[논문]변위벡터방향성을 이용한 터널 전방 단층대 예측에 관한 연구

김광염; 임성빈; 김장겸; 서용석; 김진웅

변위벡터방향성을 이용한 터널 전방 단층대 예측에 관한 연구
Prediction of a Fault Zone ahead of a Tunnel Face based on the Orientation of Displacement Vectors 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.20 no.4 = no.66, 2010년, pp.371 - 380

김광염 (한국건설기술연구원 지반연구실) , 임성빈 (한국건설기술연구원 지반연구실) , 김장겸 (단우기실단 터널부) , 서용석 (충북대학교 지구환경과학과) , 김진웅 (한국도로공사 홍천양양건설사업단)

초록
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본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 통해 터널 굴착 전방에 위치한 단층대를 내공변위 계측결과를 이용하여 예측하기 위한 방안을 고찰하였다. 이를 위하여 터널과 단층대의 기하학적 위치변화에 따른 수치해석 모델을 구성하였다. 단층대의 경사는 각각 $90^{\circ}$, 터널 진행 반대방향 $45^{\circ}$, 터널 진행방향 $45^{\circ}$의 3가지로 구분하였으며, 각 경사별로 주향을 $15^{\circ}$ 간격으로 변화시켜 총 15개의 해석 모델에 대하여 분석하였다. 각 모델별 내공변위의 변화양상은 천단부와 측벽부에서의 벡터 방향성을 이용하여 분석하였다. 최종적으로, 총 9가지 조건의 단층대 분포 특성에 해당하는 굴착면 전방 예측 경향선을 도시화 하였으며, 이를 기반으로 일상 계측 데이터 분석을 통한 전방 단층대 출현 및 배향의 예측 방안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A three-dimensional finite element analysis was performed to predict the location of a fault zone ahead of a tunnel face based on convergence displacement. Geometrical models for the numerical analysis were developed based on the possible geometric intersection between the fault zone and the tunnel. Fifteen fault models were generated from combinations of faults with five different strikes (at $15^{\circ}$ intervals) and three dips (vertical, $45^{\circ}$ and $-45^{\circ}$) relative to the tunnel route. The displacements on the crown and side walls were calculated and analyzed using a vector orientation approach. As a result, nine representative prediction charts were developed, showing location and orientation of the fault zone based on convergence displacement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 이러한 방법으로는 단충대의 방향 특성을 예측하기는 어렵다. 따라서 본 연구에서는 단층대의 구조를 다양하게 모델링하여 3차원 수치해석을 수행하였으며, 각 측점에서의 벡터 방향^을 분석하고 변화양상을 도표화하여 굴착면 전방에 위치한 단층대의 기하학적 구조를 예측하고자 하였다.
또한 동일 굴착단면에서 터널과 단층대가 교차하는 시점이 빠른 측점 위치에서의 Aa 감소 시점이 빠르게 나타나며, 반대로 교차 지점이 단층대 중심부 통과 이후인 측점 위치에서는 &x의 변화 양상이 완만하다. 본 연구에서는 Aa 감소 시점을 분석하여 터널 굴착 시 굴착면 전방의 위험 구간을 예측하는 방법을 검토하고자 한다.
본 연구에서는 터널 시공 중의 필수 공정인 계측 결과의 합리적인 분석방안을 마련하기 위해, 다양한 기하구조를 가지는 단층대 분포 지반 모델을 가정하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 수치해석을 통한 이론적인 모형 터널의 3차원 절대 내공변위를 분석을 통해 굴착면 전방의 단층대 구조와 특성에 따른 벡터방향성 경향선의 변화양상을 파악하였다.

가설 설정

6. Definition of vector orientation for Aa.
MIDAS/GTS# 이용하였다. 본 연구에서는 직경이 10 m인 도로터널 형상을 가정하였으며, Mohr- Coulomb 파괴기준에 의한 탄소성해석을 수행하였다. 모델 경계에 의한 영향을 최소화하기 위하여 해석범위는 Fig.
경계조건은 대칭성을 이용하여 측면은 수평방향, 흐)부는 연직방향, 전면과 후면은 축방향 변위를 구속하였다. 연약대의 두께는 1D (10 m) 두께로 하였으며, 1회 굴진장은 0.5D로 전단면 굴착을 가정하였다.
해석 지반은 3등급 상태를 가정하였으며, 변형계수는 RMR에 의한 경험식(Sonmez et al, 2(X)6)을 이용하여 결정하였다.

제안 방법

3과같이 직경의 5배가 되도록 설정하였다. 경계조건은 대칭성을 이용하여 측면은 수평방향, 흐)부는 연직방향, 전면과 후면은 축방향 변위를 구속하였다. 연약대의 두께는 1D (10 m) 두께로 하였으며, 1회 굴진장은 0.
그리고 균질한 암반과 단충대가 존재하는 모델의 동일 단면에서의 벡터 방향성의 차이를 Aa라 정의히고, 단층대 중심부를 통과하기 전까지의 를 분석하여 전방의 단층대를 예측하였다. 단층대 구간을 통과하기 전 벡터 방향성은 급격히 감소하여 굴착 반대방향으로 변화하다가 단층대 통과 직전에 벡터 방향^이 증가하며, 이때의 감소 시점을 분석하여 전방의 단층대 예측 빙안을 제시하였다.
단층대 구간을 통과하기 전 벡터 방향성은 급격히 감소하여 굴착 반대방향으로 변화하다가 단층대 통과 직전에 벡터 방향^이 증가하며, 이때의 감소 시점을 분석하여 전방의 단층대 예측 빙안을 제시하였다. 총 9가지 경우에 해당하는 굴착면 전방 예측 경향선을 도시화하였으며, 이를 기반으로 일상계측 데이터 분석을 통해 굴착 면 전방의 단층대 출현 및 배향을 대략적으로 예측할 수 있는 방안을 제시하였다.
단층대의 경사는 90°, 터널 진행 반대방향 45°, 터널 진행방향 4^등 3가지로 구분하였으며, 각 경사별로 15° 간격으로 주향을 변화시켜 총 15개의 해석 모델을 작성하였다(Table 1). 단층대와 원지반의 물성비는 20, 측압계수(Ko)는 1.
단층대의 배향에 따른 3차원 거동 양상을 분석하기 위하여, 단층대의 주향과 경사를 다양하게 설정한 모델을 작성하였다. 단층대의 경사는 90°, 터널 진행 반대방향 45°, 터널 진행방향 4^등 3가지로 구분하였으며, 각 경사별로 15° 간격으로 주향을 변화시켜 총 15개의 해석 모델을 작성하였다(Table 1).
하지만 가늘고 긴 터널의 기하학적 특성상 굴착 전 획득한 정보만으로는 노선을 따른 복잡한 지질변화 특성을 정확히 예즉하여안정성을 평가하기는 매우 어렵다. 따라서 터널 굴착 중 굴착 면에 대한 지질조사(face mapping)를 수행하여 현재의 지반 상태를 평가하고, 또한 계측을 통해 터널을 구성하는지 반의 거동을 정량적으로 평가한다.
5D 또는 ID 떨어진 지점의 값을 이용할 수 있다. 보통 0.5D나 1D에서의 벡터 방향성의 경향성은 유사하며, 본연구에서는 초기의 양상을 더 잘 표현할 수 있다고 판단되는 0.5D 떨어진 지점에서의 벡터 방향성을 이용하였다. 굴착면으로부터 0.
본 논문에서는 터널 진행방향 경사를 +45°, 진행 반대 방향 경사를 -45°로 정의하였다.
수행하였다. 수치해석을 통한 이론적인 모형 터널의 3차원 절대 내공변위를 분석을 통해 굴착면 전방의 단층대 구조와 특성에 따른 벡터방향성 경향선의 변화양상을 파악하였다. 최종적으로 터널 거동 양상을 사전에 예측하고, 나아가 전방의 단층대 출현 및 배향을 예측할 수 있는 기법을 제안하였다.
이를 위해 설계 단계에서 지표지질조사, 시추조사, 물리탐사 등의 예비조사를 수행한다. 하지만 가늘고 긴 터널의 기하학적 특성상 굴착 전 획득한 정보만으로는 노선을 따른 복잡한 지질변화 특성을 정확히 예즉하여안정성을 평가하기는 매우 어렵다.
단층대 구간을 통과하기 전 벡터 방향성은 급격히 감소하여 굴착 반대방향으로 변화하다가 단층대 통과 직전에 벡터 방향^이 증가하며, 이때의 감소 시점을 분석하여 전방의 단층대 예측 빙안을 제시하였다. 총 9가지 경우에 해당하는 굴착면 전방 예측 경향선을 도시화하였으며, 이를 기반으로 일상계측 데이터 분석을 통해 굴착 면 전방의 단층대 출현 및 배향을 대략적으로 예측할 수 있는 방안을 제시하였다.
수치해석을 통한 이론적인 모형 터널의 3차원 절대 내공변위를 분석을 통해 굴착면 전방의 단층대 구조와 특성에 따른 벡터방향성 경향선의 변화양상을 파악하였다. 최종적으로 터널 거동 양상을 사전에 예측하고, 나아가 전방의 단층대 출현 및 배향을 예측할 수 있는 기법을 제안하였다.

데이터처리

단층대의 경사가 터널 진행방향에 수직인 모델에서 굴착 면 0.5D지점의 천단부 벡터 방향성 분석 결과는 Fig 4(a) 와 같으며, 단층대가 없는 균질한 지반에서의 벡터 방향성 (US)과 단층대가 존재하는 모델에서의 벡터 방향성 (L/S) 을 비교하여 나타내었다. 균질한 지반에서의 벡터 방향성 (L/S)은 약 31<정도를 유지한다.
연약대가 존재하는 지반에서의 터널의 3차원 내공 변위 거동 및 응력변화 특성을 분석하기 위하여 유한요소 해석프로그램인 MIDAS/GTS# 이용하였다. 본 연구에서는 직경이 10 m인 도로터널 형상을 가정하였으며, Mohr- Coulomb 파괴기준에 의한 탄소성해석을 수행하였다.

성능/효과

또한 단층대 중심부에 근접하는 구간에서는 Aa가 굴착 방향으로 급히 증가하는 공통적인 특징을 보인다. 따라서 모델별 Aa 분석결과는 각 측정위치에서의 Aa 감소 시점을 이용하여 단층대의 기하구조를 예측할 수 있음을 보여준다. 물론, 실제 자연에서의 지질구조는 해석 모델과 많은 차이가 있다.
분석 결과, 굴착단면에서 단층대가 출현하는 시점이 빠른 측점 위치에서 벡터 방향성의 변화가 가장 먼저 시작되었으며, 터널 중심부를 지난 후 측점위치에 단층대가 접하는 경우에는 벡터 방향^이 감소하지 않고 꾸준히 증가흐] 는양상을 보인다. 그리고 동일한 경사각을 가지는 단층대라도 경사방향과 터널 축과의 차이에 커질수록 벡터 방향^의 변화가 빠르게 나타나는 양상을 보인다.

후속연구

단층대, 파쇄대 등의 연약대가 서로 교차되어복합적으로 존재하며, 층리 및 엽리 등의 불연속면에 의한 비균질 이방성 등을 해석 모델에서 충분히 반영할 수 없다. 하지만 터널 공사시 수행되는 일상계측 데이터를 획득하여 벡터 방향성을 분석함으로서, 굴착면 전방의 대표적인 지질구조의 주방향을 예측할 수 있을 것으로 기대된다. Fig.

참고문헌 (14)

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김창용, 홍성완, 김광염, 백승한, 2004, 터널 내공변위 거동 분석에 관한 연구, 한국터널공학 학술논문집, 터널기술, 6(3), pp. 183-197.
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상세보기
Steindorfer, A. E, 1998, Short Term Prediction of Rock Mass Behaviour in Tunnelling by Advanced Analysis of Displacement Monitoring Data, Ph.D. thesis, Graz University of Technology, Austria, 120p.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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