초록

본 연구에서는 고준위폐기물 처분장 내 완충재 로 제시되고 있는 벤토나이트의 재료적인 측면에서 장 ‧ 단기 처분 안정성을 분석하였으며, 처분효휼 향상을 위한 완충재 디자인 관련 대안개념에 대해 연구동향을 분석하였다. 일반적으로150~250°C 사이에서 온도증가 및 증기발생 등으로 인해 완충재의 수리전도도와 팽윤능에 비가역적인 변화가 발생한다고 보고된다. 하지만 완충재의 최고온도가 최소한 150°C를 초과하지 않는다면 온도가 벤토나이트 완충재의 재료적, 구조적 그리고 광물학적 안전성에 미치는 영향은 크지 않는 것으로 분석되었다. 완충재 최고온도 제한은 심층처분장 단위면적에 처분할 수 있는 폐기물의 양을 제한하여 처분효율을 결정하며, 나아가 처분부지의 확보 가능성에까지 영향을 미치는 중요한 설계 인자이다. 따라서 고온이 완충재의 성능에 미치는 영향을 규명함으로써 완충재의 최고온도 제한을 완화하고, 이를 통해 심층처분장의 처분밀도 향상과 처분장 설계의 최적화를 도모할 필요가 있다. 이와 더불어 처분효율을극대화하기 위해서는 복합소재(흑연, 실리카 등) 및 다중구조(전도층, 절연층 등)의 고기능성 공학적방벽재 개발과 다층처분장(multilayer repository)으로 처분장 레이아웃을 변경하는 방법 등을 병행하여 검토할 필요가 있다. 이는 처분사업의 신뢰성 및 국민 수용성 확보에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract

Short-and long-term stabilities of bentonite, favored material as buffer in geological repositories for high-level waste were reviewed in this paper in addition to alternative design concepts of buffer to mitigate the thermal load from decay heat of SF (Spent Fuel) and further increase the disposal efficiency. It is generally reported that the irreversible changes in structure, hydraulic behavior, and swelling capacity are produced due to temperature increase and vapor flow between 150~250°C. Provided that the maximum temperature of bentonite is less than 150°C, however, the effects of temperature on the material, structural, and mineralogical stability seems to be minor. The maximum temperature in disposal system will constrain and determine the amount of waste to be disposed per unit area and be regarded as an important design parameter influencing the availability of disposal site. Thus, it is necessary to identify the effects of high temperature on the performance of buffer and allow for the thermal constraint greater than 100°C. In addition, the development of high-performance EBS (Engineered Barrier System) such as composite bentonite buffer mixed with graphite or silica and multi-layered buffer (i.e., highly thermal-conductive layer or insulating layer) should be taken into account to enhance the disposal efficiency in parallel with the development of multilayer repository. This will contribute to increase of reliability and securing the acceptance of the people with regard to a high-level waste disposal.

초록

쉴드터널은 직경 3~4 m 규모의 전력구 등에 주로 적용되었으나, 최근 직경 7~8 m 규모의 쉴드터널이 인천국제공항 활주로 하부에 시공되었으며, 한강 하저구간 도로 및 철도터널 시공완료 및 계획중에 있다. 쉴드터널 단면이 증가함에 따라 세그먼트 또한 대형화되고 있으며, 이로 인하여 세그먼트의 설계, 시공 및 성능평가 시 여러 문제점이 야기되고 있다. 따라서 본 연구에서는 직경 약 8 m 규모의 쉴드터널에 대한 현장계측 및 실대형 하중재하 시험을 통하여 쉴드터널 세그먼트 라이닝 구조적 안정성 분석, 축력을 고려한 세그먼트 사용성 검토방안의 적합성 및 품질관리 방안에 대하여 검토하였다.

Abstract

The shield tunnel was mostly applied to cable tunnel with a diameter of 3~4 m, recently 7.8 m diameter shield tunnel was constructed in the lower section of the Incheon International Airport runway and is planning or under construction to roads and railway tunnels in the lower section of the Han River. Segments are also becoming larger as the shield tunnel cross-section increases, which causes a number of problems in the design, construction, and performance evaluation of segments. In this study, segment lining structural safety, criteria for serviceability check considering axial forces and quality control method for approximately 8 m in diameter shield tunnel were reviewed by field measurements and full scale bending test.

초록

지하공동에 관한 정량적인 안정성 평가는 전단강도감소기법 기반의 안전율로 제시가 가능하다. 또한 전단강도감소기법은 사면안정해석에서 일반적으로 사용되고 있는 안정성 평가방법 중에 하나이다. 하지만 지중에 발생 가능성이 많은 공동과 사면의 잠재 파괴면과의 관계를 안정성 평가 시 동시에 고려한 연구는 미흡한 형편이다. 본 연구에서는 소규모 지하공동이 사면의 파괴양상에 미치는 영향에 대해서 전단강도감소기법을 사용하여 분석하였다. 빙하학 연구 중에 일부를고찰해보면, 빙하 내부에 존재하는 공동이 빙하의 슬라이딩 발생 조건 중 하나임을 제시한 사례가 존재한다. 본 연구에서는 전단강도감소기법이 지반공학적으로 사용되고 있는 지하공동의 안정성 및 사면안정해석 분야에 대해서 동시 발생 조건을 고려해서 영향 분석을 수행하였다. 산악도로 하부에 발생 가능성이 있는 지하공동의 형상, 위치 변화에 따른 사면안정해석에 대해서 FLAC3D 프로그램에 내장된 전단강도감소기법을 사용하여 분석하였고, 지하공동이 사면 안전율에미치는 영향을 확인하였다. 사면의 잠재파괴면 인근에 지하공동이 존재하면 안전율 산정에 영향을 미치므로 이에 대한사항을 고려해야 할 것으로 판단된다. 본 연구의 결과는 지하공동 발생 가능성이 있는 사면에 대한 안정해석에 관한 기초자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract

Quantitative stability assessment of underground cavities can be presented as a factor of safety based on the Shear Strength Reduction Method (SSRM). Also, SSRM is one of the stability evaluation methods commonly used in slope stability analysis. However, there is a lack of research that considers the relationship between the probability of occurrence of cavities in the ground and the potential failure surface of the slope at the same time. In this study, the effect of small underground cavities on the failure behavior of the slope was analyzed by using SSRM. Considering some of the glaciology studies, there is a case that suggests that there is a cavity effect inside the glacier in the condition that the glacier slides. In this study, the stability evaluation of underground cavities and slope stability analysis, where SSRM is used in geotechnical engineering field, was carried out considering simultaneous conditions. The slope stability analysis according to the shape and position change of underground cavities which are likely to occur in the lower part of a mountain road was analyzed by using SSRM in FLAC3D software and the influence of underground cavities on the slope factor of safety was confirmed. If there are underground cavities near slope potential failure surface, it will affect the calculation of a factor of safety. The results of this study are expected to be basic data on slope stability analysis with small underground cavities.

초록

본 연구에서는 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine) 터널 디스크 커터의 적절한 교체시기를 예측하기 위한 방법으로 머신러닝 기법을 사용한 방법을 제안하였으며, 이를 위해 국내 기 시공된 쉴드 TBM 현장의 데이터를 이용하여 다양한 머신러닝 알고리즘 중SVM (Support Vector Machine)을 이용하여 예측 모델을 구축하고 그 성능을 평가하였다. 지반 조건별 디스크 커터의 마모와 높은 상관성을 갖는 TBM 기계 데이터와 디스크 커터 교체 이력을 분류하고, 이들을 SVM의 변수로 사용하여 3종류의 분류 함수를 적용하여 각각 학습을 한 후 예측을수행한 결과, 각 지반 조건에 대해서 3종류의 SVM 분류 함수 중 전체적으로 RBF (Radial Basis Function) SVM의 예측성능이 가장 우수하며(평균적으로 80%의 정확도, 10% 오분류율), 지반 조건별로 구분 시 디스크 커터 교체 데이터의 수가 많을수록 예측 결과가 좋은 것으로 나타났다. 향후 많은 데이터를 축적하고 이를 모두 활용하여 학습모델을 지속적으로 발전시켜 나간다면 이와 같은 디스크 커터 교환주기를 예측하기 위한 머신러닝 기법의 실무 적용성이 매우 클 것으로기대한다.

Abstract

In this study, a machine learning method was proposed to use in predicting optimal replacement period of shield TBM (Tunnel Boring Machine) disc cutter. To do this, a large dataset of ground condition, disc cutter replacement records and TBM excavation-related data, collected from a shield TBM tunnel site in Korea, was built and they were used to construct a disc cutter replacement period prediction model using a machine learning algorithm, SVM (Support Vector Machine) and to assess the performance of the model. The results showed that the performance of RBF (Radial Basis Function) SVM is the best among a total of three SVM classification functions (80% accuracy and 10% error rate on average). When compared between ground types, the more disc cutter replacement data existed, the better prediction results were obtained. From this results, it is expected that machine learning methods become very popularly used in practice in near future as more data is accumulated and the machine learning models continue to be fine-tuned.

초록

최근 음향방출(Acoustic Emission, AE) 센서를 이용하여 지하 암반 내 구조물의 손상을 평가하는 기법이 활발하게 사용되고 있다. 암반 손상 시 발생되는 미소파괴음은 시간 및 주파수 영역에서 다양한 음향방출 특성인자로 분석된다. 암반내 초기 균열 발생부터 최종 파괴까지의 특징을 파악하기 위해서는 외부응력 수준과 암반 강도에 따른 음향방출 특성인자 발생 양상을 이해하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 경암과 연암 강도를 가진 화강암 시편을 이용하여 일축 압축시험을 수행하여, 암석 시편 파괴 시 발생하는 음향방출 특성인자를 분석하였다. 실험결과, 응력 비율이 증가할수록 이벤트횟수, 실효값, 최대 진폭, 절대 에너지가 경암 시편에서 연암 시편 보다 높은 경향을 보였다. 또한, 주파수 관련 특성인자는 응력 비율 증가나 시편의 물성특성에 대해 민감도가 낮은 것으로 분석되었다. 본 연구에서 암석 시편 파괴에 따른 음향방출 특성인자 분석 결과, 실효값(RMS)이 가장 민감한 인자로 평가되었다. 본 연구의 결과는 음향방출 기반 모니터링수행 시 암반 손상 정도 평가를 위하여 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract

A monitoring method based on acoustic emission (AE) sensor has been widely used to evaluate the damage of structures in underground rock. The acoustic emission signal generated from cracking in material is analyzed as various acoustic emission parameters in time and frequency domain. To investigate from initial crack generation to final failure of rock material, it is important to understand the characteristics of acoustic emission parameters according to the stress ratio and rock strength. In this study, uniaxial compression tests were performed using very strong and weak rock specimen in order to investigate the acoustic emission parameters when the failure of specimen occurred. In the results of experimental tests, the event, root-mean-square (RMS) voltage, amplitude, and absolute energy of very strong rock specimen were larger than those of the weak rock specimen with an increase of stress ratio. In addition, the acoustic emission parameters related in frequency were more affected by specification (e.g., operation and resonant frequency) of sensors than the stress ratio or rock strength. It is expected that this study may be meaningful for evaluating the damage of underground rock when the health monitoring based on the acoustic emission technique will be performed.

초록

Abstract

In recent years, the needs for double deck-tunnels have increased in large cities due to the increase in traffic volume and high land compensation costs. In Korea, a network type tunnel which is smaller than general road tunnels and crosses another tunnel underground is planned. In the shield tunnel joints between the existing shield tunnel and the box-type enlargement section, a partial steel-concrete joint is proposed where the bending moment is large instead of the existing full-section steel joint. In order to analysis the enlargement section of the shield tunnel diverged section to reflect the three-dimensional effect, the two-dimensional analysis model is considered to consider the column effect and the stiffness effect of the longitudinal member. A two-dimensional analysis method is proposed to reflect the stiffness of the longitudinal member and the column effect of the longitudinal point by considering the rigidity of the longitudinal member as the elastic spring point of the connecting part in the lateral model. As a result of the analysis of the model using the longitudinal member, it was considered that the structural safety of the partial steel-concrete joint can be secured by reducing the bending moment of the joint and the box member by introducing the longitudinal member having the stiffness equal to or greater than a certain value.

초록

TBM 터널굴착에서 실질적으로 지반을 굴착하는 역할을 하는 부분인 커터헤드는 TBM 순굴진율에 직접적인 영향을 끼치는 중요한 부분이다. 따라서 현장조건과 TBM에 적합한 커터헤드 설계가 이루어져야 한다. 현재까지 수행되어온 커터헤드 설계에 관한 연구는 커터배치에 관한 연구가 대부분이다. 국내에서 동일한 조건에 스크래퍼 설치 방향만 다른 커터헤드가 현장에서 사용되고 있으나 스크래퍼 설치 방향이 TBM 굴진에 어떠한 영향을 끼치는지에 관한 연구를 찾아보기힘들다. 따라서 본 논문에서는 스크래퍼 설치방향이 쉴드 TBM 굴진에 어떤 영향을 끼치는지 나타내었고 개별요소법을이용하여 스크래퍼 설치 방향이 쉴드 TBM 굴진에 끼치는 영향을 확인하였다. 스크래퍼 설치 방향이 바깥쪽으로 되어있는 경우, 스크래퍼 설치 방향이 안쪽인 경우보다 커터헤드 개구부로 유입되는 단위시간당 입자의 양이 적으며 커터헤드에 더 많은 부하가 작용하였다.

Abstract

In tunnel excavation by TBMs, a cutterhead, which practically excavates the ground, is an important part directly affecting net penetration rate. Most of the researches on the cutterhead design that have been carried out until now are on the cutter arrangement. It is difficult to find a study for the effect of the scraper installation direction on TBM excavation although same cutterheads except for direction of the scraper are used in Korea. Therefore, this paper shows how the direction of scraper installation affects shield-TBM excavation. Discrete element method was used to identify the effect of scraper installation direction on shield-TBM excavation. When the scraper installation direction was outward, the amount of particles per unit time flowed into the cutter head opening was smaller than when the scraper installation direction was inward, and more loads were applied to the cutterhead.

초록

도시기반시설인 지중관거의 노후화가 심화되면서, 최근 도심지의 관거 주변에서 공동발생과 지반함몰 사례가 빈번하게 보고되고 있다. 지중관거 균열과 관련된 공동발생 및 지반함몰에 대해 많은 연구가 수행된 바 있으나, 기존 연구내용은 주로 관거의 균열 발생원인과 지반침하 거동에 집중되어 있다. 본 연구에서는 관거의 균열을 통한 지하수와 토립자 유출특성과 공동발생 메커니즘을 조사하였다. 또한, 토사유출로 인해 공동이 발생하고 지반함몰로 발전해가는 과정에 대한 가설을 수립하여 토립자 유출의 수리적 특성을 규명하고자 하였다. 관거 균열을 통한 토립자 유출 및 공동발생 메커니즘 규명을 위해 실내모형실험을 수행하였다. 모형실험으로부터 관거 균열을 통해 유출된 토립자를 측정하고, 실험과정을 영상촬영하여 PIV 분석을 통해 입자의 이동특성을조사하였다. 본 연구를 통해 지중에서 발생하는 토립자의 이동, 공동발생 및 지반함몰 거동은 근본적으로 지하수의 이동에 의해 발생하는 것이며, 균열 위치와 관거 형상에 영향을 받음을 확인하였다.

Abstract

Recently, in urban areas, cavities and ground collapse adjacent to underground structures are frequently reported. Several studies on the cavity generation by structure cracks have been made, however they are focused on the cause of cracks and settlement of the ground. In this paper, soil particle and groundwater discharge through pipe cracks and cavity generation mechanism are investigated. The theoretical analysis of the groundwater, which is the main factor of the drainage of the soil particles, and the particle transport mechanism and flow characteristics were investigated. An experimental model test was carried out to identify the mechanism of cavity generation by underground buried pipe cracks. The soil particle weight of discharge through the cracks, and the movement characteristics of the particles were analyzed using PIV. In this study, it is clearly identified that soil particle movements, cavity generation and ground collapse that occur in the ground are basically caused by the movement of groundwater.

초록

본 연구에서는 3개의 공용중인 NATM터널에서 수행된 정밀안전진단 GPR탐사 결과로 라이닝 두께분포 및 배면상태특성을 분석하였다. 라이닝 천장에서 실시한 GPR 자료분석으로 라이닝 콘크리트와 1차지보재 사이에 공간이 대부분존재하는 것으로 분석되었다. 다수의 라이닝 종단탐사로 분석된 횡단 두께의 좌·우 불균형은 8.6~253.5 mm로 확인되었으며 급격한 두께편차 주변에서 종방향균열 발생을 확인하였다. 라이닝 천단 중앙에서 실시된 종단 두께 분포는 3개의적합도 검증을 통해 터널별 최적의 분포함수가 선정되었다. 종방향 라이닝 두께의 평균이 설계기준 이상인 경우 정규분포 및 이와 유사한 분포 특성을 나타내고 있으며, 설계두께 이하의 터널에서는 Gamma, Inverse Gauss분포함수가 해당터널의 라이닝을 대표하기 위한 최적함수로 적합할 것으로 판단하였다. NATM터널(무근) 라이닝의 두께분포는 터널의상태평가 및 안전성평가를 전반적으로 분석하기 위한 중요한 지표가 될 수 있으며, 향후 기존의 일정한 설계 두께를 적용하기 보다는 GPR탐사를 반영한 라이닝의 현실적인 평가 방법의 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract

In this study, lining thickness distribution and its behind state (particularly, its void state) were analyzed using the GPR survey data performed on three currently operating NATM tunnels. Results of GPR analysis showed that void areas were mostly detected between concrete lining and primary support, particularly, near the crown of the tunnels. The lining thickness in the left-hand side of the tunnel was different from that of the right-hand side by 8.6~253.5 mm when measured in transverse direction. It was also found that longitudinal cracks were prevailed in the area lining thickness was sharply changed. Longitudinal thickness distribution at the crown was also studied and tested by performing 3 goodness-of-fit tests in order to find the most suitable thickness distribution. Normal distribution (or similar distribution) fit most suitably to the measured data if the measured average thickness was larger than designed one; Gamma and/or Inverse Gauss distribution fit to the measured data reasonably well if the measured average thickness was less than the designed value of thickness. Since actual lining thickness can be a potential index when assessing the state and safety of the unreinforced NATM tunnel lining, measuring of the lining thickness with GPR survey might be needed rather than assuming the thickness is always constant and same with the designed value.