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- P-ISSN2233-8292
- E-ISSN2287-4747
- KCI
25권 6호
초록
도심지 내 지하구조물 개발의 필요성이 증가함에 따라, TBM 터널 시공 중 터널 굴진면 전방예측에 대한 연구가 꾸준하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 TBM 터널 굴착 중 복합지반을 조우하는 상황을 모사한 유한요소(finite element) 수치해석 모델을 개발하였다. 개발된 수치해석 모델은 이론해와 실내실험으로부터 측정된 전기 비저항 결과값과의 비교를 통해 그 성능을 검증하였다. 이후 실제 터널의 형상과 지반조건, 측정전극의 배열 조건 등 전기 비저항 탐사에 대한 영향 변수를 설정하고 이에 따른 매개변수 해석을 수행하였다. 그 결과, 복합지반 내 경계면의 경사가 가파를수록, 복합지반을 구성하는 두 지반 사이의 전기 비저항 차이가 클수록, TBM 굴착 중 전기 비저항 측정값이 더 급격하게 변화함을 확인하였다. 또한, 보다 효율적이고 정확한 복합지반 예측을 위해 적절한 전극 간격 및 전극 배열 위치 선정의 중요성을 제고하였다. 결론적으로, 본 연구에서 개발된 수치해석 모델을 통한 터널 막장면 전방 복합지반 예측은 TBM 터널 시공 과제의 구조적 안정성과 경제적 효율성 증대에 이바지할 것으로 사료된다.
Abstract
As the number of underground structures has increased in recent decades, it has become crucial to predict geological hazards ahead of a tunnel face during tunnel construction. Consequently, this study developed a finite element (FE) numerical model to simulate electrical resistivity surveys in tunnel boring machine (TBM) operations for predicting mixed ground conditions in front of tunnel faces. The accuracy of the developed model was verified by comparing the numerical results not only with an analytical solution but also with experimental results. Using the developed model, a series of parametric studies were carried out to estimate the effect of geological conditions and sensor geometric configurations on electrical resistivity measurements. The results of these studies showed that both the interface slope and the difference in electrical resistivity between two different ground formations affect the patterns and variations in electrical resistivity observed during TBM excavation. Furthermore, it was revealed that selecting appropriate sensor spacing and optimizing the location of the electrode array were essential for enhancing the efficiency and accuracy of predictions related to mixed ground conditions. In conclusion, the developed model can serve as a powerful and reliable tool for predicting mixed ground conditions during TBM tunneling.
초록
쉴드 TBM 터널 라이닝은 세그먼트와 링으로 분절되어 있다. 2-링 빔-스프링 모델은 세그먼트 라이닝의 링과 세그먼트의 연결부 경계조건을 통해 불연속성을 고려하며 단면 설계 시 주로 활용하는 모델링 방법이다. 그러나 3차원 해석이 필요한 경우 대체로 Segmentation에 대한 고려 없이 연속체 라이닝으로 간주하여 세그먼트 라이닝에 대한 응력과 변위를 검토하는 경향이 일반적이다. 본 연구는 세그먼트와 링의 접촉면에 Coulomb의 마찰 법칙에 근거한 Shell interfaceelement를 적용하여 세그먼트 간 계면 거동하는 모델링으로 지진 시 세그먼트 라이닝의 응력과 변위에 대한 응답 특성을 연구한다. 세그먼트 라이닝은 건설 과정에서 Ovaling 변형이 발생된다. 국내 세그먼트 라이닝의 Ovaling 변형에 대한 관리 기준은 없다. 스웨덴이나 중국의 경우 내경 7.0 m의 라이닝인 경우 5~10‰의 Ovality 기준을 갖고 있으나 이는 현실적으로 실현하기 어려운 기준치이다. 본 연구는 Shell interface element를 활용한 세그먼트 라이닝 모델링을 통해 지진 시 라이닝에 발생되는 응력과 변위의 특성을 연속체 모델링 결과와 비교하여 Segmentation이 고려된 라이닝의 지진에 대한 응답 특성을 연구하고 이를 통해 세그먼트 라이닝의 Ovality 기준과 의미를 연구한다. 연속체 라이닝과 세그먼트 라이닝의 지진 시 응력과 변위의 분포 양상은 유사하였다. 그러나 응력과 변위의 최댓값은 세그먼트 라이닝과 차이를 보여주었다. Shell로 모델링 된 연속체 라이닝의 지진 시 응력 분포는 3차원 원통형 형상에 연속성을 갖는 응력 분포를 보이지만 세그먼트 라이닝은 분절된 세그먼트 외측으로 응력이 집중되었고 세그먼트와 링의 접촉면이 집중되는 위치에서 가장 큰 응력이 발생되었다. 이러한 단속적이고 국부적 응력 분포는 라이닝의 Ovality가 클수록 지진 시 더욱더 국부적 집중도가 커진다. 응력 분포가 급격하게 커지는 Ovality는 150‰ 정도에서 발생되기 시작했으며 그보다 작은 Ovality에서는 원형 단면 라이닝에서 발생되는 응력보다 작은 응력이 발생되었다. 그러나 Ovality 150‰는 실제 라이닝에서 실현될 수 없는 비현실적 값이다. 따라서 세그먼트 라이닝의 Ovality는 심도에 따라 증가될 수 있으나 지진 하중에 대한 안정성에는 큰 영향을 미치지 않는다. 그러나 터널의 단면 확보 및 품질관리를 위해서는 Ovality에 대한 계측과 관리가 요구된다.
Abstract
Shield TBM tunnel linings are segmented into segments and rings. This study investigates the response characteristics of the stress and displacement of the segment lining under seismic waves through modeling that considers the interface behavior between segments by applying a shell interface element to the contact surface between segments and rings. And there is no management criteria for ovaling deformation of segment linings in Korea. So, this study the ovality criteria and meaning of segment lining. The results of study showed that the distribution patterns of stress and displacement under seismic waves were similar between continuous linings and segment linings. However, the maximum values of stress and displacement showed differences from segment linings. The stress distribution of the continuous lining modeled as a shell type has a stress distribution that has continuity in the 3D cylindrical shape, but the segment lining is concentrated outside the segment, and the largest stress occurs at the location where the contact surface between the segment and the ring is concentrated. This intermittent and localized stress distribution shows an increasing as the ovality of the lining increases at seismic waves. The ovality at which the increase in stress distribution begins to show irregularity and localization is about 150‰. Ovality of 150‰ is an unrealistic value that cannot represent actual lining deformation. Therefore, the ovality of the segment lining increase with depth, but it does not have a significant impact on the stability caused by seismic load.
초록
본 연구에서는 쉴드터널 세그먼트 라이닝의 하중과 부재저항의 확률적 특성뿐만 아니라 경계조건의 변동성을 고려한 비교모델을 선정하고 신뢰성해석을 수행하였으며, 파괴 확률 산정 및 구조안전성 검토를 통해 한계상태설계의 적정성에 대해 분석을 수행하였다. 이러한 지반 정수의 확률특성치를 고려한 해석을 위해 지반스프링계수는 Muirwood 식을 적용하여 정량적 값을 산정하여 Mean값으로 고려하였고, 변동계수는 기존 연구자료를 토대로 지반 경계조건 변화에 따른 검토대상 모델들을 선정하였다. 이러한 모델들에 대한 구조해석과 MCS기법을 적용한 신뢰성분석을 통해 파괴 확률과 신뢰성지수를 산정하여 지반경계조건 변화에 따른 파괴확률의 변화를 검토하였다.
Abstract
In this study, a comparison model considering the stochastic characteristics of the load and member resistance of the shield tunnel segment lining as well as the variability of the boundary condition was selected and reliability analysis was performed, and the adequacy of the limit state design was analyzed by calculating the probability of failure and reviewing the structural safety. For the analysis considering the probability characteristics of these ground constants, the ground spring coefficient was considered as the mean value by calculating the quantitative value by applying the Muirwood formula, and the coefficient of variation was selected based on the existing research data to review the models according to the change of ground boundary conditions. Through the structural analysis of these models and the reliability analysis using MCS technique, the failure probability and reliability index were calculated to examine the changes in the failure probability due to changes in ground boundary conditions.
초록
본 연구에서는 국내에서 많이 활용되고 있는 시멘트 모르타르 및 수지와 같은 그라우팅재를 이용한 정착형 록볼트와 새롭게 제시되는 탄성복원력을 이용한 강관 마찰형 록볼트에 대한 인발력실험을 수행하고 그 결과를 비교분석 하였다. 지하수가 없는 건조한 조건에서 실험한 결과, 기존 시멘트 모르타르를 이용한 록볼트에 대한 인발력이 레진을 이용한 록볼트와 마찰형 강관 록볼트와 비교하여 측정한 인발력이 상대적으로 크게 나타났다. 그럼에도 불구하고 탄성복원력을 이용한 마찰형 강관 록볼트는 특히 지하수가 존재하여 그라우팅재료의 손실과 양생에 영향을 미치는 현장조건에서 유용하게 사용할 수 있을 것으로 판단된다. 이와 더불어 마찰형 강관 록볼트는 설치가 간편하고 빠른 장점을 가질 수 있는 것으로 나타났다
Abstract
In this study, an experiment on pullout capacity was conducted of rock bolts using grouting materials such as cement mortar and resin, which are widely used, and a newly proposed steel pipe friction type rock bolt using elastic restoring force, and the results were compared and analyzed. The experimental results showed that the pullout capacity on the rock bolts with cement mortar under a dry condition (no ground water) was relatively larger than the rock bolts with resin and the steel pipe. Nevertheless, the friction type steel pipe rock bolt to use elastic restoring force is expected to be useful in the field particularly where groundwater exists and it affects the loss and curing of grouting materials such as cement mortar or resin. In addition, it was found to have the advantage of being easy and quick to install.
초록
도심지 대심도 터널은 자동차와 열차가 다니던 지상공간을 친환경적인 공원으로 시민에게 돌려주고, 지하는 복합적인 교통인프라 시설의 구축이 가능한 미래지향적인 건설방안이다. 하지만 일부 언론과 영화에서 터널공사는 지반침하, 붕괴 등의 재난의 대상으로 묘사하는 경우가 종종 있었다. 실제로 대부분의 도심지 대심도 터널공사 진행 과정에서 노선 부근 주민의 굴착 반대 민원으로 인해 사업추진에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 대심도 터널과 관련된 시민여론조사를 통해서 지하 공간개발에 대한 인식과 대심도 터널 공사에 대한 시민 우려사항을 파악하고 이해관계자의 손실보상에 대한 의견을 조사하였다. 대심도 터널공사와 관련된 현행법령을 검토하여 공사단계별 공공참여 가능성을 분석하고 지하공간의 보상과 관련된 구분지상권에 대하여 살펴보았다. 여론조사에서 시민이 우려하는 대심도 터널공사의 이슈사항이 현행기술로 해결 가능한 문제임을 파악하고 공공참여를 통해 터널공사의 안정성을 확신시키기 위한 제도적 개선 방향과 구분지상권 설정에 이해관계자의 협조를 증진하려는 개선방안을 제시하였다.
Abstract
The deep tunnel in urban area is a future-oriented construction plan that allows the above-ground space to be used as an eco-friendly park and transportation infrastructure to be constructed in the underground space. However, tunnel construction is often depicted as to cause ground collapse in some media and movies. In fact, while the construction of a deep tunnel in the urban area is underway, the project face with difficulties due to opposition complaints from residents near the route. In this study, we sought to identify perceptions on deep space development and citizen concerns through a public opinion survey regarding deep tunnels. By analyzing laws relevant with the promotion of deep tunnel construction, we reviewed the possibility of public engagement at each stage of the construction and investigated separated surface rights related to compensation for underground space. Through the results of the public opinion survey, it was identified that the concerns of citizens were problems that current technology could solve. Citizen’s concerns were improved into a system that confirmed the stability of tunnel construction through public participation, and improvement measures were presented to encourage cooperation from those concerned regarding the establishment of divided superficies.
초록
터널과 공동구와 같은 지하구조물의 공용연수가 증가하고 노후화로 인한 사고로 인하여 안전 관리의 필요성이 대두되고 있다. 다만, 민간이 관리 주체인 일반 지하구의 경우 시설물 안전 및 유지관리 세부지침이 미흡하여 안전 관리가 부실한 상황이다. 또한 일반 지하구는 기본 설계 정보가 부족하고 안전 관리자가 안전 진단을 수행하기 위한 공간이 협소하여 기존 비파괴 검사법들의 적용에 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 박스형 일반 지하구의 안전 진단을 위한 기초 자료로 사용될 수 있는 구조물의 두께 ‧ 철근 유무와 철근 깊이 ‧ 내부 결함의 유무 및 깊이 등을 판단할 수 있는 품질 평가를 위한 초음파법과 충격 반향 기법 바탕의 비파괴 검사 방법을 제안하였다. 일반 지하구의 실제 현장 조건에서의 제안한 방법의 유효성을 검토하기 위해 콘크리트 벽체 모형 실험체들을 제작하여, 본 연구를 통해 제안한 방법론을 검증하였다. 초음파 신호와 충격 신호를 활용하여 신호를 인가하여, 다채널로 구성된 가속도계를 통해 신호를 수집하고, 최종적으로 모사된 시편의 두께 및 내부에 삽인 된 철근과 구현된 결함의 깊이를 도출하였으며, 실측치와의 비교를 통해 예측한 깊이가 설계한 깊이와 효과적으로 부합하는 것을 확인하였다. 본 연구 결과를 통해 일반 지하구 현장에서 활용할 수 있는 안전 진단 방법의 도출에 기여할 것으로 기대된다.
Abstract
The need for safety management has arisen due to the increasing number of years of operated underground structures, such as tunnels and utility tunnels, and accidents caused by those aging infrastructures. However, in the case of privately managed underground utility ducts, there is a lack of detailed guidelines for facility safety and maintenance, resulting in inadequate safety management. Furthermore, the absence of basic design information and the limited space for safety assessments make applying currently used non-destructive testing methods challenging. Therefore, this study suggests non-destructive inspection methods using ultrasonic and impact-echo techniques to assess the quality of underground structures. Thickness, presence of rebars, depth of rebars, and the presence and depth of internal defects are assessed to provide fundamental data for the safety assessment of box-type general underground structures. To validate the proposed methodology, different conditions of concrete specimens are designed and cured to simulate actual field conditions. Applying ultrasonic and impact signals and collecting data through multi-channel accelerometers determine the thickness of the simulated specimens, the depth of embedded rebar, and the extent of defects. The predicted results are well agreed upon compared with actual measurements. The proposed methodology is expected to contribute to developing safety diagnostic methods applicable to general underground structures in practical field conditions.
초록
지속해서 논의 중인 한일 해저터널 건설과 관련해 단층대에서 일어날 것으로 예상되는 대규모 지반 변위에 따른 터널의 변형에 대한 연구가 필요하다. 이 연구는 고무 재료 기반 면진라이닝에 관한 수치해석 결과를 제시한다. 변형 구배를 산정하기 위해 사용자 정의 서브루틴을 이용했다. 또한 극 분해를 통해 데이터를 분석하였으며, 주 신축 방향으로 정렬된 여러 평면 좌표계를 이용해 데이터를 도시하여 재료 변형에 대한 심층적인 이해를 얻을 수 있었다. 터널 기술자는 초탄성 재료의 변형 관련 연구에 이 연구를 참고할 수 있다.
Abstract
Considering the continuing discussion about the Korea-Japan undersea tunnel, it is necessary to conduct a scientific investigation into tunnel deformation associated with large ground movements at fault. This paper presents findings obtained from numerical experiments to investigate a seismic lining that adopts rubber-like material. We utilized the user material subroutine to obtain the deformation gradient of the hyperelastic material. Additionally, polar decomposition is used to analyze the results, where the data is displayed on a series of two-dimensional planes using the principal direction, which facilitates a better insight into the deformation. Tunnel engineers could refer to this paper for the procedure to investigate the deformation of hyperelastic material.
초록
고준위방사성폐기물 처분장은 고온, 다습, 방사선의 복합적인 환경 조건에 노출되며 이로 인해 구조물의 열화가 가속된다. 따라서 처분장에 대한 구조물 건전성 모니터링이 필수적이며 균열 탐지, 강도 추정 등을 위해 피에조 센서가 활용된다. 다만 처분 터널 및 처분 용기에 설치되는 모니터링 센서는 교체 및 제거가 불가능하기 때문에 모니터링 센서의 정량적인 수명을 평가하고 적합성을 판단해야 한다. 본 연구에서는 가속수명시험을 활용하여 모니터링용 피에조 센서에 대한 수명을 평가하였다. 고온 조건에서 나타나는 피에조 센서의 고장 모드와 고장 메커니즘을 도출하였으며 온도 스트레스가 피에조 센서 수명에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 온도 스트레스에 대한 가속수명시험을 수행하여 와이블 수명 확률 분포 및 아레니우스 가속모형을 통해 온도 스트레스와 피에조 센서 수명 간의 관계식을 제시하고 수명을 평가하였다. 본 연구에서 제시된 온도 스트레스와 수명 간의 관계를 통해 보다 정확한 수명 평가를 위한 복합스트레스 가속수명시험 설계에 도움이 될 것으로 판단된다.
Abstract
The high-level nuclear waste (HLW) repository is exposed to complex environmental conditions consisting of high temperature, high humidity, and radiation, resulting in structural deterioration. Therefore, structural health monitoring is essential, and piezo sensors are used to detect cracks and estimate strength. However, since the monitoring sensors installed in the disposal tunnel and disposal container cannot be replaced or removed, the quantitative life of the monitoring sensor and its suitability must be assessed. In this study, the life of a piezo sensor for monitoring was assessed using an accelerated life test (ALT). The failure mode and mechanism of the piezo sensor under high temperature conditions were determined, and temperature stress’s influence on the piezo sensor’s life was analyzed. ALT was conducted on temperature stress and the relationship between temperature stress and piezo sensor life was suggested. The life of the piezo sensor was assessed using the Weibull probability distribution and the Arrhenius acceleration model. The suggested relationship can be used in multiple stress ALT designs for more precise life assessment.
초록
2023년에 터널내진설계기준이 개정됨에 따라 운영 중인 터널의 성능의 요구 수준 만족 여부가 필요하게 되었다. 본 연구에서는 지진에 대한 안전성이 취약하다고 판단되는 4개의 터널에 대한 시간이력해석을 수행하여 이들의 내진성능을 평가하였다. 나아가 2007년 기준과 2023년 기준에 부합하는 지진파 적용 시 응답의 차이를 규명하였다. 평가 결과, 2023년 기준을 적용하는 경우 터널의 응답이 모두 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 개정된 기준 적용 시에도 모든 터널은 소요 내진성능을 확보한 것으로 나타났다. 따라서 개정된 기준을 적용 시에도 보수 또는 보강은 불필요할 것으로 판단된다.
Abstract
Because of a new seismic design code has been enacted in 2023, there is a need to evaluate whether the road tunnels in operation satisfies the requirements of the new code. Four tunnels that are considered to be most susceptible to damage. Time history analyses are performed to quantify their seismic performances. The input ground motions generated to fit both 2007 and 2023 codes are used to evaluate the effect of the motions on the calculated responses. The analyses show that all tunnels perform favorably and satisfies the requirements successfully. Therefore, retrofit or reinforcement are deemed as unnecessary.
초록
터널 및 에너지/폐기물 저장과 관련하여 지하공간의 활용이 증가하는 추세이다. 지하공간의 안정성 확보를 위해서는 암반균열 및 절리를 보강하는 것이 중요하다. 절리와 같은 불연속면은 암반의 강도를 저하시키고, 지하공간 내부로 지하수 유입을 발생시킬 수 있다. 불연속면 주변의 암반 강도의 증대와 차수를 위해 암반 그라우팅을 활용할 수 있다. 그러나 암반 그라우팅 시 주입재료가 암반 절리 내 원활하게 주입되고 있는지 직접적인 확인에 한계가 있다. 그라우팅 주입재가 사전에 목표한 설계안과 같이 주입되지 않을 시 강도, 내구성 증대 및 차수성 향상 효과를 볼 수 없다. 따라서 실험적으로 평가가 어려운 그라우팅 주입재가 설계대로 주입되고 있는지 수치해석을 활용하여 사전에 평가할 필요가 있다. 본 연구에서는 개별요소 수치해석 프로그램인 UDEC(Universal Distinct Element Code)을 활용한 그라우팅 주입재의 물/시멘트 배합비, 주입압력, 주입유량과 같은 주입변수에 따른 주입성능을 평가하였다. 또한 실내실험을 통해 수치해석 결과와 비교하여 수치해석 모델의 신뢰도를 검증하였다. 본 연구결과는 향후 현장에서 그라우팅 설계 시 주입재의 물성, 주입시간, 펌프 압력과 같은 변수들을 최적화할 수 있는데 도움이 될 것으로 기대된다.
Abstract
The utilization of underground spaces in relation to tunnels and energy/waste storage is on the rise. To ensure the stability of underground spaces, it is crucial to reinforce rock fractures and discontinuities. Discontinuities, such as joints, can weaken the strength of the rock and lead to groundwater inflow into underground spaces. In order to enhance the strength and stability of the area around these discontinuities, rock grouting techniques are employed. However, during rock grouting, it is impossible to visually confirm whether the grouting material is being smoothly injected as intended. Without proper injection, the expected increases in strength, durability, and degree of consolidation may not be achieved. Therefore, it is necessary to predict in advance whether the grouting material is being injected as designed. In this study, we aimed to assess the injection performance based on injection variables such as the water/cement mixture ratio, injection pressure, and injection flow using UDEC (Universal Distinct Element Code) numerical program. Additionally, numerical results were validated by the lab experiment. The results of this study are expected to help optimize variables such as injection material properties, injection time, and pump pressure in the grouting design in the field.
초록
현재 지하시설물의 균열을 영상 취득 시스템으로 취득한 경우 점검자가 취득된 영상에서 육안검사를 수행하여 미세균열을 판단한다. 점검자에 의존한 노동집약적인 방법은 점검자의 주관적인 판단에 영향을 받는 문제점을 가지고 있다. 최근에는 딥러닝을 활용하여 자동으로 콘크리트 균열을 탐지하기 위한 연구가 활발하게 수행되고 있다. 대부분의 연구에서는 공개 데이터셋을 활용하거나 분석과정의 객관성이 충분하지 못해 실제 업무에 적용하기 어려운 점이 있다. 본 연구는 실제 검사 시스템과 동일한 형태의 영상을 시험 데이터셋으로 선정하여 딥러닝 모델들을 평가하였다. 균열 탐지의 정확도를 향상시키기 위하여 딥러닝 모델들의 장단점을 상호 보완할 수 있는 앙상블 기법을 적용하였다. 시험 영상에서 폭 0.2 mm, 0.3 mm 및 0.5 mm의 균열들은 각각 80%, 88% 및 89%의 높은 재현율로 탐지되었다. 딥러닝을 적용한 균열 탐지 결과에서는 점검자의 육안 검수 과정에 찾지 못한 다수의 균열들을 포함하고 있었다. 향후 본 연구에서 사용하지 않은 다른 터널의 영상을 시험 영상으로 선정하여 보다 더 객관적인 평가에서 충분한 정확도로 균열을 탐지하게 된다면, 시설물 안점 점검 방식에 딥러닝의 도입이 가능할 것으로 판단된다.
Abstract
The cracks in the tunnel are currently determined through visual inspections conducted by inspectors based on images acquired using tunnel imaging acquisition systems. This labor-intensive approach, relying on inspectors, has inherent limitations as it is subject to their subjective judgments. Recently research efforts have actively explored the use of deep learning to automatically detect tunnel cracks. However, most studies utilize public datasets or lack sufficient objectivity in the analysis process, making it challenging to apply them effectively in practical operations. In this study, we selected test datasets consisting of images in the same format as those obtained from the actual inspection system to perform an objective evaluation of deep learning models. Additionally, we introduced ensemble techniques to complement the strengths and weaknesses of the deep learning models, thereby improving the accuracy of crack detection. As a result, we achieved high recall rates of 80%, 88%, and 89% for cracks with sizes of 0.2 mm, 0.3 mm, and 0.5 mm, respectively, in the test images. In addition, the crack detection result of deep learning included numerous cracks that the inspector could not find. if cracks are detected with sufficient accuracy in a more objective evaluation by selecting images from other tunnels that were not used in this study, it is judged that deep learning will be able to be introduced to facility safety inspection.
초록
최근 국내 주요 SOC 시설물의 사용 연수가 30년 이상을 넘어가고 있어, 10년 내 노후화가 급속도로 진행될 것으로 예상되면서 시설물의 선제적 유지관리에 대한 필요성이 대두되고 있다. 이에 따라 유지관리 분야에도 스마트 점검 기술을 도입하기 위한 연구가 다수 수행되고 있다. 하지만 현재 시설물 유지관리는 인력위주의 안전점검 및 진단에 맞춰 제도가 마련되어 있어, 실제 현장에서 육안조사에 의존하여 조사가 이뤄지고 있는 실정이다. 인력점검의 경우 점검시간이 과다 소요되고 결과 분석 시에 주관적인 오류 등이 발생할 수 있으며, 터널의 경우 일부 구간 차단으로 사회간접비용 손실 등이 발생한다는 단점이 있다. 따라서 스마트 안전점검을 제도적으로 도입하기 위해서는 첨단 장비 사용, 전문가 자격 변경 등 구체적인 방안 마련을 위한 검토가 필요하다. 또한 제도적 변경에 앞서 첨단 장비를 통한 안전점검 결과에 대한 확인 및 검증이 필요하므로, 국가차원의 공식적인 연구나 검증 기관 운영 등이 필요하다. 이를 통해 유지관리 분야에 스마트 점검 기술이 도입되면, 터널 등 SOC 시설물의 일상적인 점검이 가능해질 것으로 예상된다. 결과적으로 시설물 상태변화에 의한 안전사고를 미리 인지하고 선제적으로 대응할 수 있는 유지관리 기술이 정착될 수 있을 것으로 기대된다.
Abstract
In recent years, the service life of major SOC facilities in south korea has exceeded 30 years, and rapid aging is expected within the next 10 years. This has led to a growing recognition of the need for proactive maintenance of these facilities. Consequently, there have been numerous research efforts to introduce smart inspection technologies into maintenance. However, the current system relies primarily on manpower for safety inspections and diagnostics, and on-site surveys rely on visual inspections. Manpower inspections can be time-consuming, and subjective errors may occur during result analysis. In the case of tunnels, there are disadvantages, such as the loss of social overhead capital due to partial closures during inspections. Therefore, institutionalizing smart safety inspections is essential, considering specific measures like using advanced equipment and updating qualifications for experts. Furthermore, it is necessary to verify and validate safety inspection results using advanced equipment before institutingchanges. This could be achieved through national-level official research programsand the operation of verification and validation institutions. If smart inspection technologyis introduced into maintenance, routine inspections of SOC facilities, such astunnels, will become feasible. As a result, maintenance technology capable of earlydetection and proactive response to safety incidents caused by changes in facilityconditions is anticipated.
초록
최근 기계식 터널 굴착기술의 발전과 수압을 받는 해저철도 터널의 특성 상 쉴드TBM 공법이 해저철도 터널 설계 및 시공에 널리 적용되고 있다. 해저철도 터널은 일반적인 지중응력상태에서 거동하지 않고 외부 수압이 상시재하되는 상태이며 지진 시 지진파의 증폭에 의한 영향을 받게 된다. 특히 연약지반, 연약토사-암반 복합지반, 단층파쇄대 등 다양한 지반조건 하에서 작용하는 지진하중은 터널 변위 및 지보재 응력의 급격한 변화를 초래하여 터널 안전성에 큰 영향을 미친다. 또한 지진하중의 주기특성, 지진파형, 최대가속도 등의 재하조건에 따라 지반 및 터널의 동적 응답이 달라지며 이는 지반조건과 결합하여 더욱 복잡한 지반-터널 구조물계의 거동을 보여주게 된다. 본 연구에서는 해저철도 터널의 동적거동 평가를 위하여 수압을 고려하여 지반-터널 구조물계 전체를 유한차분해석 기법으로 모델링 하고 상호 지진 시 구조물 응답을 분석하였다. 해저철도 터널의 지진 시 동적 거동에 영향을 미치는 주요 인자는 지반조건과 지진파이므로 가상 지반조건에 따라 총 6가지의 해석 Case를 설정하였다. 가상 지반조건은 해석 대상영역의 지반이 모두 토사(풍화토)인 경우(Case-1), 모두 암반(경암)인 경우(Case-2), 터널 진행방향(종방향)으로 토사와 암반의 복합지반인 경우(Case-3), 암반 내 폭이 상대적으로 좁은 파쇄대(w = 2.0 m)를 터널이 통과하는 경우(Case-4), 터널 진행방향(종방향)으로 연약토사와 암반의 복합지반인 경우(Case-5), 암반 내 폭이 상대적으로 넓은 파쇄대(w = 10.0 m)를 터널이 통과하는 경우(Case-6)으로 구분하여 각각 모델링을 수행하였다. 해석 결과 지진에 의한 수평변위는 지반물성 증가에 따라 커지는 경향을 나타내었으나 주변 지반의 구속효과와 강성 세그먼트로 결합된 쉴드터널 구조물의 특성으로 인하여 다소 억제되는 경향도 함께 관찰되었다. 세그먼트의 부재력은 변위 발생 경향과는 달리 지반 강성이 약할수록 현저히 증가하는 경향을 나타내었으며 오히려 변위 억제 효과에 따른 부재력 증가가 뚜렷하게 관찰되는 특성을 확인하였다.
Abstract
Recently, the advancement of mechanical tunnel boring machine (TBM) technology and the characteristics of subsea railway tunnels subjected to hydrostatic pressure have led to the widespread application of shield TBM methods in the design and construction of subsea railway tunnels. Subsea railway tunnels are exposed in a constant pore water pressure and are influenced by the amplification of seismic waves during earthquake. In particular, seismic loads acting on subsea railway tunnels under various ground conditions such as soft ground, soft soil-rock composite ground, and fractured zones can cause significant changes in tunnel displacement and stress, thereby affecting tunnel safety. Additionally, the dynamic response of the ground and tunnel varies based on seismic load parameters such as frequency characteristics, seismic waveform, and peak acceleration, adding complexity to the behavior of the ground-tunnel structure system. In this study, a finite difference method is employed to model the entire ground-tunnel structure system, considering hydrostatic pressure, for the investigation of dynamic behavior of subsea railway tunnel during earthquake. Since the key factors influencing the dynamic behavior during seismic events are ground conditions and seismic waves, six analysis cases are established based on virtual ground conditions: Case-1 with weathered soil, Case-2 with hard rock, Case-3 with a composite ground of soil and hard rock in the tunnel longitudinal direction, Case-4 with the tunnel passing through a narrow fault zone, Case-5 with a composite ground of soft soil and hard rock in the tunnel longitudinal direction, and Case-6 with the tunnel passing through a wide fractured zone. As a result, horizontal displacements due to earthquakes tend to increase with an increase in ground stiffness, however, the displacements tend to be restrained due to the confining effects of the ground and the rigid shield segments. On the contrary, peak compressive stress of segment significantly increases with weaker ground stiffness and the effects of displacement restrain contribute the increase of peak compressive stress of segment.