충격 반향 기법을 이용한 숏크리트 배면 접착 상태 평가에 관한 수치해석적 연구

송기일,조계춘,장석부,Song, Ki-Il,Cho, Gye-Chun,Chang, Seok-Bue 한국터널지하공간학회 2008 한국터널지하공간학회논문집 Vol.10 No.2

숏크리트는 터널에서 사용되는 중요한 지보재이다. 숏크리트와 암반의 접착상태는 터널의 안정성 및 사용성에 큰 영향을 끼치는 중요한 평가 요소이다. NATM공법을 이용한 터널 굴착시 굴착면 빛 벤치부에서 발파에 의해 숏크리트가 부착력을 잃고 암반으로부터 탈락되거나 공동이 형성되는 경우 숏크리트 자체의 파괴뿐만 아니라 터널의 전체적인 안정에도 악영향을 미친다. 숏크리트의 접착상태는 완전 접착, 접착력 상실, 그리고 공동으로 분류할 수 있다. 본 연구에서는 비파괴 시험인 충격반향기법(Impact-Echo)을 이용하여 숏크기트와 암반의 접착상태를 평가하고자 하였다. 범용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 충격반향시험에 대한 수치해석을 수행하였다. 수치해석으로부터 획득된 신호를 시간영역, 주파수 영역 및 시간-주파수 영역에서 각각 해석하여 숏크리트와 암반의 접착상태에 따른 신호특성을 분석하였다. 분석결과 능동적 신호 처리 기법인 Short-Time Fourier Transform(STFT)을 이용하여 숏크리트 배면의 접착상태를 효과적으로 예측할 수 있었다. 숏크리트 배면의 접착상태가 불량할수록 시간영역 신호의 최대 진폭 이후 첫 진폭이 커지며, 주파수 영역에서 최대 에너지가 커진다. 또한 뚜렷한 공진 주파수가 나타나므로 숏크리트의 두께의 역산이 가능해진다. 시간-주파수 영역에서 윤곽선은 시간축에 평행한 형상을 나타낸다. 또한 완전 접착조건에서 지반 종류에 따른 신호특성도 분석하였다. 지반조건이 불량할수록 시간-주파수 영역에서 시간축과 평행한 윤곽선의 길이가 길어지며 그 주파수 대역은 10 kHz 이하의 저주파수 영역에서 나타난다. Shotcrete is one of the main support materials in tunnelling. Its bonding state on excavated rock surfaces controls the safety of the tunnel: De-bonding of shotcrete from an excavated surface decreases the safety of the tunnel. Meanwhile, the bonding state of shotcrete is affected by blasting during excavation at tunnel face as well as bench cut. Generally, the bonding state of shotcrete can be classified as void, de-bonded, or fully bonded. In this study, the state of the back-surface of shotcrete is investigated using impact-echo (IE) techniques. Numerical simulation of IE technique is performed with ABAQUS. Signals obtained from the IE simulations were analyzed at time, frequency, and time-frequency domains, respectively. Using an integrated active signal processing technique coupled with a Short-Time Fourier Transform (STFT) analysis, the bonding state of the shotcrete can be evaluated accurately. As the bonding state worsens, the amplitude of the first peak past the maximum amplitude in the time domain waveform and the maximum energy of the autospectral density are increasing. The resonance frequency becomes detectable and calculable and the contour in time-frequency domain has a long tail parallel to the time axis. Signal characteristics with respect to ground condition were obtained in case of fully bonded condition. As the ground condition worsens, the length of a long tail parallel to the time axis is lengthened and the contour is located in low frequency range under 10 kHz.

지하공간에서 노무자의 위치 인식을 위한 RTL 시스템 개선

송기일,임진선,이항로,Song, Ki-Il,Lim, Jin-Sun,Lee, Hang-Lo 한국터널지하공간학회 2016 한국터널지하공간학회논문집 Vol.18 No.3

Real time location (RTL) system which can control the safety of laborers in the underground space is developed in this study. This innovative system can monitor the location and history of movement of multiple laborers in real time. To accommodate constrains of the underground space, the system is portable and composed with low-battery mode. Since conventional method to detect the location of laborer with radio signal strength indicator (RSSI) contains high errors, new measurement system using accelerometers and correction method are suggested in this study. Field test is performed to validate the developed system. The error for moving laborer was 0.4 m and for non-moving laborers was 0.2 m. Thus, it is found that the new RTL system can be used to monitor the location of laborers in the underground construction space. 본 연구에서는 터널 및 지하건설현장에서 노무자의 안전을 관리할 수 있는 실시간 위치정보 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 다수의 노무자들에 대한 실시간 위치 탐색 및 이동 이력을 확인할 수 있다. 이 시스템은 지하공간에서 다양한 노무자들의 이동 특성을 손쉽게 파악하기 위하여 저전력의 이동이 용이한 시스템으로 구성하였다. RSSI를 이용한 삼각측량으로 위치 인식을 하는 과거의 방법은 매우 큰 오차를 가지는 이유로 가속도계를 이용한 새로운 거리측정 방법 및 보정 방안을 제시하였다. 지하건설현장에서 개발한 시스템을 평가한 결과 움직임이 없는 경우 약 0.2 m 오차를 나타내었고, 움직임이 있는 경우 약 0.4 m의 오차가 발생하였으며, 현장에서 충분히 활용할 만한 결과를 나타내었다.

강관삽입형 사전보강설계를 위한 DART 프로그램 소개

송기일,조계춘,장석부,Song, Gi-Il,Jo, Gye-Chun,Jang, Seok-Bu 한국지반공학회 2013 지반 : 한국지반공학회지 Vol.29 No.4

Precutting of Tunnel Perimeter for Reducing Blasting-Induced Vibration and Damaged Zone – Numerical Analysis

송기일,오태민,조계춘 대한토목학회 2014 KSCE JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING Vol.18 No.4

Cost-effective tunnel excavation can be achieved with the blasting method. Unfortunately, blasting technique brings with it blastinginducedvibration and noise, which can cause critical social problems such as public complaints. Thus, the development of a novel tunnelexcavation method, one that can reduce the blasting-induced vibration, is strongly demanded for the effective management of urbanspaces. Thus, this study introduces an innovative vibration-reduced excavation method that combines the conventional blastingtechnique with the precutting process and carries out a feasibility study of the proposed tunnel excavation method using threedimensionalfinite element analyses. The micro-scale study focuses on the stopping holes and contour holes while the macro-scale studydeals with the case of a real scale tunnel. From the micro-scale analyses, it can be deduced that the proposed method is effective for thereduction of blasting-induced vibration compared to the conventional line-drilling method. From the macro-scale simulation, it is foundthat the reduction of blasting-induced vibration is independent of the thickness of the precutting free surface but dependent on the depthof the precutting free surface. As the depth of the precutting free surface increases, blasting-induced vibrations as well as the depth of theexcavation-damaged zone can be significantly reduced. Vibration energy induced by blasting does not transmit through the free surfaceand is trapped inside the target tunnel face. Guided blasting waves cause stress concentration at the target face and maximize the blastingefficiency. It is expected that the construction cost will decrease due to a decrease in the number of drilling holes, the weight of theexplosive charges, the overbreak space, and the excavation-damaged zone. In particular, the reductions of the overbreak space andexcavation-damaged zone enhance the safety of tunnel construction.

터널 사전보강영역의 경시효과를 고려한 수치해석 기법에 관한 연구

송기일,김주원,조계춘,Song, Ki-Il,Kim, Joo-Won,Cho, Gye-Chun 한국터널지하공간학회 2007 한국터널지하공간학회논문집 Vol.9 No.2

대형 대단면 터널의 시공시 지반 변형을 억제시키고 지반의 강성을 증가시키며 차수 및 지수를 확보하기 위해 다양한 사전 보강공법들이 굴착전 막장 천단부 전방에 적용되고 있으나 물성치 결정 및 시공단계 해석에 있어서 여러 오류를 안고 있다. 본 연구에서는 탄성파를 이용하여 사전보강영역의 시간 의존적 강도 및 강성 특성을 분석하는 기법을 제시하였다. 실내실험을 통해 획득한 탄성파속도와 전단강도는 경화시간에 따라 증가하며, 전단강도와 전단강도정수는 탄성파 속도와 일정한 관계를 갖는 것으로 분석된다. 재령에 따른 탄성계수와 점착력을 터널의 시공단계에 따른 시뮬레이션에 적용하여 경시효과가 터널 변위 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 해석결과 $1{\sim}2$일 강도 및 강성을 적용한 결과가 경시효과를 고려한 경우와 갱구부에서 유사한 거동을 하며, 특히 초기 시공부분 및 갱구부에서 터널의 안정성에 큰 영향을 미치는 것으로 분석된다. 본 연구에서 제안된 기법을 통해 향후 사전보강영역의 경시효과를 고려한 터널 거동해석을 위해 실내실험과 수치해석을 병용하여 신뢰성 있는 터널 해석 및 설계를 수행하는 것이 바람직 할 것이다. Auxiliary support systems such as the reinforced protective umbrella method have been applied before tunnel excavation to increase ground stiffness and to prevent the large deformation. However, determination procedure of geotechnical parameters along the construction sequence contains various errors. This study suggests a method to characterize the time-dependent behavior of pre-reinforced zones around the tunnel using elastic waves. Experimental results show that shear strength as well as elastic wave velocities increase with the curing time. Shear strength and strength parameters can be uniquely correlated to elastic wave velocities. Obtained results from the laboratory tests are applied to numerical simulation of tunnel considering its construction sequences. Based on numerical analysis, initial installation part of pre-reinforcement and portal of tunnel are critical for tunnel stability. Result of the time-dependent condition is similar to the results of for $1{\sim}2$ days of the constant time conditions. Finally, suggested simple analysis method combining experimental and numerical procedure which considering time-dependent behavior of pre-reinforced zone on tunnel would provide reliable and reasonable design and analysis for tunnel.

비파괴 시험 기법을 이용한 숏크리트 배면 접착상태 평가에 관한 실험적 연구

송기일,조계춘,장석부,홍은수,Song, Ki-Il,Cho, Gye-Chun,Chang, Seok-Bue,Hong, Eun-Soo 한국터널지하공간학회 2009 한국터널지하공간학회논문집 Vol.11 No.1

숏크리트는 터널에서 적용되는 요요한 주지보재이다. 숏크리트의 품질평가는 터널의 안전한 시공과 효과적인 운영을 위한 핵심 요소이다. 숏크리트가 암반에 적절히 타설되었다 하더라도, 막장 및 벤치부에서의 발파, 수축, 지반의 변형 등으로 인해 숏크리트 균열발생 및 배면공동 등의 문제를 야기한다. 본 논문에서는 비파괴 시험인 충격 반항 기법(Impact-Echo) 및 지하레이다 탐사(GPR)를 이용하여 경임에 타설된 숏크리트 배면의 접착상태를 평가하고자 하였다. 기존의 수치해석 연구에 대한 검증과 더불어 현장 적용성에 대한 검토를 위해 실험적 연구를 수행하였다. 숏크리트의 접착상태는 완전 접착, 접착력 상실 및 공동 조건으로 구분할 수 있다. 실내 실대형 시험체에 이 세 가지 숏크리트 접착상태를 조사하였다. 충격반향시험으로부터 획득된 신호는 시간영역, 주파수 영역, 및 시간-주파수 영역에서 각각 분석되었다. 능동적 신호 처리 기법인 Short-Time Fourier Transform(STFT)을 이용하여 숏크리트 배면의 접착상태를 효과적으로 예측할 수 있었으며, 그 결과는 기존의 수치해석 연구로부터 획득한 신호특성과 잘 부합하였다. 숏크리트 배면의 접착상태가 불량할수록 다음과 같은 특징들을 나타낸다. 즉, 주파수 영역에서 자기스펙트럼밀도가 커지며, 기하학적 감쇠비는 감소하고, 시간-주파수 영역에서 윤곽선은 시간축에 평행한 형상을 나타내며, 숏크리트 두께가 얇을수록 그 공진시간이 길어진다. 또한 본 연구에서 제시한 상관계수를 이용하여 숏크리트의 접착상태를 정량적으로 평가할 수 있다. 본 연구 결과를 바탕으로 숏크리트의 접착상태를 평가할 수 있는 평가 기법 및 평가 기준을 제안하였다. Shotcrete is an important primary support for tunnelling in rock. The quality control of shotcrete is a core issue in the safe construction and maintenance of tunnels. Although shotcrete may be applied well initially onto excavated rock surfaces, it is affected by blasting, rock deformation and shrinkage and can debond from the excavated surface, causing problems such as corrosion, buckling, fracturing and the creation of internal voids. This study suggests an effective non-destructive evaluation method of the tunnel shotcrete bonding state applied onto hard rocks using the impact-echo (IE) method and ground penetration radar (GPR). To verify previous numerical simulation results, experimental study carried out. Generally, the bonding state of shotcrete can be classified into void, debonded, and fully bonded. In the laboratory, three different bonding conditions were modeled. The signals obtained from the experimental IE tests were analyzed at the time domain, frequency domain, and time-frequency domain (i.e., the Short- Time Fourier transform). For all cases in the analyses, the experimental test results were in good agreement with the previous numerical simulation results, verifying this approach. Both the numerical and experimental results suggest that the bonding state of shotcrete can be evaluated through changes in the resonance frequency and geometric damping ratio in a frequency domain analysis, and through changes in the contour shape and correlation coefficient in a time-frequency analysis: as the bonding state worsens in hard rock condition, the autospectral density increases, the geometric damping ratio decreases, and the contour shape in the time-frequency domain has a long tail parallel to the time axis. The correlation coefficient can be effectively applied for a quantitative evaluation of bonding state of tunnel shotcrete. Finally, the bonding state of shotcrete can be successfully evaluated based on the process suggested in this study.

터널 사전보강 영역의 효과적 수치해석을 위한 등가 물성치 결정기법

송기일,조계춘 사단법인 한국터널지하공간학회 2006 한국터널지하공간학회논문집 Vol.8 No.2

Although various methods for effective modeling of pre-reinforced zones have been suggested for numerical analysis of large section tunnels, tunnel designers refer to empirical cases and literature reviews rather than engineering methods because ones who use commercial programs are unfamiliar with a macro-scale approach in general. Therefore, this paper suggests a simple micro-scale approach combined with the macro-scale approach to determine equivalent design parameters for effective numerical modeling of pre-reinforced zones in tunnel. This new approach is to determine the equivalent stiffness of pre-reinforced zones with combination of ground, bulb, and steel in series or/and parallel. For verification, 3-D numerical results from the suggested approach are compared with those of a realistic model. The comparison suggests that two cases make best approximation to a realistic solution: One is related to the series-parallel stiffness system (hereafter SPSS) in which bulb and steel are coupled in parallel and then connected to the ground in series, and the other is the series stiffness system (hereafter SSS) in which only bulb and steel are coupled in series. The SPSS is recommended for stiffness calculation of pre-reinforced zones because the SSS is inconvenient and time-consuming. The SPSS provides slightly bigger vertical displacement at tunnel crown in weathered rock than other cases and give almost identical results to a realistic model for horizontal displacement at tunnel spring line and ground surface settlement. Displacement trends on weathered rock and weathered soil are similar. The SPSS which is suggested in this paper represents the behavior mechanism of pre-reinforced area effectively. 대단면 터널에서 시공되는 사전보강공법에 의한 보강영역의 보강효과를 수치해석적으로 모델링하기 위한 다양한 방법이 제시되고 있지만 실무자들은 공학적인 방법보다는 경험적인 방법과 문헌을 참고하여 설계를 수행하고 있다. 따라서 본 연구에서는 상용 프로그램에서 직접적으로 적용할 수 있는 사전보강 영역의 물성치 결정에 있어서 거시적 접근법의 개념을 기반으로 미시적 접근법을 적용한 등가 물성치를 결정하는 기법을 제시하고 3차원 수치해석을 통한 실제모델 해석결과와 다른 여러 미시적 접근법들과의 비교 분석을 수행하여 타당한 보강영역 물성치 결정기법을 제시하였다. 해석 결과 구근과 강관의 병렬연결 강성이 원지반과 직렬로 연결되는 사전보강영역의 직병렬 강성 시스템과, 구근과 강관의 직렬 강성 시스템이 실해와 가장 근사한 변위를 예측하였으나 후자의 경우 그 모델링 과정이 복잡하므로 본 연구에서는 간편법으로써 직병렬 강성 시스템을 제안한다. 직병렬 강성 시스템은 천단변위에 대해 풍화암 지반에서는 약간 안전측으로, 내공변위와 지표면 변위에 대해서는 정밀모델의 결과와 거의 동일하게 거동하는 것으로 분석되었으며 풍화토와 풍화암 지반에서 동일한 변위 경향성을 나타낸다. 본 연구에서 제시된 사전보강영역의 직병렬 강성 시스템은 실제모델로 대표되는 보강지반의 거동 메카니즘을 효과적으로 나타내는 것으로 분석된다.

Q&A : 지반공학적 문제에 대한 답을 드립니다.

송기일,윤혜준 한국지반공학회 2014 지반 : 한국지반공학회지 Vol.30 No.6

강관 삽입형 선진보강법의 정량적 설계를 위한 프로그램의 소개

송기일,조계춘,장석부,윤도익,Song, Gi-Il,Jo, Gye-Chun,Jang, Seok-Bu,Yun, Do-Ik 한국터널지하공간학회 2011 자연, 터널 그리고 지하공간 Vol.13 No.1

절리암반의 변형률 의존적 전단탄성계수 및 감쇠비 특성을 고려한 터널의 내진 해석

송기일,정성훈,조계춘,이정학,Song, Ki-Il,Jung, Sung-Hoon,Cho, Gye-Chun,Lee, Jeong-Hark 한국터널지하공간학회 2010 한국터널지하공간학회논문집 Vol.12 No.4

Contrary to an intact rock, the jointed rock mass shows strain-dependent deformation characteristics (elastic modulus and damping ratio). The maximum elastic modulus of a rock mass can be obtained from an elastic wave-based exploration in a small strain level and applied to seismic analyses. However, the assessment and application of the non-linear characteristics of rock masses in a small to medium strain level ($10^{-4}{\sim}0.5%$) have not been carried out yet. A non-linear dynamic analysis module is newly developed for FLAC3D to simulate strain-dependent shear modulus degradation and damping ratio amplification characteristics. The developed module is verified by analyzing the change of the Ricker wave propagation. Strain-dependent non-linear characteristics are obtained from disks of cored samples using a rock mass dynamic testing apparatus which can evaluate wave propagation characteristics in a jointed rock column. Using the experimental results and the developed non-linear dynamic module, seismic analyses are performed for the intersection of a shaft and an inclined tunnel. The numerical results show that vertical and horizontal displacements of non-linear analyses are larger than those of linear analyses. Also, non-linear analyses induce bigger bending compressive stresses acting on the lining. The bending compressive stress concentrates at the intersection part. The fundamental understanding of a strain-dependent jointed rock mass behavior is achieved in this study and the analytical procedure suggested can be effectively applied to field designs and analyses. 암석과는 달리 절리암반은 변형률 의존적 변형특성(탄성계수 및 감쇠비)을 나타낸다. 탄성파를 이용한 현장실험을 통해 미소변형률 수준에서 암반의 최대탄성계수를 얻을 수 있으며 이를 내진 설계에 반영하고 있으나, 미소 변형률 이상의 중변형률($10^{-4}{\sim}0.5%$) 영역의 동적거동에 대한 실험적인 규명과 이에 대한 수치적 적용은 전무한 실정이다. 본 연구에서는 변형률 의존적 전단탄성계수 및 감쇠비의 비선형 거동 특성을 반영하여 동적해석을 수행할 수 있는 FLAC3D 해석 모듈을 개발하였다. 리커 웨이브의 파동 변화를 분석하여 개발된 모듈에 대한 검증을 수행하였다. 절리 암반의 탄성파 전파특성과 동적 거동특성을 모사할 수 있는 절리암반 공진주 시험장비를 통하여 현장에서 채취한 절리암반의 변형률 의존적 전단탄성 계수의 감쇠 특성과 감쇠비의 증폭 특성을 획득하였다. 개발된 비선형 해석 모듈에 실험으로부터 획득된 거동 특성을 반영하여 수직구와 사갱의 접속부에 대한 내진 안정성 평가를 수행하였다. 내진해석 결과, 비선형 해석이 선형 해석보다 더 큰 연직변위와 수평변위 결과를 나타냈다. 라이닝의 휨압축응력은 수직구과 사갱의 접속부에서 집중되는 것으로 나타났으며 비선형해석의 경우 라이닝에 더 큰 휨압축응력이 발생되는 것으로 나타났다. 본 연구를 통하여 변형률 의존적 절리암반의 비선형 거동특성을 보다 깊이 있게 이해하고 해석 및 설계시 고려할 수 있을 것으로 사료된다.