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문제 정의
- 콘크리트 라이닝 설계두께가 40 cm인 터널에서 충격반향시험을 실시하였다. 본 시험에서는 현장에 타설된 콘크리트에 대한 P파 속도를 파악하기 위하여 두께를 알고 있는 지점에서 예비시험을 실시하였다. 그림 5(a)는 충격반향시험결과로서, 스펙트럼은 4.
- 본 연구에서는 단일라이닝 및 복층라이닝의 상호작용을 동시에 해석할 수 있는 프로그램을 개발하여 실험결과와의 비교를 통해 타당성을 검증하여 각종변수의 변화를 통한 터널 라이닝의 거동을 조사하고자 하였다. 이를 위해서 각각의 라이닝을 프레임요소로 처리하고 두 라이닝의 상호작용을 모사할 수 있는 인터페이스요소를 개발하였다.
- 본 연구에서는 외력에 의하여 변상이 발생하였을 때 터널 라이닝에서 관찰할 수 있는 현상을 근거로 하여 어떤 외력이 작용하였는지 판명하기 위한 인공신경망 모델을 설계하였다. 여기에 사용된 다층 역전파 학습 인공신경망은 입력층과 출력층, 두 층 사이에 존재하는 은닉층으로 구성되며 구조 및 학습상수 등을 사용자가 결정할 수 있다.
- 모형실험에 사용된 조사법은 GPR과 충격반향법도 적용하여 보았다. 본 연구에서는 이를 위해 터널모형에서 측정 파라미터를 다양하게 변화시킴으로써 최적의 탐사자료 획득 변수를 얻고자하였다.
- 본 연구에서는 터널 안전관리를 위한 정밀안전진단 시스템을 개발하기 위하여 요소기술로서 비파괴 조사기술, 터널 해석기술, 건전도 평가기술 개발하고자 하였으며, 이를 통해서 터널안전관리 및 유지관리에 필요한 다양한 요소기술들을 시스템화하여 터널 안전진단업무에 효율적으로 활용될 수 있도록 하고자하였다.
- 본 연구에서는 터널의 효율적인 안전관리 및 유지관리를 달성하기 위하여 터널 비파괴조사, 터널해석 및 안정성 평가, 터널 변상원인 및 건전도 평가에 관한 요소기술을 개발하고 이를 시스템화한 터널 정밀안전진단 시스템을 개발하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서 개발한 지반을 포함한 통합 해석프로그램은 지반과 숏크리트, 지반과 콘크리트 라이닝, 지반과 숏크리트, 콘크리트의 복층 라이닝에 대한 모든 해석이 가능하다. 여기서는 이러한 해석프로그램을 이용하여, 중요한 해석변수를 변화시킴에 따라 전체계가 어떻게 변화하는지를 살펴보았다.
제안 방법
- 3) 숏크리트 및 콘크리트 라이닝, 지반과 숏크리트 사이에 존재하는 새로운 라이닝 인터페이스 요소를 개발하여 라이닝을 나타내는 프레임 요소와의 결합을 통하여 터널 라이닝을 수치해석적으로 검토할 수 터널라이닝해석시스템을 개발하였다.
- 대상은 경부고속전철 표준단면에 대하여 수행하였는데, 패턴 1∼5 즉 다섯 가지 패턴에 대하여 해석을 수행하였다. 각각의 패턴에서 강지보공, 용접강선망, 록볼트는 해석에서 제외하여 순수한 숏크리트 및 콘크리트와 지반 사이의 거동만을 해석하였다.
- 본 해석단면 104K 200, 103K 950은 모두 대표단면계측지점으로서 지중변위, 숏크리트 응력, 지중침하, 천단침하량을 수치해석과의 비교대상으로 선정하였다. 경계조건은 공학적 차원에서 일반적으로 설정하는 기준에 따라 터널 상부는 덮개암의 두께, 측부는 2.5D (D는 터널의 직경), 하부는 1.5D로 영역을 설정하였고, 좌·우측방경계는 수평변위, 하부경계는 연직변위를 구속하였다.
- 내공변위량 측정 결과 최대진행속도가 약 15 mm/year이며, 1977년 터널 아치부에 압좌현상이 발생하였다. 그리고 지반이 부풀어오르는 현상의 영향으로 노반이 얼마간 융기하였으며 터널양쪽의 배수구도변형을 일으켰다. 변상구간의 균열 등을 나타낸 변상전개도는 그림 20과 같다.
- 표 1은 터널라이닝에서의 비파괴조사법을 평가한 결과이다. 대상물은 콘크리트, 철근, 균열, 라이닝으로 구분하여 4가지의 등급으로 그 적용성을 평가하였다. 각각의 비파괴조사법의 적용대상에는 차이가 있으나, 초음파법, 전자파법, 적외선법 그리고 타격법의 적용성이 비교적 높게 평가되었다.
- 또한 지반과 터널 라이닝 지보계를 동시에 해석할 수 있는 알고리즘을 개발하여 다양한 변수해석을 통하여 라이닝지보계의 역학적 거동을 조사하였다. 지반은 연속체요소로서 구현하였으며, 지반과 라이닝사이에는 하중전달을 위한 인터페이스 요소를 사용하였다.
- 또한 지반의 물성변화 즉 지반의 암종이 변화함에 따라 라이닝 거동이 어떻게 변화하는지를 조사하였다. 측압계수는 1로 고정하였으며 인터페이스의 접선/법선 강성비는 1.
- 지반을 포함한 라이닝에 대하여 지반의 물성변화를 통하여 즉 휨강성비 F의 변화를 통하여 라이닝 거동이 어떻게 변화하는지를 조사하였다. 라이닝 거동은 숏크리트 및 콘크리트 라이닝의 천단 및 측벽의 처짐, 축력, 휨모멘트, 결과적인 내부응력의 값을 구하여 비교하였다.
- 지반의 물성변화효과는 지반과 라이닝사이의 휨강성비 즉 F로 나타내었다. 라이닝거동은 천단 및 측벽의 처짐, 축력, 휨모멘트, 결과적인 단면력 값을 구하여 비교하였다. 그림 7은 인터페이스 강성의 변화 및 휨강성비 F의 변화에 따른 천단 처짐을 나타낸 것이다.
- 라이닝의 설치 시까지의 이완, 4) 콘크리트 라이닝에 걸리는 2차지압을 고려할 수있는 해석시스템을 개발하였다.
- 본 연구에서 개발된 시스템의 현장터널에 대한 활용성을 검증하기 위하여 현장사례를 적용하였다.
- 본 연구에서 개발된 유한요소 프로그램의 터널현장에 대한 활용성을 고찰하기 위하여 초기지압 및 지보의 시차적 적용이 구현된 프로그램을 이용하여 기건설된 터널단면을 선정하였다. 특히 해석의 정도를 조사하기 위하여 터널 라이닝의 변위 및 응력이 계측되고, 지중변위 및 천단침하가 계측된 단면에 대하여 수치해석을 수행하였다.
- 비파괴 시험법인 적외선 열화상기법을 이용하여 터널구조물의 안전진단에 대한 효율성을 확인하기 위하여 노후화된 터널을 대상으로 측정을 수행하였다. 본 조사에서는 먼저 외관조사를 통하여 누수, 박리, 균열 및 백화 등이 심하다고 판단되는 천정부와 측벽부를 집중적으로 측정하였다. 그림 6은 터널 입구부의 우측 측벽 상단부에서 전형적인 누수부에 대한 적외선 열화상결과를 보여주고 있다.
- 비파괴 시험법인 적외선 열화상기법을 이용하여 터널구조물의 안전진단에 대한 효율성을 확인하기 위하여 노후화된 터널을 대상으로 측정을 수행하였다. 본 조사에서는 먼저 외관조사를 통하여 누수, 박리, 균열 및 백화 등이 심하다고 판단되는 천정부와 측벽부를 집중적으로 측정하였다.
- 다. 이러한 문제의 해결을 위해 터널 변상현상에 대한 연구내용을 바탕으로 하여 타당한 사례들을 구성하였다. 즉 변상현상들을 원인별로 적절하게 조합하였다.
- 본 연구에서는 단일라이닝 및 복층라이닝의 상호작용을 동시에 해석할 수 있는 프로그램을 개발하여 실험결과와의 비교를 통해 타당성을 검증하여 각종변수의 변화를 통한 터널 라이닝의 거동을 조사하고자 하였다. 이를 위해서 각각의 라이닝을 프레임요소로 처리하고 두 라이닝의 상호작용을 모사할 수 있는 인터페이스요소를 개발하였다. 인터페이스 요소는 Goodman에 의해 개발된 절리모멜을 수정한 모델로 마찰요소(friction element)를 이용하여 구현하였다.
- 인공신경망 구조와 학습상수를 함께 고려하기 위하여 4종류의 구조와 3종류의 학습상수를 조합해서 12개의 인공신경망 모델을 구성하였으며 허용 시스템오차를 0.01로 설정하였을 때의 학습결과 및 재추론결과를 이용하여 최적의 인공신경망을 선택하고자한다. 설정된 모델은 표 3과 같다.
- 지금까지 구현한 각종 해석기법을 하나의 프로그램 시스템으로 총괄 통합하였다. 이 해석시스템은 윈도우용 S/W인 TULAS(TUnnel Lining Analysis System)라 하였으며, 본 해석시스템의 해석모듈은 다음과 같은 6개의 모듈로 이루어진다.
- 또한 지반과 터널 라이닝 지보계를 동시에 해석할 수 있는 알고리즘을 개발하여 다양한 변수해석을 통하여 라이닝지보계의 역학적 거동을 조사하였다. 지반은 연속체요소로서 구현하였으며, 지반과 라이닝사이에는 하중전달을 위한 인터페이스 요소를 사용하였다. 사용한 지반인터페이스요소는 King에 의해 개발된 요소를 사용하였다.
- 지반을 포함한 라이닝에 대하여 지반의 물성변화를 통하여 즉 휨강성비 F의 변화를 통하여 라이닝 거동이 어떻게 변화하는지를 조사하였다. 라이닝 거동은 숏크리트 및 콘크리트 라이닝의 천단 및 측벽의 처짐, 축력, 휨모멘트, 결과적인 내부응력의 값을 구하여 비교하였다.
- 지반을 포함한 라이닝에 대하여 파라미터를 변화시킴으로서 라이닝 거동이 어떻게 변화하는지를 살펴보았다. 파라미터는 지반의 물성, 라이닝 두께의 변화, 지반과 라
- 콘크리트 라이닝 설계두께가 40 cm인 터널에서 충격반향시험을 실시하였다. 본 시험에서는 현장에 타설된 콘크리트에 대한 P파 속도를 파악하기 위하여 두께를 알고 있는 지점에서 예비시험을 실시하였다.
- 터널에서의 록볼트, 강지보, 콘크리트 라이닝 내부공동, 배면공동을 설치하고 비파괴시험의 적용성을 살펴보았다. 그림 1에는 400 MHz 안테나를 이용하여 측정된 GPR결과로서 유전상수는 7.
- 본 연구에서 개발된 유한요소 프로그램의 터널현장에 대한 활용성을 고찰하기 위하여 초기지압 및 지보의 시차적 적용이 구현된 프로그램을 이용하여 기건설된 터널단면을 선정하였다. 특히 해석의 정도를 조사하기 위하여 터널 라이닝의 변위 및 응력이 계측되고, 지중변위 및 천단침하가 계측된 단면에 대하여 수치해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 즉 변상현상들을 원인별로 적절하게 조합하였다. 129개의 사례를 조사하였다.
- 오차들의 평균보다 값이 작은 모델은 4, 5, 7, 10, 11, 12이며 이중 은닉층이 단층인 7번 모델은 제외하였다. 나머지 5개의 모델 중에서는 5번 모델과 12번 모델이 최대 오차가 작은데 현재 시스템 구성에서는 학습시간이 중요한 요소가 아니므로 좀 더 복잡한 구조의 12번 모델을 최종 최적 인공신경망모델로 선정하였다.
- 대상은 경부고속전철 표준단면에 대하여 수행하였는데, 패턴 1∼5 즉 다섯 가지 패턴에 대하여 해석을 수행하였다. 각각의 패턴에서 강지보공, 용접강선망, 록볼트는 해석에서 제외하여 순수한 숏크리트 및 콘크리트와 지반 사이의 거동만을 해석하였다.
- 모델시험체는 터널 라이닝을 나타내기 위해 콘크리트로 만들어진 4개의 모델로 구성되어 있다. 모델시험 부지의 크기는 1200×1500 cm (길이×너비)이고, 각각의 모델 크기는 1200×300 cm 이다. 4개의 모델 모두 지반과 콘크리트 라이닝 사이에는 방수포가 시공되어있으며, 타설된 콘크리트의 압축강도는 평균 210 kg/cm2 이다.
- 모델시험체는 터널 라이닝을 나타내기 위해 콘크리트로 만들어진 4개의 모델로 구성되어 있다. 모델시험 부지의 크기는 1200×1500 cm (길이×너비)이고, 각각의 모델 크기는 1200×300 cm 이다.
- 모델의 선정기준으로는 학습에 사용된 129개 사례 중 임의로 선택된 22개 사례를 재추론하여 구한 결과의 오차율을 삼는다. 재추론결과의 오차율은 22개 사례별 오차를 구한 뒤 이 값들의 평균을 취한다.
- 본 연구에서는 터널구조물에 대한 비파괴 조사법의 적용성을 살펴보기 위하여 거의 실물크기에 가까운 모형구조물을 제작하여 실험에 사용하였다. 모형실험에 사용된 조사법은 GPR과 충격반향법도 적용하여 보았다.
- 본 터널은 연장 6,359 m로서 1970년 준공되었다. 단선 2호형으로 콘크리트 구조물이며 일부 구간에만 인버트가 설치되어 있다.
- 본 해석단면 104K 200, 103K 950은 모두 대표단면계측지점으로서 지중변위, 숏크리트 응력, 지중침하, 천단침하량을 수치해석과의 비교대상으로 선정하였다. 경계조건은 공학적 차원에서 일반적으로 설정하는 기준에 따라 터널 상부는 덮개암의 두께, 측부는 2.
데이터처리
- 따라서 이 요소는 라이닝 요소와 마찬가지로 3개의 자유도를 갖는다. 개발한 라이닝 인터페이스 요소는 복합빔(multiple beam)에 관한 수학적 해와 비교함으로서 그 타당성을 검증하였다. 수학적해와 1%의 오차를 보였다.
- 모델의 선정기준으로는 학습에 사용된 129개 사례 중 임의로 선택된 22개 사례를 재추론하여 구한 결과의 오차율을 삼는다. 재추론결과의 오차율은 22개 사례별 오차를 구한 뒤 이 값들의 평균을 취한다. 여기서 오차는 추론결과와 목적 결과의 차와 목적 결과의 상대적 비를 의미한다.
이론/모형
- 본 연구에서는 터널구조물에 대한 비파괴 조사법의 적용성을 살펴보기 위하여 거의 실물크기에 가까운 모형구조물을 제작하여 실험에 사용하였다. 모형실험에 사용된 조사법은 GPR과 충격반향법도 적용하여 보았다. 본 연구에서는 이를 위해 터널모형에서 측정 파라미터를 다양하게 변화시킴으로써 최적의 탐사자료 획득 변수를 얻고자하였다.
- 지반은 연속체요소로서 구현하였으며, 지반과 라이닝사이에는 하중전달을 위한 인터페이스 요소를 사용하였다. 사용한 지반인터페이스요소는 King에 의해 개발된 요소를 사용하였다. 복층 라이닝 지보계를 동시에 지반과 함께 해석하는 경우에는 개발된 라이닝인터페이스 요소를 사용하였다.
- 지금까지 구현한 각종 해석기법을 하나의 프로그램 시스템으로 총괄 통합하였다. 이 해석시스템은 윈도우용 S/W인 TULAS(TUnnel Lining Analysis System)라 하였으며, 본 해석시스템의 해석모듈은 다음과 같은 6개의 모듈로 이루어진다.
- 이를 위해서 각각의 라이닝을 프레임요소로 처리하고 두 라이닝의 상호작용을 모사할 수 있는 인터페이스요소를 개발하였다. 인터페이스 요소는 Goodman에 의해 개발된 절리모멜을 수정한 모델로 마찰요소(friction element)를 이용하여 구현하였다. 이 인터페이스요소는 구조적으로 상부 및 하부라이닝요소에 각각 연결되어있다.
성능/효과
- 2) 충격반향조사에서는 원지반과 밀착된 콘크리트 라이닝의 경우에도 두께를 파악할 수 있었고 두께가 30 cm 규모의 라이닝 두께 검측에 가장 효율적인 것으로 나타났다. 두께가 50 cm 이상의 라이닝에는 측정오차에 의한 결과값의 변화가 매우 컸으며, 터널라이닝의 형상은 공진을 발생시키기에 양호한 형상을 띠고 있어 적용성은 더욱 높았다.
- 5) 터널 라이닝에 발생하는 변상의 경우 인공신경망을 이용하여 기존의 현장자료나 관련 이론을 학습함으로써 패턴매칭(pattern matching)을 통한 경향파악이 가능하였다. 또한 학습에 사용되지 않은 자료에 대해서도 학습결과를 기초로 한 추론이 가능하였다.
- 6) 터널 라이닝 변상현상만으로 원인을 추론한 결과 대체로 전문가의 판단과 유사함을 보였다. 그러나 터널 시공조건 및 주변환경조건을 함께 고려함으로써 정확성을 높일 수 있다.
- 대상물은 콘크리트, 철근, 균열, 라이닝으로 구분하여 4가지의 등급으로 그 적용성을 평가하였다. 각각의 비파괴조사법의 적용대상에는 차이가 있으나, 초음파법, 전자파법, 적외선법 그리고 타격법의 적용성이 비교적 높게 평가되었다.
- 환경조건을 살펴보면 지반팽창, 인버트미설치, 라이닝 두께부족이 소성압 발생환경에 모두 해당되며 라이닝 두께부족이 지반이완에 의한 연직압과 편압·사면활동, 수압, 동결압에 해당된다. 결과적으로 소성압이 37.5%를, 그 외 해당원인이 12.5%의 가능성을 가지며 지반 미끄러짐과 지지력부족, 지반침하에 따른 터널침하에 우호적인 환경조건은 없으므로 값을 가지지 않는다. 두 과정의 결과를 함께 그래프로 제시하면 그림 22와 같다.
- 2) 충격반향조사에서는 원지반과 밀착된 콘크리트 라이닝의 경우에도 두께를 파악할 수 있었고 두께가 30 cm 규모의 라이닝 두께 검측에 가장 효율적인 것으로 나타났다. 두께가 50 cm 이상의 라이닝에는 측정오차에 의한 결과값의 변화가 매우 컸으며, 터널라이닝의 형상은 공진을 발생시키기에 양호한 형상을 띠고 있어 적용성은 더욱 높았다.
- 그림 9에는 콘크리트 라이닝의 처짐을 나타내었다. 모든 처짐량값은 휨강성비가 작을수록 크며, 휨강성비 F가 커질수록 지수 함수적으로 감소하여, 25,000이상의 범위에서 일정한 값을 나타낸다. 따라서 보통의 복층 라이닝과 조합되는 지반은 보통암 이상의 양호한 암반일 경우 처짐량에 있어 큰 차이를 보이지 않음을 알 수 있다.
- 본 연구에서 개발한 지반을 포함한 통합 해석프로그램은 지반과 숏크리트, 지반과 콘크리트 라이닝, 지반과 숏크리트, 콘크리트의 복층 라이닝에 대한 모든 해석이 가능하다. 여기서는 이러한 해석프로그램을 이용하여, 중요한 해석변수를 변화시킴에 따라 전체계가 어떻게 변화하는지를 살펴보았다.
- 2 cm로 계산되었다. 이 지점의 콘크리트 라이닝은 설계두께는 40±4 cm로, 측정결과 설계두께를 충분히 확보하고 있는 것으로 나타났으며, 콘크리트 라이닝은 내부결함이 없는 건전한 것으로 조사되었다. 그림 5(b)에서 스펙트럼은 7.
- 인공신경망을 이용하여 변상현상만을 입력한 결과 프로그램에 의해 제시된 원인별 가능성은 그림 21에 나타낸바와 같이 소성압(53%), 동결압(33%), 터널 종단방향 지지력부족(32%), 지반이완에 의한 연직압(19%), 지반 미끄러짐(18%) 순서이다.
- 지보재의 물성인 숏크리트의 압축응력은 두 단면 모두 천단과 측벽부에서 계측결과와 수치해석 결과가 거의 일치함을 알 수 있다. 모든 경우에 숏크리트 압축응력은 허용압축응력 52 kg/cm2에 크게 미치지 못함을 알 수 있다.
- 평균오차 및 최대·최소오차는 큰 차이를 보이지 않으며, 은닉층의 구조가 복잡해짐에 따라 학습시간이 상당량 증가함을 알 수 있다. 반면에 적은 학습횟수에 요구하는 시스템오차에 도달할 수 있음을 알 수 있는데 이는 은닉층의 개수가 증가함에 따라 상호연관성 패턴인식 영역이 고급화되기 때문이다.
후속연구
- 4) 지반압을 1차적으로 지보하는 숏크리트와 2차적으로 지보하는 콘크리트 라이닝 거동과는 모든 거동에 있어 상이한 거동을 보이므로 숏크리트에 작용하는 지압의 형태, 지반특성 등과 관련하여 복층 라이닝해석이 반드시 필요하리라 판단된다.
- 그림과 같이 특정 항을 선택하면 공법에 대하여 간단하게 목적, 적용상황, 방법이 함께 제시된다. 대개 두세 가지의 공법을 병용하는 사례가 많은데 이를 위해 보수목적에 맞는 최적의 공법조합사례를 제시할 수 있는 기능을 추가함으로써 시스템의 개선을 도모할 수 있을 것으로 생각된다.
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