[논문]천단변위의 x-Rs 관리도 분석을 이용한 터널 막장 전방 단층대 예측

윤현석; 서용석; 김광염

doi:10.9711/ktaj.2014.16.4.361

천단변위의 x-Rs 관리도 분석을 이용한 터널 막장 전방 단층대 예측
Prediction of fault zone ahead of tunnel face using x-Rs control chart analysis for crown settlement 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.16 no.4, 2014년, pp.361 - 372

윤현석 (충북대학교 지구환경과학과) , 서용석 (충북대학교 지구환경과학과) , 김광염 (한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실)

초록
AI-Helper

터널 변위 계측은 전방의 단층대의 예측과 안정성 해석에서 매우 중요하다. 본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 통해 터널 단층대의 방향과 존재에 따른 터널의 거동 특성을 평가하였다. 터널의 거동을 대표하는 계측치인 천단변위를 막장면에서 5 m 떨어진 지점에서 평가하였으며, 경향선과 L/C비 (종방향변위/천단변위)를 계산하여 통계적 관리기법인 x-Rs를 적용하여 단층대의 예측방안을 제시하였다. 결과적으로, x-Rs 관리도 기법이 전방 단층대의 존재와 방향을 예측하는데 활용될 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A measurement of tunnel displacement plays an important role for stability analysis and prediction of possible fault zone ahead of tunnel face. In this study, we evaluated characteristics of tunnel behaviour due to the existence and orientation of fault zone based on 3-dimensional finite element numerical analysis. The crown settlement representing tunnel behaviour is acquired at 5 m away from tunnel face in combination with x-Rs control chart analysis based on statistics for trend line and L/C (longitudinal/crown displacement) ratio in order to propose risk management method for fault zone. As a result, x-Rs control chart analysis can enable to predict fault zone in terms of existence and orientation in tunnelling.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

중위값은 각각의 값을 크기 순서로 나열했을 경우 가장 중앙에 위치하는 값을 말한다. 본 연구는 굴진면 전방에 위치하는 단층의 형상에 따른 변위분포 특성을 평가함이 목적이기 때문에 수치해석시 Ⅲ등급 지반의 물성을 적용하였으며, 지역별로 획득된 지반정수는 Table 2와 같다. 단층의 지반정수는 원지반과 단층의 물성비인 MC (modulus contrast)를 100으로 설정하여 산출하였으며, 이는 Dalgις (2003), Lee & Lee (2009), Lee (2014) 등의 연구에서 인용 또는 획득한 단층대에서의 지반정수와 근사치 내지 범위 안에 분포한다 (Table 3).
본 연구에서 x-Rs 관리도를 적용하는 목적은 각 지점에서 측정된 변위 변동의 이상지점을 찾아 굴진면 전방에 분포하는 단층대를 예측하기 위함이다. 따라서, 관리도에 적용할 측정값(x)은 수치해석을 통해 획득한 각 지점별 천단변위 분석값이 된다.
본 연구에서는 터널굴착 시 굴착단계별로 축적되는 계측데이터를 활용하여 그 변화양상을 객관적으로 분석함으로써 굴진면 전방의 위험지반을 예측할 수 있도록 계측데이터의 x-Rs 통계관리도를 작성하여 계측데이터를 분석하고 관리한계선을 적용하는 방법을 제시하고자 한다. 이를 위해 터널 굴착 시 위험지반의 일종인 단층대를 포함하는 지반을 모델링하여 3차원 수치해석을 수행하였으며, 단층의 기하학적 차이에 따른 천단변위를 분석하였다.

가설 설정

본 연구에서는 터널의 굴착에 따른 3차원 거동 특성을 분석하기 위해 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS/NX를 이용하였으며, 직경 10 m인 원형터널 형상을 모델링하여 등방성 지반을 가정하여 탄성 해석을 실시하였다. 터널의 굴진장은 5 m로 전단면 굴착을 수행하였으며, 단층의 형상에 따른 변위분포 특성을 알아보기 위해 측압계수는 1.

제안 방법

2). 단층을 포함하는 해석모델을 구성함에 있어 단층의 방향은 터널의 굴착 방향(Trend 090도)과 수직, 폭은 10m로 고정, 단층의 경사방향과 경사는 6가지로 달리하여 해석을 수행하였다. Fig.
6). 따라서 3차원 수치해석을 통해 획득한 굴착에 따른 변위를 통해 굴진면에서 5 m 이격된 지점에서의 종방향 변위(L)와 천단변위(C)를 분석하여 단층대에 접근 할수록 L/C비의 변화를 분석하였다.
또한, 변위 발생 양상이 급격히 변화하는 징후가 나타나는 경우라도 이전에 측정된 변위값의 범위 내에 분포하고 있어 단층대를 판단하는데 어려움이 따른다. 따라서 변위변동에 대한 이상상태를 보다 명확히 확인하여 단층대 예측에 대한 판단을 돕기 위해 앞서 분석된 경향선과 L/C비의 결과를 바탕으로 x-Rs 관리도 분석을 수행하였다. x-Rs 관리도 분석을 위해 이용된 측정값(x)은 경향선의 경우 굴진면에서 5 m 이격된 지점에서의 천단변위가 되며, L/C비의 경우 측정값(x)은 L/C비 값이 된다.
4에서 보는 바와 같이 영향선과 경향선을 이용하면 굴진면 전방의 단층대에 대한 예측이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 3차원 수치해석을 통해 획득한 굴착에 따른 천단 변위를 통해 굴진면에서 5m 이격된 지점에서의 경향선을 분석하였다.
0으로 고정하고, 지보재의 영향은 고려하지 않았다. 또한 굴착에 의한 경계조 건의 영향을 고려하여 측면 및 하부 경계는 터널 직경의 5배로 설정하였으며, 상부 지표면은 자유경계조건, 측면과 하부 경계는 각각의 면에 수직 방향으로 작용하는 변위를 구속하였다(Fig. 2). 단층을 포함하는 해석모델을 구성함에 있어 단층의 방향은 터널의 굴착 방향(Trend 090도)과 수직, 폭은 10m로 고정, 단층의 경사방향과 경사는 6가지로 달리하여 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 터널굴착 시 굴착단계별로 축적되는 계측데이터를 활용하여 그 변화양상을 객관적으로 분석함으로써 굴진면 전방의 위험지반을 예측할 수 있도록 계측데이터의 x-Rs 통계관리도를 작성하여 계측데이터를 분석하고 관리한계선을 적용하는 방법을 제시하고자 한다. 이를 위해 터널 굴착 시 위험지반의 일종인 단층대를 포함하는 지반을 모델링하여 3차원 수치해석을 수행하였으며, 단층의 기하학적 차이에 따른 천단변위를 분석하였다. 또한 획득된 천단변위를 이용하여 통계관리도 기법의 일종인 x-Rs 관리도를 작성하고 관리한계선을 적용하여 굴진면 전방에 단층대가 분포할 경우의 이상거동에 대해 분석하였다.
관리도는 Shewhart (1924)에 의해 최초로 제안된 이론으로 반복적인 공정에서 획득한 데이터의 변동에서 이상상태를 확인하는데 유용한 통계적 공정관리의 분석기법 중 하나이다. 즉, 이상징후로 인한 산포를 구분할 수 있도록 통계적인 관리한계선을 결정하여 이를 벗어날 때 검출할 수 있는 기준을 제시한다. 관리도는 관리하고자 하는 데이터 계열의 개수에 따라 크게 단변량 관리도와 다변량 관리도로 구분된다.
터널의 굴진장은 5 m로 전단면 굴착을 수행하였으며, 단층의 형상에 따른 변위분포 특성을 알아보기 위해 측압계수는 1.0으로 고정하고, 지보재의 영향은 고려하지 않았다.

대상 데이터

본 연구에서는 국내 10개 터널 현장에 적용된 지반정수값과 Yim et al. (2009)의 역해석을 통해 얻은 결과의 중위값을 이용하였다.

데이터처리

이를 위해 터널 굴착 시 위험지반의 일종인 단층대를 포함하는 지반을 모델링하여 3차원 수치해석을 수행하였으며, 단층의 기하학적 차이에 따른 천단변위를 분석하였다. 또한 획득된 천단변위를 이용하여 통계관리도 기법의 일종인 x-Rs 관리도를 작성하고 관리한계선을 적용하여 굴진면 전방에 단층대가 분포할 경우의 이상거동에 대해 분석하였다.

성능/효과

Case-1의 경우 일정한 변위를 유지하다 단층대로부터약 10 m 전부터 변위가 지속적으로 증가하는 경향을 보이고 있으며, 단층의 경사가 터널의 굴착방향(Trend 090)과 동일한 모델 Case-2,3,4의 경우는 단층대로부터 약 5 m 전에 변위의 증가가 일어나고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 단층의 경사가 작아질수록 천단변위 량이 전반적으로 증가하는 양상을 보이고 있으며, 이는 단층대 출현 전에 터널 상부에 단층이 위치하고 있기 때문에 천단부와 거리가 가까운 낮은 경사의 단층대일수록 변위량이 많아지는 것으로 분석된다.
상기 결과에 의하면 수직단층 및 굴진 방향으로 경사하는 고각 단층의 경우는 천단침하의 경향선 및 L/C비 분석 만으로 단층대 예측이 가능하나, 굴착진행 방향으로 경사하는 저각단층과 굴착진행 반대방향의 경우에는 x-Rs 관리도 분석을 통하여 관리한계선을 설정함으로써 단층대를 명확히 예측할 수 있다.
개별(x) 관리도는 한 개의 타점을 하나의 측정값으로부터 얻어서 분석하는 방법이고, Rs 관리도는 인접한 관측값의 차이를 분석하는 방법 이다. 즉, 1회에 1개 자료밖에 얻을 수 없거나 자료의 발생간격이 긴 공정관리에 이용되는 방법으로 터널에서 1회 계측마다 1개의 계측결과가 산출되는 점을 감안한다면 본 연구에서는 x-Rs 관리도를 적용하는 것이 바람직하다고 판단된다.

후속연구

또한, 터널공사의 특성상 현장에서 계측기 설치 이전에 발생한 선행변위를 파악하는 것이 어렵기 때문에 측정된 변위의 변화폭이 미세하게 변화하는 경우 단층대의 예측이 어렵다. 따라서 x-Rs 관리도 분석을 통하여 관리한계선을 명확히 함으로써 계측자료를 이용하여 굴진면 전방에 분포하는 단층대 등과 같은 위험지반의 분포 예측을 효과적으로 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 굴진면 굴착 후 일정한 시간과 거리를 유지하면서 측정된 양질의 계측자료와 실시간 계측 등을 통해 많은 양의 자료를 확보한다면 보다 명확한 분석이 이루어질 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 x-Rs 관리도 분석을 통하여 관리한계선을 명확히 함으로써 계측자료를 이용하여 굴진면 전방에 분포하는 단층대 등과 같은 위험지반의 분포 예측을 효과적으로 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 굴진면 굴착 후 일정한 시간과 거리를 유지하면서 측정된 양질의 계측자료와 실시간 계측 등을 통해 많은 양의 자료를 확보한다면 보다 명확한 분석이 이루어질 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	NATM 터널에서 단층 등의 위험지반 분포 시 터널의 안정성 분석을 위해 이루어지는 것?	일반적으로 NATM 터널에서 단층 등의 위험지반 분포 시 터널의 안정성 분석을 위해서 설계단계에서의 수치해석적인 방법, 시공단계에서의 굴진면관찰 및 계측이 주로 이루어지고 있다. 특히 시공 중에 이루어지는 계측은 터널 굴착에 따른 지반의 거동을 파악하고 굴진면 전방에 분포하는 단층 등의 위험지반을 예측하여 굴착에 따른 지반의 안정성 확보 및 지보량 산정을 위하여 필수적인 자료로 활용된다.
	터널 변위 계측은 무엇에서 중요한가?	터널 변위 계측은 전방의 단층대의 예측과 안정성 해석에서 매우 중요하다. 본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 통해 터널 단층대의 방향과 존재에 따른 터널의 거동 특성을 평가하였다.
	많은 연구자들이 터널의 변위를 이용하여 굴진면 전방에 분포하는 지반상태를 예측하기 위한 연구를 수행하는 이유?	하지만, 터널공사의 특성상 계측을 통해 획득되는 변위 데이터 중 굴착 직후 발생되는 초기변위를 시간적, 공간적 제약으로 인해 바로 획득할 수 없기 때문에 계측 자료를 이용하여 주변 지반의 거동 및 굴진면 전방에 분포하는 단층대 등의 위험지반 규모를 예측 하는 것은 용이한 일이 아니다. 이러한 이유로 많은 연구자들이 터널의 변위를 이용하여 굴진면 전방에 분포하는 지반상태를 예측하기 위해 연구를 수행하고 있다.

참고문헌 (15)

Dalgic, S. (2003), "Tunneling in fault zones, tuzla tunnel, turkey", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 18, No. 5, pp. 453-465.

상세보기
Kim, C.Y., Hong, S.W., Kim, K.Y., Baek, S.H. (2004), "A study on interpretations of tunnel convergence function parameters", Tunnelling Technology, Korean Tunnelling Association, Vol. 6, No. 3, pp. 183-197.
Kim, K.Y., Yim, S.B., Kim, J.K., Seo, Y.S., Kim, J.W. (2010), "Predicition of a fault zone ahead of a tunnel face based on the orientation of displacement vectors", The Journal of Engineering Geology, Vol. 20, No. 4, pp. 371-380.
Lee, C.K. (2014), "Correlation analysis of rock properties and hazard distribution using 3D FEM FEM strike-slip fault model", Master's thesis of Chungbuk National University, pp. 17-19.
Lee, C.S., Lee, H.M. (2009), "Hydrothermal alteration and engineering characteristics in the bokan tunnel area passing through the YangSan fault", Jour. Geol. Soc. Korea, Vol. 22, No. 1, pp. 13-22.
Lee, I.M., Kang, G.D., Park, K.J. (1998), "Prediction of ground-condition ahead of the tunnel face by using 3-dimensional absolute displacements", The Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 14, No. 4, pp. 17-31.
Panet, M., Guenot, A. (1982), "Analysis of convergence behind the face of a tunnel, Tunnelling 1982", The Institution of Mining and Metallurgy, pp. 197-204.
Park, Y.J., You, K.H., Song, H.S., Kim, K.S., Lee, D.H. (2004), "The prediction of ground condition ahead of the tunnel face using 3-dimensional numerical analysis", Tunnel & Underground Space, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol. 14, No. 6, pp. 440-449.
Schubert, W., Steindorfer, A. (1996), "Selective displacement monitoring during tunnel excavation", Felsbau, Vol. 14, No. 2, pp. 93-98.
Schubert, W., Vavrovsky, G.M. (1994), "Interpretation of monitoring results", World Tunnelling and subsurface excavation, Vol. 7, No. 8, pp. 351-356.
Shewhart, W.A. (1924), "Some applications of statistical methods to the analysis of physical and engineering data", Bell System Technical jounal, Vol. 3, No. 1, pp. 43-87

상세보기
Steindorfer, A. (1998), "Short term prediction of rock mass behaviour in tunnelling by advanced analysis of displacement monitoring data", Doctoral Thesis at Institute for Rock Mechanics and Tunnelling, Techn. Univ. Graz, Austria.
Sulem, J., Panet, M., Guenet, A. (1987), "An analytical solution for time-dependent displacement in a circular tunnel", Int. J. Rock Mech. Min. Sci. & Geomech. Abstr, Vol. 24, No. 3, pp. 155-164.
Yim, S.B., Jeong, H.G., Seo, Y.S. (2009), "Assessment of tunnel displacement with weak zone orientation using 3-D numerical analysis", The Journal of Engineering Geology, Vol. 19, No. 1, pp. 43-50.
Yim, S.B., Seo, Y.S. (2009), "A new method for the analysis of measured displacements during tunnelling using control charts", The Journal of Engineering Geology, Vol. 19, No. 3, pp. 261-268.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증