지중터널은 대부분 지하수위 하부에 위치하므로 지하수 처리문제는 터널의 장기운영에 있어 매우 중요하다. 배수형터널의 경우 수리기능이 원활하면 라이닝에 수압이 작용하지 않으나 장기 운영으로 인해 배수시스템의 열화가 진행되면서 라이닝 배면에 설계 시 고려하지 않았던 간극수압이 작용하게 되는데, 이를 잔류수압이라 한다. 잔류수압은 피에조미터로 그 측정이 가능하나 이는 라이닝 및 배수시스템을 훼손할 염려가 있어 부적합하기 때문에 라이닝을 손상시키지 않으면서 작용수압을 평가할 수 있고, 운영 중 라이닝의 건전도 평가(health monitoring) 시 수압상태의 파악이 가능한 비파피 예측기법이 요구된다. 본 논문에서는 이론적 및 수치해석적 방법을 사용하여 운영 중 터널에 작용하는 간극구압(잔류수압) 예측기법을 제시하였으며, 본 해석방법을 이용하면 비파괴 방법으로 라이닝에 작용하는 간극수압의 파악이 가능하다. 제안된 방법은 이론적 예측기법과 수치해석 결과인 정규화 간극수압 분포곡선과를 병용함으로써 터널 운영단계에서의 잔류수압에 대한 안정성 검토에 유용하게 활용될 수 있다.
지중터널은 대부분 지하수위 하부에 위치하므로 지하수 처리문제는 터널의 장기운영에 있어 매우 중요하다. 배수형터널의 경우 수리기능이 원활하면 라이닝에 수압이 작용하지 않으나 장기 운영으로 인해 배수시스템의 열화가 진행되면서 라이닝 배면에 설계 시 고려하지 않았던 간극수압이 작용하게 되는데, 이를 잔류수압이라 한다. 잔류수압은 피에조미터로 그 측정이 가능하나 이는 라이닝 및 배수시스템을 훼손할 염려가 있어 부적합하기 때문에 라이닝을 손상시키지 않으면서 작용수압을 평가할 수 있고, 운영 중 라이닝의 건전도 평가(health monitoring) 시 수압상태의 파악이 가능한 비파피 예측기법이 요구된다. 본 논문에서는 이론적 및 수치해석적 방법을 사용하여 운영 중 터널에 작용하는 간극구압(잔류수압) 예측기법을 제시하였으며, 본 해석방법을 이용하면 비파괴 방법으로 라이닝에 작용하는 간극수압의 파악이 가능하다. 제안된 방법은 이론적 예측기법과 수치해석 결과인 정규화 간극수압 분포곡선과를 병용함으로써 터널 운영단계에서의 잔류수압에 대한 안정성 검토에 유용하게 활용될 수 있다.
Control of ground water is one of the most important factors for long-term operation of tunnel because most of tunnel is located in the ground. In case of leakage tunnel, there is no pore water pressure on the lining when the drainage system is properly working. After long-term operation, however, t...
Control of ground water is one of the most important factors for long-term operation of tunnel because most of tunnel is located in the ground. In case of leakage tunnel, there is no pore water pressure on the lining when the drainage system is properly working. After long-term operation, however, the pore water pressure can be developed on the lining due to the deterioration of the drainage system. The increased pore water pressure on the lining is termed here as 'residual pore water pressure'. Residual pore water pressure can be measured by piezometer, but it is generally not allowed because of damages of drainage system. Therefore, an indirect and nondestructive method is required for evaluating the residual pore water pressure. Moreover, understanding of pore water pressure is needed during healthy operation of the lining. In this study, a new method for evaluation of pore water pressure on the lining during operation is proposed using theoretical and numerical analysis. It is shown that the method is particularly useful for stability investigation of pore water pressure on the lining during operation using theoretical analysis with normalized pore water pressure curve.
Control of ground water is one of the most important factors for long-term operation of tunnel because most of tunnel is located in the ground. In case of leakage tunnel, there is no pore water pressure on the lining when the drainage system is properly working. After long-term operation, however, the pore water pressure can be developed on the lining due to the deterioration of the drainage system. The increased pore water pressure on the lining is termed here as 'residual pore water pressure'. Residual pore water pressure can be measured by piezometer, but it is generally not allowed because of damages of drainage system. Therefore, an indirect and nondestructive method is required for evaluating the residual pore water pressure. Moreover, understanding of pore water pressure is needed during healthy operation of the lining. In this study, a new method for evaluation of pore water pressure on the lining during operation is proposed using theoretical and numerical analysis. It is shown that the method is particularly useful for stability investigation of pore water pressure on the lining during operation using theoretical analysis with normalized pore water pressure curve.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 운영 중인 터널의 라이닝에 작용하는 간극수압의 크기를 이론적 방법과 수치해석적 방법을 활용한 비파괴 방법을 통해 예측하고자 한다. 또한, 별도로 비배수 조건을 언급하지 않는 한 본 논문에서의 터널은 배수형 터널임을 전제로 한다.
본 절에서는 잔류수압 평가방법 적용에 있어 어떤 요소가 결과에 어떠한 영향을 미치는지를 알기 위하여 라이닝에 작용하는 간극수압의 이론적 예측기법을 활용하여 모의해석을 수행하고자 한다. 본 모의해석은 실제 현장의 데이터는 아니지만 현장조건 및 본 연구의 수치해석 모델과 거의 동일하게 수치를 적용(해석모델은 마제형 단면이나 이론적 방법은 원형터널 가정)함으로써 정해진 심도에 따른 동일단면 터널의 유입량비와 수두 비의 변화를 파악하기 위함이다 모의해석 적용수치는 표 2와 같이 설정하였다.
이와 같은 모의해석을 통해 터널의 심도 반경 그리고 투수 계수 비가 터널 내 유입량 및 잔류수두의 거동에 어떤 영향을 미치는지 파악할 수 있었다. 이 결과를 통해비배수형 터널이 누수방지 및 지반하중(토압+수압흐!중) 을 지지하기 위하여 라이닝을 두껍게 설치하는 것과 원활한 배수를 전제로 하여 수압하중을 배제함으로써 라이닝 두께를 비교적 얇게 설치하는 배수형 터널의 특징이 파악됨을 알 수 있다.
지금까지의 과정을 통해 운영 중인 터널의 배수 성능이 저하하면서 발생하는 수리거동의 변화에 대하여 알아보았다 본 장에서는 운영 중 터널에 작용하는 간극수압의 이론적 예측기법과 수치해석적 방법을 통해 얻어진 결과에 대하여 비교하고, 최종적으로 잔류수압 평가기법의 일련과정을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 이론적 방법과 수치해석적 방법을 통해 운영 중 터널에 작용하는 간극수압을 간단하게 평가할 수 있는 예측기법을 제안하였다. 터널 운영 중 배수 시스템의 수리기능 저하로 인해 발생하는 잔류수압의 주요 영향인 자로 터널의 내.
본 논문은 한국시설안전기술공단이 지원하여 건국대학교와 공동 수행한 ''잔류수압을 받는 배수형 터널의 안정성 평가 및 보수.보강기술개발' 연구의 일환으로 수행되었으며, 한국시설안전기술공단의 연구비 지원에 감사드립니다.
가설 설정
비파괴 방법을 통해 예측하고자 한다. 또한, 별도로 비배수 조건을 언급하지 않는 한 본 논문에서의 터널은 배수형 터널임을 전제로 한다.
작용하는 간극수압을 예측하였다. 본 연구에서 라이닝/지반 투수계수비의 산정을 위하여 이론적인 방법을 고려하였는데, 여기서 지반은 균질 및 등방이고 1 차 라이닝의 투수계수는 주변지반의 투수계수와 같다고 가정하여 결국 운영 중 열화로 인한 라이닝 작용수압은 2차 라이닝에 작용하는 것으로 설정하였다.
터널 내 지하수의 유입은 그림 2에서 나타낸 것과 같이 완전배수 조건의 유입량과 부분 배수 조건의 유입량으로 구분되며, 본 이론적 평가는 그림 2(b)의 지중터널 조건으로 설정하여 해석하였다. 또한 지하수의 흐름이 방사형 흐름(radial flow)과 이상화된 균질한 지반, 그리고 원형터널 조건으로 가정하였다 이러한 가정사항을 전제로 완전배수 조건의 터널 내 유입량 %는 Goodman et al.(1965) 등이 제안하였다.
모의해석을 수행하고자 한다. 본 모의해석은 실제 현장의 데이터는 아니지만 현장조건 및 본 연구의 수치해석 모델과 거의 동일하게 수치를 적용(해석모델은 마제형 단면이나 이론적 방법은 원형터널 가정)함으로써 정해진 심도에 따른 동일단면 터널의 유입량비와 수두 비의 변화를 파악하기 위함이다 모의해석 적용수치는 표 2와 같이 설정하였다. 여기서, 하저 또는 해저터널의 경우에는 h≠ho이나 통상적인 지중터널은 h = 임을 유의하여야 한다(그림 2 참조).
제안 방법
본 논문에서는 터널 내 유입량과 수위 등의 인자를 활용하여 라이닝/지반 투수계수비를 산정하고, 이를 통해라 이닝에 작용하는 간극수압을 예측하였다. 본 연구에서 라이닝/지반 투수계수비의 산정을 위하여 이론적인 방법을 고려하였는데, 여기서 지반은 균질 및 등방이고 1 차 라이닝의 투수계수는 주변지반의 투수계수와 같다고 가정하여 결국 운영 중 열화로 인한 라이닝 작용수압은 2차 라이닝에 작용하는 것으로 설정하였다.
터널 모델의 단면형태는 마제형으로 모의해석에서 가정한 원형 단면과는 다르지만 지하수위, 지하수 침투거리(ho), 심도 및 반경비의 조건은 동일하다. 본 연구는 운영 중 터널의 라이닝에 작용하는 간극수압을 평가하기 위함이므로 해석적용 물성은 그림 4에 나타낸 것과 같이 수리 거동의 주요인 자인 투수계수(지반 및 라이닝)만을 나타내었으며, 경계조건에 의한 영향을 배제하기 위하여 수평거리는 232 m, 수직거리는 50 m로 설정하였다. 또한, 본 해석은 ICFEP(Imperial College Finite Element Program, Potts and Zdravkovic, 1999)을 시용하였으며, 터널의 장기적 수리거동의 고찰을 위하여 굴착완료 시점부터 해석 시간을 점진적으로 늘려가면서 정상상태(steady state) 가 유지되는 시점까지 해석을 수행하였다.
본 연구는 운영 중 터널의 라이닝에 작용하는 간극수압을 평가하기 위함이므로 해석적용 물성은 그림 4에 나타낸 것과 같이 수리 거동의 주요인 자인 투수계수(지반 및 라이닝)만을 나타내었으며, 경계조건에 의한 영향을 배제하기 위하여 수평거리는 232 m, 수직거리는 50 m로 설정하였다. 또한, 본 해석은 ICFEP(Imperial College Finite Element Program, Potts and Zdravkovic, 1999)을 시용하였으며, 터널의 장기적 수리거동의 고찰을 위하여 굴착완료 시점부터 해석 시간을 점진적으로 늘려가면서 정상상태(steady state) 가 유지되는 시점까지 해석을 수행하였다.
대상 데이터
al.(2007) 의 연구에서 사용한 해석모델과 동일하게 4개의 지층으로 구성된 화강토 지반의 터널을 적용하였다. 터널 모델의 단면형태는 마제형으로 모의해석에서 가정한 원형 단면과는 다르지만 지하수위, 지하수 침투거리(ho), 심도 및 반경비의 조건은 동일하다.
성능/효과
따라서 터널 내 유입량과 잔류수압은 선형 반비례 관계임을 알 수 있으며, 수두비(hl/ho)와 유량 비(ql/qo)는결국 터널의 기하학적 제원(2h/ro 및 ro/ri)과 라이닝/지반 투수계수비(咼/庆)에 의하여 지배됨을 알 수 있다. 여기서, q1은 터널 내 유입되는 실측유량과 동일하며, qo와 po는 각각 식 (1) 및 정수압을 이용하여 결정할 수 있다
모의해석 결과 동일 단면조건에서는 라이닝/지반 투수 계수 비가 감소(배수시스템 열화거동 모사)함에 따라 유입량 비가 감소함을 알 수 있다. 또한, 동일한 투수 계수 비조 건에 대하여 터널 반경비가 증가할수록 다시 말해 라이닝 두께가 증가할수록 유입량비가 감소함을 알 수 있다.
감소함을 알 수 있다. 또한, 동일한 투수 계수 비조 건에 대하여 터널 반경비가 증가할수록 다시 말해 라이닝 두께가 증가할수록 유입량비가 감소함을 알 수 있다. 이는 터널 내 유입량의 감소량 대비 라이닝 작용수압이 증가하는 것을 의미한다.
이와 같이 운영 중인 터널의 열화 정도가 심화됨에 따라 증가하는 잔류수압은 터널 라이닝의 구조적 안정성에 영향을 미치게 된다. 그러므로 본 모의해석을 통해 라이닝의 두께(thickness)와 같은 기하학적 요소와 라이닝지반 투수계수비(kl/ks)와 같은 수리조건에 의하여 터널 내 유입량이 지배됨을 확인할 수 있다.
영향을 미치는지 파악할 수 있었다. 이 결과를 통해비배수형 터널이 누수방지 및 지반하중(토압+수압흐!중) 을 지지하기 위하여 라이닝을 두껍게 설치하는 것과 원활한 배수를 전제로 하여 수압하중을 배제함으로써 라이닝 두께를 비교적 얇게 설치하는 배수형 터널의 특징이 파악됨을 알 수 있다.
상기 식 (7) 및그림 4를 통해 정규화 유입량과 정규화 간극수압은 서로 선형 반비례 관계이며, 펼쳐진 S자 형태의 곡선으로 나타남을 알 수 있다. 또한, 반경비(라이닝 두께)가 증가할수록 그리고 라이닝/지반투수계수비가 감소할수록 터널 내 유입량은 감소하며, 이에 상응하여 라이닝에 작용하는 간극수압은 큰 폭으로 증가함을 알 수 있다. 이로부터 터널의 두께 및 기하학적 조건이 평가에 미치는 영향을 확인할 수 있다.
본 해석과정을 통해 얻어진 정규화 간극수압 분포곡선으로부터 배수시스템의 열화로 인한 수리기능 저하, 즉 라이닝/지반 투수계수비의 감소는 터널에 직용하는 간극수압의 증가 양상을 나타내게 되고 라이닝/지반 투수 계수 비를 알고 있다면 이를 곡선에 적용함으로써 라이닝에 작용하는 간극수압의 예측이 가능하다는 것을 알 수 있다. 본 연구는 후자가 중점적으로 고려된 것이다.
2)을 이론적 예측기법에 적용하여 그 결괴를 싱기정규화 간극수압 분포곡선(잔류수압 특성화 곡선)과 비교하면 그림 7과 같이 나타낼 수 있다. 이론적 방법을 통해 얻어진 곡선과 수치해석을 통해 도출한 곡선 모두 배수 시스템 열화정도에 따라 동일한 패턴의 수압증가양상을 볼 수 있다. 정밀평가로 분류한 수치해석보다 이론 식을 활용하여 도출한 예측기법의 결과가 다소 과대평가로 나타남을 알 수 있으며, 이는 이론적 예측기법이 여러 가정조건이나 실제현상에서 발생할 수 있는 증발 또는 누수 등에 의해 집수정 실측유량(=라이닝을 통해 유입된 유량 %)이 과소평가되면서 그 결과로 라이닝에 작용하는 간극수압이 보다 크게 평가된 것으로 판단된다 하지만 정성적으로는 동일한 패턴 및 특성을 보이고있고, 정량적인 측면에서만 그 차이가 최대 약 10% 정도이며, 이는 개략적인 평가방법으로의 활용에 유용함을 보여준다고 할 수 있다.
이상에서의 과정 및 결과를 통해 운영 중 터널에 작용하는 간극수압의 크기를 예측할 수 있었다. 터널 내로의 지하수 유입량과 지하수위 그리고 터널의 제원을 이론적 예측기법에 적용하여 라이닝/지반 투수계수비를 산정하였다면, 이를 수치해석결과인 정규화 간극수압 분포곡선에 적용함으로써 라이닝에 작용하는 정수압 대비 간극수압의 크기를 예측할 수 있다.
1. 유입량과 간극수압은 선형 반비례 관계로 나타나며, 라이닝 두께가 증가하거나 라이닝/지반 투수 계수 비가 감소함에 따라 라이닝 작용수압은 큰 폭으로 증가한다.
4. 이론적 방법을 통한 개략평가는 수치해석을 활용한 정밀평가에 비해 다소 과대평가되는 경향이 있으나 최대 10% 정도의 오차가 발생함을 확인하였으며, 개략평가로서의 사용은 무리가 없을 것으로 판단되며, 수치해석결과와의 병용이 매우 유용하다 판단된다.
5. 본 연구에서 제안한 간극수압 예측기법은 터널의 운영단계에서 간극수압으로부터의 라이닝 안정성을 신속하게 점검하는데 상당히 유용할 것으로 보인다 단 제안한 예측기법의 적용에 있어 특정 지반조건 하의 전반적.부분적인 흐름장애에 대한 경우와 지반 강성이 다른 경우의 간극수압분포 등에 대한 신중한 고려가 요구된다.
이론적 방법을 통해 얻어진 곡선과 수치해석을 통해 도출한 곡선 모두 배수 시스템 열화정도에 따라 동일한 패턴의 수압증가양상을 볼 수 있다. 정밀평가로 분류한 수치해석보다 이론 식을 활용하여 도출한 예측기법의 결과가 다소 과대평가로 나타남을 알 수 있으며, 이는 이론적 예측기법이 여러 가정조건이나 실제현상에서 발생할 수 있는 증발 또는 누수 등에 의해 집수정 실측유량(=라이닝을 통해 유입된 유량 %)이 과소평가되면서 그 결과로 라이닝에 작용하는 간극수압이 보다 크게 평가된 것으로 판단된다 하지만 정성적으로는 동일한 패턴 및 특성을 보이고있고, 정량적인 측면에서만 그 차이가 최대 약 10% 정도이며, 이는 개략적인 평가방법으로의 활용에 유용함을 보여준다고 할 수 있다. 또한, 앞에서도 언급한 것과 같이 이론적 평가방법 및 수치해석적 평가방법의 병용이 운영 중인 터널에 작용하는 간극수압을 평가하는데 매우 유용하게 사용될 수 있음을 나타내는 결과로 볼 수 있다.
후속연구
정밀평가로 분류한 수치해석보다 이론 식을 활용하여 도출한 예측기법의 결과가 다소 과대평가로 나타남을 알 수 있으며, 이는 이론적 예측기법이 여러 가정조건이나 실제현상에서 발생할 수 있는 증발 또는 누수 등에 의해 집수정 실측유량(=라이닝을 통해 유입된 유량 %)이 과소평가되면서 그 결과로 라이닝에 작용하는 간극수압이 보다 크게 평가된 것으로 판단된다 하지만 정성적으로는 동일한 패턴 및 특성을 보이고있고, 정량적인 측면에서만 그 차이가 최대 약 10% 정도이며, 이는 개략적인 평가방법으로의 활용에 유용함을 보여준다고 할 수 있다. 또한, 앞에서도 언급한 것과 같이 이론적 평가방법 및 수치해석적 평가방법의 병용이 운영 중인 터널에 작용하는 간극수압을 평가하는데 매우 유용하게 사용될 수 있음을 나타내는 결과로 볼 수 있다.
3. 따라서 보다 정밀한 결과가 요구될 경우에는 수치 해석적 방법을 통해 보완이 가능하며, 실제 현상에 더 근접한 결과를 도출할 수 있을 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.