it was investigated how the TBM operating conditions, ground stiffness, and permeability impact on the surface settlement of saturated clayey ground. For this purpose, a series of parametric studies were carried out by means of the stress-pore water pressure coupled FE analysis. The results show that the settlement of soft clayey ground is divided into the immediate settlement and consolidation settlement. Especially, the consolidation settlement depends on the ground stiffness and permeability. In addition, the existence of critical face pressure and backfill pressure was identified. The face pressure and backfill pressure above the critical value may cause an unexpected increase in the ground settlement.

초록

쉴드 TBM 공사에서 굴진율 예측과 마모량 예측은 설계 및 시공 단계에서 공사비와 공기를 추정하는데 매우 중요한 요소이다. 암반지반용 TBM의 경우 실험이나 축적된 현장 data를 기반으로 CSM 모델, NTNU 모델 등이 커터 마모량부터굴진율 예측까지 널리 사용되고 있으나, 토사지반용 TBM은 지반의 복잡성과 정확한 실험방법의 부재로 인해 이를 정확하게 예측할 수 있는 모델이 없는 실정이다. 본 연구에서는 기존에 존재하는 토사지반용 TBM 실험장치들의 단점을 개선하여 TBM 굴착과정을 모사한 실험 장치(Soil Abrasivity Penetration Test, SAPT)를 개발하였다. 회전당 관입 깊이, RPM, 첨가재(foam) 배합비 및 농도 등의 TBM 굴진에 영향을 미치는 주요 변수들에 대한 시험을 실시하여 추력, 토크등의 변화를 살펴보고 마모량을 측정하였다. 모래(규사) 70%와 점토(일라이트) 30%로 조성된 인공시료에 대한 실험 결과 foam 배합비가 굴진성능과 마모량에 주요한 영향을 끼치는 것으로 나타났다.

Abstract

The excavation performance and the cutting tool wear prediction of shield TBM are very important issues for design and construction in TBM tunneling. For hard-rock TBMs, CSM and NTNU model have been widely used for prediction of disc cutter wear and penetration rate. But in case of soft-ground TBMs, the wear evaluation and the excavation performance have not been studied in details due to the complexity of the ground behavior and therefore few testing methods have been proposed. In this study, a new soil abrasion and penetration tester (SAPT) that simulates EPB TBM excavation process is introduced which overcomes the drawbacks of the previously developed soil abrasivity testers. Parametric tests for penetration rate, foam mixing ratio, foam concentration were conducted to evaluate influential parameters affecting TBM excavation and also ripper wear was measured in laboratory. The results of artificial soil specimen composed of 70% illite and 30% silica sand showed TBM additives such as foam play a key role in terms of excavation and tool wear.

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쉴드TBM 터널의 프리캐스트 콘크리트 세그먼트 라이닝의 보강재로 철근이 주로 사용되어 왔으나, 철근 보강량을 줄이기 위하여 섬유보강재를 적용하는 연구가 진행되어 오고 있다. 세계적으로 터널 시공성을 향상시키기 위하여 강섬유보강재를 적용한 연구와 시공이 진행되어 왔으나, 터널 라이닝 방수막에 대한 펀칭, 자체 부식에 의한 내구성 및 미관상의문제로 인하여 이에 대한 적용이 국내에서는 미뤄지고 있는 실정이며, 이에 대한 대책으로 합성섬유가 강섬유의 대체제로 주목 받고 있다. 이 연구에서는 섬유(강섬유, 합성섬유) 보강재를 사용한 프리캐스트 콘크리트 세그먼트의 파괴시험을 통하여 성능을 분석하여 현장에서의 적용 가능성을 평가하였다. 그 결과 강섬유와 합성섬유의 조합이나 합성섬유의혼입량에 따라 보조철근의 대체가 가능한 것으로 분석되었다.

Abstract

Steel bars have been widely used as the primary reinforcement for Precast Segmental Concrete Lining for TBM Tunnels. Previously, studies have been carried out to gauge the potential for steel fiber reinforcement to replace the use of steel bar reinforcements in the segmental lining to reduce the amount of the steel bar reinforcement. Steel fiber reinforcements have been investigated and widely applied to SFRC TBM linings to improve the constructability of SFRC TBM linings worldwide. However, the steel fiber reinforcement often caused punctures to the water membranes inside tunnel lining and had long-term durability deterioration issues caused by steel corrosion, as well as cosmetic problems. Therefore, this paper sought to gauge the potential of synthetic fiber reinforcements, which have proven to be very attractive substitutes for steel fiber reinforcements. This study analyzed the performance of both steel and synthetic fiber reinforcements in segmental linings and evaluated the applicability of the fiber reinforcements to the TBM Precast Concrete Segmental Linings of TBM tunnels. As a conclusion, this study demonstrates that the potential use of steel and synthetic fibers in various combination, can substitute the rebar reinforcement in the concrete mix for segmental concrete linings.

초록

사질토에서의 시멘트 침투 그라우팅 거동 특성을 실내 챔버 모형실험 결과를 토대로 흙의 입도분포에 따라 시멘트 침투그라우팅 불가 영역, 시멘트 침투 그라우팅 가능 영역, 그리고 급결제 혼합 필요 영역으로 구분하였다. 시멘트 침투 그라우팅 가능 영역에서는 대표 간극 반지름의 개념을 제안하였고 사질토에서의 평균 간극 반지름에 대한 대표 간극 반지름의 비를 실내실험 결과와 폐색 이론식을 비교함으로 구할 수 있었으며, 입도분포에 따라 1.07에서 1.35 정도가 됨을 알수 있었다. 또한 실험 조건 별로 실험결과와 이론식을 비교하여, lumped parameter ()를 흙의 대표 간극 반지름과 시멘트 그라우트재의 물시멘트비로부터 구할 수 있는 관계식을 제안하였다. 급결제 혼합 필요 영역에서는 겔화 시간의 조절을 통한 주입 깊이의 제한과정을 실험적으로 검증하였고 그 실험값이 시간에 따른 점도 변화 함수를 적용한 이론값과 일치하는 것을 확인하였다.

Abstract

The behavior of cement-based permeation grouting is divided into three different groups depending on the grain size distribution of the soils: (1) zone of cement-based permeation grouting not feasible; (2) zone of cement-based permeation grouting feasible; and (3) zone in which an accelerating agent should be added to limit the penetration depth. In the cement-based permeation grouting feasible zone, the concept of a representative pore radius was proposed. The ratios of the representative pore radius to the mean pore radius were obtained by performing laboratory test and comparing with clogging theory; these values were in the range of 1.07 and 1.35 depending on the grain size distribution of the soils. In addition, a functional relationship between the lumped parameter (), the representative pore radius and the w/c ratio were derived by comparing and matching experimental results with predictions from theory. In the zone in which the accelerating agent should be added, the controlling process of gel time to limit the penetration depth was experimentally verified. The test results matched well with those obtained from theory utilizing the developed grout penetration program on condition that the viscosity increasing tendency of grout suspension with time is properly taken into account.

초록

최근 ‘도로터널 방재시설 설치 및 관리지침’의 개정으로 인해 터널 내 제연용 제트팬의 용량 산정 시에는 열부력을 고려하도록 규정하고 있다. 그러나 열부력을 고려하는 세부방법론에 대한 규정이 없어, 이에 대한 세부적인 추가 연구가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 터널 내 화재 시 열부력을 고려하기 위하여 3차원 수치해석 시뮬레이션을 수행하여 터널 내열부력을 계산하고, 화재차량의 진행방향에 따라 열부력과 차량항력의 관계, 즉, 화재차량의 위치에 따른 터널 내 제연용 제트팬 용량 산정방법에 대하여 검토를 수행하였다. 분석결과에 따르면, 하향경사 터널의 경우에는 열부력이 터널 내저항력으로 작용하며, 터널 내 화재연기를 제연하기 위해 필요한 제연팬의 승압력은 단순히 터널 입구부의 열부력 값과출구부의 차량항력값에 의해 단순히 결정되지 않으며, 터널 내 화재차량의 위치에 따라 종합적인 검토가 필요한 것으로분석되었다.

Abstract

As a result of the recent revision of the ‘Guideline for Installation and Management of Fire Prevention Facility in Road Tunnels’, the thermal buoyancy has to be taken into account when calculating the capacity of jet fans for smoke control in tunnel fires. However, there is no detailed methodologies for considering thermal buoyancy, so further study is needed. In this study, the thermal buoyancy in the tunnel is calculated by 3-D numerical simulation to consider the thermal buoyancy in case of fire in tunnels, and the relationship between heat buoyancy and vehicle drag, And the method of calculating the capacity of the jet fan for smoke control in tunnels. According to the analysis results, heat buoyancy acts as a resistance force in the case of a down-slope tunnel, and the pressure rise of jet fan for smoke control is not simply determined by the value of heat buoyancy at the entrance of the tunnel and the value of the vehicle drag at the exit. And it is analyzed that it is necessary to carry out a comprehensive review according to the location of the fire vehicle in tunnels.

초록

Abstract

A 3 dimensional numerical analysis for shield TBM tunnel should take into account various characteristics of the shield TBM excavation, such as gap, tail void, segment installation, and backfill injection. However, analysis method considering excavation characteristics are generally mixed with various method, resulting in concern of consistency and reliability degradation of the analytical results. In this paper, a parametric study is carried out by using actually measured ground settlement data on various methods that can be used for 3 dimensional numerical analysis of shield TBM tunneling. As a result, we have analyzed and arranged an analytical method to predict similarly the behavior of ground settlement and tunnel face pressure at the design stage. Skin plate pressure, backfill pressure and soil model have been identified as the most significant influences on the ground settlement. The grout pressure model is considered to be applicable when there is no volume loss information on the excavated ground, such as seabed tunnels, or when it is important to identify the behavior around a tunnel, such as surface settlement as well as face pressure. And it is considered that designers can use these guidelines as a base material to perform a reasonable 3 dimensional numerical analysis that reflects the ground conditions and the features of the shield TBM tunneling.

초록

다수의 승객들이 이용하는 지하철은 안전과 공간의 쾌적한 환경관리가 필수적이며, 2003년 이후 기준 강화로 승강장 내에 스크린도어(PSD)를 반드시 설치해야 한다. 선행연구에 따르면 지하철 화재 시에 화재연기의 배연을 위해 배연설비의 설비용량 최적설계가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 선행연구의 실험 결과를 바탕으로 3차원 수치해석기법을 이용하여 PSD가 설치된 승강장 내에서 화재발생 시 배연시스템 별로 CO가스와 Smoke의 유동을 분석하였다. 본 연구의 결과 비상시 상부 배연설비만 가동한 경우에는 CO 가스와 Smoke 농도는 653.8 ppm과 768.4 mg/m3로 피난 시 승객들의위험이 큰 것으로 분석되었으며, 모든 배연설비를 가동하고 화재측 PSD만을 개방한 경우 CO 가스와 Smoke 농도 36.0 ppm 및 26.2 mg/m3를 보이며 화재연기의 전파범위가 줄어드는 것으로 분석되었다. 모든 배연설비를 가동하고 화재측PSD를 미개방한 경우에는 화재연기 유입이 발생하지 않아서 대피환경에 있어 가장 효과적인 배연모드로 분석되었다.

Abstract

The subway used by many passengers is required to maintain a safe and comfortable environment and PSD (Platform Screen Door) must be installed in the platform after reinforcing the standard in 2003. In the previous research, in case of subway fire to control it, it is necessary to design the optimal ventilation and smoke exhaust system according to equipment capacity of the smoke exhaust system. Therefore, in this study, based on the results of previous research, three-dimensional numerical analysis was performed for the CO gas and smoke flow by the subway ventilation system in case of platform fire. As a result of this study, it was found that in case of emergency, if only the upper-level smoke exhaust system is activated, the risk of evacuation is high due to CO gas (653.8 ppm) and smoke concentration (768.4 mg/m3). And when all the smoke exhaust systems are activated and only the fire side PSD is opened, CO gas (36.0 ppm) and smoke concentration (26.2 mg/m3) are detected and the propagation range of smoke flow was reduced. When all the smoke exhaust systems are activated and only the fire side PSD is closed, it was analyzed as the most effective ventilation mode in the evacuation environment due to the absence of smoke-recirculation.

초록

“한국터널지하공간학회 논문집에 출간된 논문 (19권 4호, pp. 589-609)의 저자 중 일부를 다음과 같이 정정함을 알려드립니다: 본 논문의 저자인 권준욱이 제1저자로서 논문작성을 주도하였으며 기존 저자들인 김선명과 김수홍은 논문 작성에의 기여가 미미한것으로 저자들이 합의하고 편집위원회에 정정을 요청하여, 이에 따라 제1저자를 권준욱으로 수정하고 김선명과 김수홍을 저자에서 제외하였습니다. 또한 저자들의 요청에따라 참고문헌에 누락된 권준욱의 박사논문 서지를 추가하였습니다.”

Abstract

The editorial board announces that some of the authors of the paper published in Journal of Korea Tunnelling and Underground Space Association (Vol. 19, No. 4, pp. 589-609) are corrected as follows: Among the authors of this paper, its preparation was led by Jun Wook Kwon as the first author, and little contribution were done by Sun Myung Kim and Soo Hong Kim who were previously its co-authors. The authors agreed with and requested the revision that its first author should be corrected as Jun Wook Kwon, and both Sun Myung Kim and Soo Hong Kim are excluded from the paper. The bibliography of Kwon’s doctorial dissertation which was originally missing in the references of the paper is also added and cited in the revised paper based on the author’s request.