터널 정거장 형상에 따른 군말뚝 하부 굴착 시 지반거동 연구

공석민,오동욱,이종현,이용주,Kong, Suk-Min,Oh, Dong-Wook,Lee, Jong-Hyen,Lee, Yong-Joo 한국터널지하공간학회 2018 한국터널지하공간학회논문집 Vol.20 No.1

Tunnels are widely used for special purposes including roads, railways and culvert for power transmission, etc. Its cross-section shape is determined by uses, ground condition, environmental or economic factor. Many papers with respect to behaviours of adjacent ground and existing structure tunnelling-induced have been published by many researchers, but tunnel cross-section have rarely been considered. A collapse of tunnel causes vaster human and property damage than structures on the ground. Thus, it is very important to understand and analyse the relationship between behavoiurs of ground and cross-section type of tunnel. In this study, the behaviour of ground due to tunnel excavation for underground station below the grouped pile supported existing structure was analysed through laboratory model test using a trap-door device. Not only two cross-section types, 2-arch and box, as station for tunnel, but also, offset between tunnel and grouped pile centre (0.1B, 0.25B, 0.4B) are considered as variable of this study. In order to measure underground deformation tunnelling-induced, Close Range Photogrammetry technique was applied with laboratory model test, and results are compared to numerical analysis. 터널은 도로, 철도, 지하철과 같은 교통의 통로이자 수로, 전력구, 비축기지와 같은 특수목적을 위해 널리 활용되고 있으며, 터널의 사용 목적, 주변 지반조건 및 경제성에 따라 다양한 터널 형상으로 시공되고 있다. 이에 대해 기존 터널과 주변지반 및 구조물에 관한 연구는 꾸준하게 발표되었으나 단일 형상에 대해 터널굴착 시 주변 지반과 구조물의 거동을 분석한 연구들이 대다수이다. 터널의 붕괴사고는 지상 구조물의 붕괴사고 보다 막대한 인적, 물적 손실을 가져오기 때문에 터널 굴착 및 주변지반의 거동을 관측하고 분석하는 작업은 매우 중요하며, 단일 형상이 아닌 다양한 터널 형상에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구는 trapdoor장치를 이용한 실내 모형시험을 통해 군말뚝 하부에 터널 정거장 굴착 시 주변지반의 거동을 측정하였다. 이때 터널 정거장 형상의 단면을 arch와 box 형태로 제작하였으며, 각 터널 정거장 형상 별 0.1B, 0.25B, 0.4B로 터널과 군말뚝 간 이격거리를 다르게 하여 다양한 조건에서의 지반거동을 분석하였다. 또한, 근거리 사진계측 및 이미지프로세싱 기법을 통해 지반의 거동을 관측하였으며, 유한요소 수치해석을 통해 실내 모형시험, 근거리 사진계측의 결과와 비교 분석하였다.

저토피고 대단면 정거장터널의 설계

정윤영,최해준,김병주,유봉운,김용일,오성진,Jeong, Yun-Young,Choi, Hae-Joon,Kim, Byung-Ju,Yu, Bong-Won,Kim, Yong-Il,Oh, Sung-Jin 한국터널지하공간학회 2007 한국터널지하공간학회논문집 Vol.9 No.2

도심지 개착구간의 교통 및 환경적인 영향을 최소화하기 위하여 단면적 $200\;m^2$ 이상의 정거장터널이 퇴적암반 중에 계획되었으나 토피고가 13 m 이하인 설계조건에 직면하게 되었다. 본 연구에서는 패턴설계가 아닌 시공사례와 아칭효과 발현을 기초로 세 가지 요소 - 단면형상의 영향, 작용하중의 적용방법, 지보방안과 터널안정성분석 - 를 중심으로 설계방향이 논의되었다. 단면형상의 역학적인 영향에 기초하여 기본설계안과 연구단면안이 유도되었고, 지보방안은 터널천반부의 침하방지 및 역학적인 평형상태를 유지하기위한 파이프루프 보조공법과 NATM의 지보원리를 활용하였다. 두 설계안의 비교분석으로부터, 터널라이닝을 개착구조물의 연장선상에서 제약한 설계조건과 터널안정성 및 철근배근의 시공성에 대해 기본설계안이 적합한 방안임을 확인할 수 있었다. 그리고 동일한 건축한계로 아치부의 응력집중이 발생되지 않는 안정적인 응력분포를 나타내는 연구단면안의 분석결과에서 보듯이 향후 대단면터널 설계기술의 향상을 위해 단면형상의 영향과 이완하중의 적용방안이 심도 있게 검토되어야 함을 알 수 있다. For minimizing the effect on the focus of civil traffic and environment conditions related to the excavation at the traffic jamming points, an underground station tunnel was planned with 35.5 m in length and bigger area than $200\;m^2$ in sedimentary rock mass. It faced the case that the overburden was just under 13 m. Not based on a pattern design but on the case histories of similar projects and arching effect, the design of large section tunnel under shallow overburden was investigated on three design subjects which are shape effect on the section area, application method of support pressure, and supporting and tunnel safety. According to the mechanical effect from section shape, a basic design and a preliminary design was obtained, and then supporting method of large section was planned by the supporting of NATM and a pipe roof method for subsidence prevention and mechanical stability. From the comparative study between both designs, it was found that the basic design was suitable and acceptable for the steel alignment of tunnel lining, safety and the design parameter restricted by the limit considered as partition of the excavation facilities. Through the analysis result of preliminary design showing the mechanical stability without stress concentration in tunnel arch level, it also was induced that shape effect of the large section area and yielding load obtained from deformation zone in the surrounding rock mass of tunnel have to be considered as major topics for the further development of design technique on the large section tunnel.

고속도로터널의 붕락유형과 원인 분석

김낙영,김성환,정형식,Kim, Nag-Young,Kim, Sung-Hwan,Chung, Hyung-Sik 한국터널지하공간학회 2000 터널기술 Vol.2 No.3

본 논문에서는 고속도로터널의 붕락형태와 원인분석, 보강방법에 대하여 다루었다. 고속도로터널의 붕락형태를 분석해 보면 3가지 유형으로 분류된다. 지반풍화로 인해 터널붕락이 지표면까지 함몰된 경우 35%, 불리한 암반절리로 인한 터널내 국부적인 쐐기형 암반블럭 붕락의 경우 50%, 터널굴진방향과 미끄럼면의 교차로 인해 터널내 침하가 발생한 경우 15%의 비율로 조사되었고 터널붕락이 발생된 위치는 입출구 40m 이내와 입출구와 인접한 계곡부에서 85%, 비상주차대과 본선접속부에서 15% 발생되었다. 고속도로터널에서 발생한 붕락을 파괴개념으로 분석하면 활동파괴가 83%이상을 차지하는 것으로 분석되었다. The collapse shapes and causes of tunnel in the highway were analyzed and reinforced methods of tunnel were investigated in the paper. Collapse shapes of tunnel are divided into three types such as subsurface failure, small scale wedge failure and slickenside strata failure. These three shapes consist of 35%, 50%, and 15%, respectively. The 85% of collapse was located near the entrance and exit of tunnel. The 15% was located at the intersection of emergency laybys. When tunnel collapses are analyzed by the failure concept, sliding failure amounts to more than 83%.

삼병렬 터널의 안정성 검토를 위한 모형실험 연구

김종우(Jong-Woo Kim),배우석(Woo-Seok Bae) 한국암반공학회 2008 터널과지하공간 Vol.18 No.4

삼병렬 터널은3개의 터널이 서로 나란히 배열되는 형태의 터널이다.본 연구에서는 터널간 이격거리, 터널단면 형상,지보조건,지반조건 등이 서로 다른 7가지 삼병렬 터널 모형들에 대한 축소모형실험을 통하여 모형별 균열개시압력과 터널 주변지반의 변형거동을 조사하였다. 터널간 이격거리가 작은 모형일수록 낮은 압력 수준에서 필러의 파괴가 일어나고 터널의 내공변형량도 증가하여 터널의 안정성은 감소하였다. 터널단면의 형상이 아치형,편평아치형,사각형인 모형들 중에서 사각형 단면을 가진 터널의 안정성이 가장 작았으며, 천반곡률 반경이 작은 아치형 터널이 편평아치형 터널보다 안정성이 우수하였다. 터널의 천장부에 모형 록볼트를 설치한 모형은 무지보 터널 모형에 비하여 균열개시압력이 클 뿐만 아니라 천단침하량도 적게 나타나 지보의 효과를 확인할 수 있었다. 이방성 암반내 터널 모형은 등방성 모형과 매우 다른 변형거동을 나타내었으며, FLAC을 사용한 수치해석 결과는 모형실험의 결과와 정성적으로 부합하였다. In this study, scaled model tests were performed to investigate the stability of three parallel tunnels. Seven types of test models which had respectively different pillar widths, tunnel sectional shapes, support conditions and ground conditions were experimented, where crack initiating pressures and deformation behaviors around tunnels were investigated. In order to evaluate the effect of pillar widths on stability, various models were experimented. As results, the models with shallower pillar widths proved to be unstable because of lower crack initiating pressures and more tunnel convergences than the models with thicker pillar widths. In order to find the effect of tunnel sectional shape on stability, the models with arched, semi-arched and rectangular tunnels were experimented. Among them rectangular tunnel model was the most unstable, where the arched tunnel model with small radius of roof curvature was more stable than semi-arched one. The model with rockbolt showed higher crack initiating pressure and less roof lowering than the unsupported model. The deformation behaviors of tunnels in the anisotropic ground model were quite different from those in the isotropic ground model. Futhermore, the results of FLAC analysis were qualitatively coincident with the experimental results.

터널출구 형상이 소음전파 특성에 미치는 영향

백두산(Du-San Baek),양윤상(Yoon-sang Yang),이동훈(Dong-Hoon LEE),박춘근(Chun-Geun Park) 한국철도학회 2014 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2014 No.10

지하철 터널과 고속철도 터널 및 자동차 전용도로에 건설된 터널과 같은 경우는 반폐쇄적인 공간적 특성으로 인하여 음에너지 밀도가 매우 높은 반사음장이 형성되어 강한 세기의 음파가 터널 입구와 출구 방향으로 전파되어 터널 입출구 근방에서 또 다른 소음문제를 야기시킨다. 그러나 지금까지는 터널내부에서의 소음저감을 다룬 연구가 대부분이었으며[1~3], 터널 입구와 출구에서의 소음저감 대책이나 소음전파 특성에 대한 연구결과가 발표된 사례는 거의 없었다. 따라서 본 연구에서는 터널 입구와 출구방향으로 방사되는 소음을 저감시키기 위한 일환으로 관 출구를 경사지게 하거나 관 출구에 다양한 크기의 플랜지를 부착하면서 소음전파 특성을 측정하고 음향해석 결과와 비교하였다. In the tunnel of rail way or motorcar road, reflection sound field with high density sound energy has been generated and radiated to entrance, And then it leads to another noise problem around tunnel entrance. But most of researches were conducted about noise reduction at inside of tunnel and the study on the noise reduction countermeasure or noise propagation characteristics at entrance of tunnel has scarcely been performed. Therefore, to reduce the radiated noise from tunnel exit we measured both noise directivity and reflection coefficient and compared those with simulation results by changing the conditions of inclined exit or flange attached to exit.

굴착단면 형상에 따른 터널 초기탄성변위의 수치해석적 연구

김상환,정혁일,이민상,Kim, Sang-Hwan,Jung, Hyuk-Il,Lee, Min-Sang 한국터널지하공간학회 2002 터널기술 Vol.4 No.3

일반적으로 터널 굴착시 지보재의 설치시기에 대한 예측을 위하여서는 지반반응곡선 (Ground reaction curve)을 활용하고 있다. 이 지반반응곡선은 굴착에 따른 지반의 변위 특성을 나타내며, 일반적으로 원형단면이고 등방상태 (K = 1.0)로 가정하여 단순화시킨 Closed Form Solution을 통해서 구해진다. 그러나, 원형단면이 아니고, 비등방 응력상태인 실질적인 현장조건을 고려해 본다면, 이 지반반응특성 예측식을 현장조건에 적용함에 있어서 어떠한 한계점을 갖는지에 대하여 규명할 필요가 있다. 이를 위해, 본 논문에서는 굴착단면 형상에 따른 측벽에서의 초기탄성변위 및 임계지보압의 변화 특성에 대하여 연구하였다. 터널굴착 형상은 단면의 높이 (b)와 폭 (a)의 비, 즉 굴착형상 계수 S (=b/a)값이 1.0, 0.8, 0.6, 0.4로 변화하도록 하였으며, 각각의 굴착형상마다 초기등방응력을 5~30 MPa사이에서 변화시켜가면서 수치해석을 통해 지반반응곡선을 얻었다. 수치해석을 통해 얻어진 측벽에서의 지반반응곡선을 분석하여 그에 따른 특성을 제시하였다. 검토결과 지반의 자립성을 평가하는데 있어서 Closed form solution의 사용에는 한계가 있는 것으로 판단된다. Ground reaction curve is very useful information for estimating the installation time of the tunnel support. The ground reaction curve can be estimated by analytical closed form solutions derived in case of circular section and isotropic stress condition. The nature of the ground reaction, however, depends significantly on tunnel configurations. Nevertheless, few purely analytical and experimental studies of this problem due to tunnel configurations appear to have been carried out. Therefore, it is necessary to investigate the influence of tunnel configurations in order to use simply in practical design. This paper describes a numerical study for the intial elastic displacement in the ground reaction curve due to configuration of tunnel excavation. In order to evaluate the applicability of analytical closed form solution in practical design, the parametric studies were carried out by numerical analysis in elastic tunnel behaviour. In the studies, S value, namely configuration factor, defined as the ratio between tunnel height (b) and width (a), varies between 0.5 and 3.0, initial ground vertical stress varies between 5~30 MPa for each S values. The results indicated that the self-supportability of ground is larger in the ground having low S value. It, however, is suggested that the applicability of closed form solution may not be adequate to determine directly the installation time of the support and self-supportability of ground. It should be necessary to perform the additional numerical analysis.

레이저 스캐닝 측점군에 의한 터널 3차원 형상의 재현

권기욱(Kwon Kee Wook),이종달(Lee Jong Dal) 대한토목학회 2009 대한토목학회논문집 D Vol.29 No.4D

굴착된 터널 형상 재현에서 단면의 종단 데이터는 터널의 유지를 위해서는 아주 중요하다. 터널이 완성되기전에 설계된 모델을 고려한 완성된 터널의 변형이 고려되어져야 한다. 그리고 변형은 터널 단면 전체를 따라 연속적으로 나타날 수 있다. 본 연구에서는 먼저 수학적 분석으로 접근하였고, 그것을 관측된 터널단면 데이터에 실험 하였다. 그 다음 선추적 방법, 유전자 알고리즘, 패턴 추적 방법 등으로 3D 터널 형상 재현을 비교하였다. 수학적 방법론은 철도 터널과 같은 간단한 원통형은 쉽게 해결이 되었으나, 도로터널과 같은 더욱 복잡한 모델(복심 곡선형과 비원통형)은 구속된 상태하에서 소프트 컴퓨팅 툴을 가지고 해결할 수 있었다. 유전자 알고리즘과 직접탐색법은 많은 계산 시간이 걸렸으나 복잡한 상태하에서 더욱 유연함을 보였으며, 선추적 방법은 초기값들이 제한된 범위 하에서 가장 빠르게 계산되어졌다. In lieu of section profile data, a fitting of the bored tunnel shape is more significant confirmation for maintenance of a tunnel. Before the permit on the completion of a tunnel, deformation of the completed tunnel with respect to the design model are considered. And deformation can be produced at continuously along the entire of the tunnel section. This study firstly includes an analysis of algebraic approach and test it with an observed field data. And then a number of methods, line search method, genetic algorithm, and pattern search methods, are compared with the 3D tunnel shape fitting, Algebraic methods can solve a simple circular cylinder type as like a railway tunnel. However, a more complex model (compound circular curve and non circular) as like a highway tunnel has to be solved with soft computing tools in the cause of conditional constraints. The genetic algorithm and pattern search methods are computationally more intensive, but they are more flexible at a complex condition. The line search method is fastest, but it needs a narrow bounds of the initial values.

지중 박스 구조물 굴착시 침하형상에 대한 연구

조동환(Donghwan Cho),오정호(Jeongho Oh),박준경(Junkyung Park),김현기(HyunKi Kim) 한국철도학회 2017 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2017 No.05

기존의 원형터널은 터널굴착으로 인한 지표침하량 예측을 위한 다양한 경험식이 제안되어, 이를 활용한 침하영향범위산정 및 이완영역을 사전에 평가할 수 있는 지표로 활용되고 있다. 그러나, 지중박스구조물 굴착시 침하형상에 대한 연구는 미진한 실정으로, 본 연구에서는 2차원 유한요소해석을 이용하여 구형단면 터널에 대한 침하형상곡선에 대한 연구를 수행하였다. 매개변수분석을 통해 지하수위조건, 토피고, 터널단면형상, 시공조건등의 변화시 지표침하거동을 분석하여 기존 경험식의 적용가능성을 검토하고, 수치해석 결과를 바탕으로 지중박스구조물 굴착시 적용가능한 침하형상곡선식을 제안하였다. Various empirical equations have been proposed to predict the ground settlement profile due to excavation of conventional circular tunnels, and used to estimate the settlement influential range along with evaluate the relaxation area in advance. However, the study on ground movements for the underground box strurtures has not been fully studied. In this study, the ground settlement induced from underground box excavations is investigated using the two dimensional finite element analyses. A formulation to assess the settlement profile applicable to underground box structure is proposed based on the parametric analyses by the changes of ground condition, geometric condition of structure, and construction conditions.

굴착단면 현상에 따른 터널 초기탄성변위의 수치해석적 연구

김상환,정혁일,이민상 사단법인 한국터널지하공간학회 2002 한국터널지하공간학회논문집 Vol.4 No.3

Ground reaction curve is very useful information for estimating the installation time of the tunnel support. The ground reaction curve can be estimated by analytical closed form solutions derived in case of circular section and isotropic stress condition. The nature of the ground reaction, however, depends significantly on tunnel configurations. Nevertheless, few purely analytical and experimental studies of this problem due to tunnel configurations appear to have been carried out. Therefore, it is necessary to investigate the influence of tunnel configurations in order to use simply in practical design. This paper describes a numerical study for the intial elastic displacement in the ground reaction curve due to configuration of tunnel excavation. In order to evaluate the applicability of analytical closed form solution in practical design, the parametric studies were carried out by numerical analysis in elastic tunnel behaviour. In the studies, S value, namely configuration factor, defined as the ratio between tunnel height (b) and width (a), varies between 0.5 and 3.0, initial ground vertical stress varies between 5∼30 MPa for each S values. The results indicated that the self-supportability of ground is larger in the ground having low S value. It, however, is suggested that the applicability of closed form solution may not be adequate to determine directly the installation time of the support and self-supportability of ground. It should be necessary to perform the additional numerical analysis. 일반적으로 터널 굴착시 지보재의 설치시기에 대한 예측을 위하여서는 지반반응곡선 (Ground reaction curve)을 활용하고 있다. 이 지반반응곡선은 굴착에 따른 지반의 변위 특성을 나타내며, 일반적으로 원형단면이고 등방상태 ()로 가정하여 단순화시킨 Closed Form Solution을 통해서 구해진다. 그러나, 원형단면이 아니고, 비등방 응력상태인 실질적인 현장조건을 고려해 본다면, 이 지반반응특성 예측식을 현장조건에 적용함에 있어서 어떠한 한계점을 갖는지에 대하여 규명할 필요가 있다. 이를 위해, 본 논문에서는 굴착단면 형상에 따른 측벽에서의 초기탄성변위 및 임계지보압의 변화 특성에 대하여 연구하였다. 터널굴착 형상은 단면의 높이 (b)와 폭 (a)의 비, 즉 굴착형상 계수 S (=b/a)값이 1.0, 0.8, 0.6, 0.4로 변화하도록 하였으며, 각각의 굴착형상마다 초기등방응력을 5~30 MPa사이에서 변화시켜가면서 수치해석을 통해 지반반응곡선을 얻었다. 수치해석을 통해 얻어진 측벽에서의 지반반응곡선을 분석하여 그에 따른 특성을 제시하였다. 검토결과 지반의 자립성을 평가하는데 있어서 Closed form solution의 사용에는 한계가 있는 것으로 판단된다.

PDA를 이용한 터널 막장면 정보처리시스템 개발

이준석,이현석,김종규,이상수 사단법인 한국터널지하공간학회 2005 한국터널지하공간학회논문집 Vol.7 No.1

Due to fast development of digital equipments, various information techniques have been applied to the tunneling and a decision aid system based on IT has also been used during excavation stage. A PDA based informative tunneling method is, therefore, studied in this paper and the decision aids for tunneling using digital face mapping data as well as geologic information in terms of digital data is developed. For this, wireless network, mobile computer, CDMA and digital camera have been combined to generate the digital map of the tunnel face and reinforcement or excavation pattern can be estimated based on digitalized geologic conditions. Future studies will be concentrated on the enhancement of the PDA S/W so that reinforcement method as well as the amount of reinforcements can also be stored in the same DB. Furthermore, field application of the S/W will be undertaken and a virtual reality technique will also be introduced to visualize all the tunneling work on the computer monitor. 사회 전반에 걸친 디지털 혁명에 따라 IT를 기반으로 하는 다양한 정보화 터널시공기법이 개발되고 있으며 터널시공시 의사결정체계의 일환으로 적용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 PDA를 이용한 터널시공의 정보화에 대하여 기술하였으며, 특히 시공중 발생하는 각종 막장면 데이터를 실시간으로 입·출력 및 저장하고 이를 기반으로 지보패턴을 결정할 수 있는 의사결정체계를 구축하였다. 이를 위하여 무선 네트워크, 이동식 컴퓨터, CDMA 및 디지털카메라 등 최근 정보통신을 바탕으로 한 막장면 매핑자료의 실시간 데이터 수집 및 해석, 디지털 매핑 등이 가능한 PDA용 S/W를 개발하였으며 현장적용에 대하여 고려하였다. 향후에는 실제 시공시 사용된 지보방법 및 소요 지보량을 함께 저장할 수 있는 DB를 구축하는 한편 현장적용을 통한 fedback 결과에 대하여 연구가 지속될 예정이다.