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TBM 현장에서 막장전방 예측기법 결과의 확률론적 분석을 통한 지반상태 평가
A probabilistic assessment of ground condition prediction ahead of TBM tunnels combining each geophysical prediction method 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.18 no.3, 2016년, pp.257 - 272  

이강현 (한국도로공사 도로교통연구원) ,  서형준 (케임브리지대학교 공과대학) ,  박정준 (한국철도기술연구원) ,  박진호 (고려대학교 건축사회환경공학부) ,  이인모 (고려대학교 건축사회환경공학부)

초록
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TBM으로 터널 시공 중 막장면에서 갑작스럽게 문제가 발생하는 경우 공간적인 제한 때문에 NATM공법으로 시공되는 터널에 비해서 적절한 대처를 하기가 어렵다. TBM으로 터널 시공 중에 막장전방의 지반상태를 예측하는 것은 매우 중요하기 때문에 탄성파, 전자기파 등을 이용하여 TBM 면판 전방의 지반상태를 예측하는 연구 및 기술개발이 이루어졌다. 대부분의 TBM 현장에서는 공사기간 및 비용을 고려하여 1개의 막장전방 예측기법을 적용한다. 그러나 막장전방 예측기법의 종류에 따라서 탐사심도, 적용 가능한 지질조건, 예측할 수 있는 대상, 예측 정확도 등이 다르다. 복합적인 지질조건에 위치한 TBM 터널 시공 시에는 여러 가지 막장전방 예측기법을 적용하는 것이 막장 전방의 지질 조건을 정확하게 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 여러 가지 막장전방 예측기법을 동시에 적용하였을 경우 각각의 기법으로부터 얻어진 지반상태는 다른 결과를 나타낼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 각각의 막장전방 예측기법으로부터 얻어진 막장전방의 지반상태를 종합적으로 평가하기 위한 방법을 제안하였다. 확률론적 분석과 계층분석기법을 이용하여 막장전방의 지반 상태를 종합적으로 평가할 수 있는 통합 모델을 제시하였다. 또한 본 연구에서 제안한 모델을 가상의 지반에 적용하여, 종합적으로 지반 상태를 평가할 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

It is usually not an easy task to counter-measure on time and appropriately when confronting with troubles in mechanized tunnelling job-sites because of the limitation of available spaces to perform those actions with the existence of disk cutter, cutter head, chamber and other various apparatus in ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 정기적으로 계측이 가능한 전기비저항탐사 (TEP, tunnel electrical resistivity prospecting), 선진시추 장비로 막장전방을 굴착하면서 얻어지는 천공지수, 시추공을 통해 탐사하는 전기비저항 토모그래피 기법을 동시에 적용하였을 경우를 가정하였다. 각각의 기법으로부터 얻어진 지반 상태에 대한 정보의 차이를 통합할 수 있는 방안을 제시함으로써 지반 상태에 대한 일관성 있는 정보를 얻고자 하였다.
  • 1~3에 나타나있다. 따라서 본 연구에서는 삼각 분포를 사용할 수 있도록 측정값과 RMR의 상관관계에 상한선과 하한선을 도시하여 측정값으로 추정할 수 있는 RMR의 범위를 구하기 위해, 데이터 분포를 고려하여 Fig. 1~3에 상한선과 하한선을 도시하여 Fig. 6~8에 나타냈다. 따라서 각각의 막장 전방 예측 기법으로 얻어진 측정값을 회귀식에 대입하여 RMR의 중간값을 구하고, 상한선과 하한선으로부터 RMR의 최대값과 최소값을 구했다.
  • 따라서 본 연구에서는 여러 가지 막장전방 예측 기법을 동시에 적용하였을 경우 각각의 방법으로부터 얻어지는 결과로부터 막장전방의 지반을 종합적으로 평가하기 위한 방법을 제안하고자 하였다. 본 연구에서는 정기적으로 계측이 가능한 전기비저항탐사 (TEP, tunnel electrical resistivity prospecting), 선진시추 장비로 막장전방을 굴착하면서 얻어지는 천공지수, 시추공을 통해 탐사하는 전기비저항 토모그래피 기법을 동시에 적용하였을 경우를 가정하였다.
  • 실제 TBM 터널 공사에서 오퍼레이터가 TBM을 운용할 때 막장전방의 정량적인 지반상태보다는 현재 굴착지반 대비 막장전방의 지반상태가 어떻게 변화하는지 파악하는 것이 더 중요하다. 따라서 본 연구에서는 현재 굴착 지반의 RMR을 고려하여 막장전방의 지반상태를 정성적으로 비교해보았다. 현재 굴착 지반의 RMR로 막장전방의 지반 상태를 정규화(Normalized) 하여 구간별 통합 RMR비를 구하고, 그 결과를 Table 7에 정리하였다.
  • 따라서 터널 노선에 걸친 암반상태를 평가하고 적합한 설계를 하기 위해서 시추조사, 지구물리탐사, 지표지질조사 등을 수행한다. 시추조사를 통해 얻어진 시추코어에 대한 육안관찰 및 계측, 암석물성시험과 현장에서의 지형측량, 지표지질조사, 시추공 영상촬영 등으로 얻어진 결과를 바탕으로 종합적인 암반 상태를 평가한다.
  • 본 연구에서는 막장전방 예측기법별 지반 상태의 확률론적 분석과 가중치를 고려하여 막장 전방의 지반 상태를 평가할 수 있는 통합 모델을 제안하고자 하였다. 따라서 각각의 확률분포를 통합하기 위하여 본 연구에서는 Barlow (1984)가 제안한 방법을 본 연구에 적용하였다.
  • 본 연구에서는 막장전방 예측기법으로부터 얻어지는 측정값과 RMR과의 회귀분석을 통해 회귀식을 얻을 수 있고, 상한선과 하한선으로 데이터의 분포를 한정지을 수 있기 때문에 여러 가지 확률 분포 중에서 3점으로 그 분포를 결정할 수 있는 삼각분포를 사용하고자 한다. 삼각분포는 최소값, 중간값, 최대값을 통해 그릴 수 있는 분포이며(Fig.
  • 본 연구에서는 여러 가지 막장전방 예측기법을 동시에 적용하였을 경우 각각의 방법으로부터 예측된 막장전방의 지반 상태를 종합적으로 평가하기 위한 방법을 제안하고자 하였다. 여러 가지 막장전방 예측 기법 중에서 전기비저항탐사(TEP), 천공지수, 전기비저항 토모그래피 탐사가 적용된 경우를 가정하고, 각각의 막장전방 예측기법으로부터 얻은 측정값과 RMR의 상관관계로부터 확률론적 분석을 수행하여 RMR의 확률분포를 구했다.
  • 본 연구에서는 전기비저항탐사(TEP), 천공지수, 전기비저항 토모그래피로 얻어지는 전기비저항과 천공지수와 RMR의 상관관계를 이용하여, 막장 전방의 지반 상태에 대한 정보를 통합할 수 있는 방법을 제시하고자 하였다.

가설 설정

  • 1단계: 막장면에 설치된 여러 개의 전극 중에서 가장 인접한 구간의 전극으로부터 전기저항을 측정한다. 그리고 측정된 저항을 바탕으로 역해석을 수행하여 막장면에 근접한 암반의 상태에 대한 정보를 얻고, 이를 기반암의 상태로 가정한다.
  • 확률론적 분석을 하기 위해서는 전기비저항탐사 (TEP), 천공지수, 전기비저항 토모그래피를 TBM 현장에 동시에 적용한 실제 사례가 있어야 하나, 현재까지 대부분의 현장이 1개의 막장전방 예측기법을 적용하기 때문에 실제 적용 사례는 없다. 따라서 본 연구에서는 현재 굴착지반의 RMR이 50이고 Zone 3-1, 3-2지역에 이상대가 위치한 가상의 암반지반에서 각 구간의 측정값을 가정하고 확률론적 분석을 진행하였다.
  • 또한 전기비저항 토모그래피는 시추공의 길이에 따라 탐사지역의 범위가 변화한다. 본 연구에서는 공사의 효율성과 탐사시간을 고려하여 TBM 하부에 약 1 m 시추공을 굴착하고, TBM 상부에 약 20 m의 시추공을 굴착한 상태에서 전기비저항 토모그래피 탐사를 수행한 경우로 가정하였다. 따라서 전기비저항의 토모그래피의 탐사 지역은 삼각형 분포를 가지게 된다.
  • 따라서 본 연구에서는 여러 가지 막장전방 예측 기법을 동시에 적용하였을 경우 각각의 방법으로부터 얻어지는 결과로부터 막장전방의 지반을 종합적으로 평가하기 위한 방법을 제안하고자 하였다. 본 연구에서는 정기적으로 계측이 가능한 전기비저항탐사 (TEP, tunnel electrical resistivity prospecting), 선진시추 장비로 막장전방을 굴착하면서 얻어지는 천공지수, 시추공을 통해 탐사하는 전기비저항 토모그래피 기법을 동시에 적용하였을 경우를 가정하였다. 각각의 기법으로부터 얻어진 지반 상태에 대한 정보의 차이를 통합할 수 있는 방안을 제시함으로써 지반 상태에 대한 일관성 있는 정보를 얻고자 하였다.
  • 신선암의 전기비저항, 불연속면의 전기비저항, 신선암의 두께, 불연속면의 두께를 임의로 가정하고, 각각의 RMR 변수와 전기비저항의 상관관계를 도출하기 위해 사용되는 기준 전기비저항을 구한다. RMR 변수와 전기비저항의 상관관계를 RMR 항목별로 도출하게 되는데 일축압축강도(uniaixial compressive strength)와 전기비저항의 상관관계를 통해 RUCS, RQD와 전기비저항의 상관관계를 통해 RRQD, 불연속면의 간격(spacing of discontinuities)과 전기비저항의 상관관계를 통해 RSoD, 불연속면의 상태(condition of discontinuities)와 전기비저항의 상관관계를 통해 RCoD를 구한다.
  • 따라서 전기비저항의 토모그래피의 탐사 지역은 삼각형 분포를 가지게 된다. 이 연구에서는 막장면으로부터 약 20 m 전방의 지반을 탐사한다고 가정하였으며, TBM의 직경은 10 m로 가정하였다.
  • 또한 각각의 막장전방 예측기법에 따라서 탐사 간격이 다르다. 전기비저항탐사(TEP)는 막장면에서 인접한 지반이 기반암을 구성하고 있다고 가정하고 이 상대에 대한 해석을 하기 때문에 기반암과 이상대의 위치, 두께에 따라서 탐사 간격이 결정된다. 천공지수의 경우는 코어링을 하는 경우 코어길이에 따라 탐사 간격이 설정되며, 천공만 하는 경우에는 사용자가 설정한 구간에 따라 탐사 간격이 결정되며, 수cm~수m로 탐사 간격을 결정할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전기비저항탐사란 무엇인가? Ryu (2010)에 의해서 개발된 전기비저항탐사(TEP, tunnel electrical resistivity prospecting)는 탐사 시스템을 통해 터널 막장전방 지반에서의 전기저항을 구하고, 역해석을 수행하여 암반상태, 연약대의 존재유무 및 위치, 크기, 상태 등을 파악하는 방법이다. 전기장의 원리를 이용하여 막장 전방의 지반 정보를 해석하는 이 방법은 터널 직경의 약 3~4배까지 탐사 가능하며, 측정에 필요한 시간은 30분 이내로 터널 공사에 지연을 초래하지 않는다.
TBM 공사 중에 터널 전방을 예측할 수 있는 기법으로 어떤 것이 사용되고 있는가? TBM 공사 중에 터널 전방을 예측할 수 있는 기법은 매우 다양하며, TBM 제작사가 위치한 유럽, 일본에서 다수의 기법이 이미 상용화되어 사용되고 있으며, 현재에도 지속적으로 새로운 기법 및 기술 개발이 이루어지고 있다. 직접 막장전방 지반을 천공하는 선진시추, 탄성파를 이용한 TSP (Tunnel Seismic Prediction) 탐사, SSP (Sonic Soft ground Probing)탐사, 초음파 탐사 등의 막장전방 예측기법이 사용되고 있다(Kneib et al., 2000; Dowden and Robinson, 2001). 또한 전기를 이용한 BEAM (Bore-tunnelling Electrical Ahead Monitoring), 전자파를 이용한 레이더 토모그래피, GPR (Ground Penetrating Radar)탐사 등의 막장전방 예측기법이 TBM 현장에서 사용되고 있다(Kaus and Boening, 2008; Richter, 2011).
전기비저항탐사는 어떤 원리를 이용하며, 그 특징은 어떠한가? Ryu (2010)에 의해서 개발된 전기비저항탐사(TEP, tunnel electrical resistivity prospecting)는 탐사 시스템을 통해 터널 막장전방 지반에서의 전기저항을 구하고, 역해석을 수행하여 암반상태, 연약대의 존재유무 및 위치, 크기, 상태 등을 파악하는 방법이다. 전기장의 원리를 이용하여 막장 전방의 지반 정보를 해석하는 이 방법은 터널 직경의 약 3~4배까지 탐사 가능하며, 측정에 필요한 시간은 30분 이내로 터널 공사에 지연을 초래하지 않는다. TBM 공사 현장에 본 기법을 적용할 때는 디스크 커터를 전극으로 활용하므로 별도의 전극 설치 시간이 필요하지 않아 공사기간에 크게 영향을 미치지 않는다.
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참고문헌 (22)

  1. Ahn, H.Y., Jeong, J.H., Cho, I.K., Kim, J.H., Bae, G.J. (2008), "Application of resistivity monitoring with tunnel excavation area", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 10, No. 4, pp. 405-420. 

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  3. Barlow, R.E. (1984), "The bayesian approach in risk analysis", Probabilistic Engineering Mechanics, Vol. 1, Issue. 2, pp. 113-115. 

  4. Choi, J.H., Jo, C.H., Ryu, D.W., Kim, H., Oh, B.S., Kang, M.G., Suh, B.S. (2003), "A study on the correlation between the result of electrical resistivity survey and the rock mass classification values determined by the tunnel face mapping", Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol. 13, No. 4, pp. 279-286. 

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  8. Kim, K.S., Kim, J.H., Jeong, L.C., Lee, I.M., Cho, G.C. (2015), "Development for prediction system of TBM tunnel face ahead using probe drilling equipment and drilled hole imaging equipment", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 17, No. 3, pp. 393-401. 

  9. Kim, N.Y., Kim, S.H., Chung, H.S. (2001), "Correlation between drilling parameter and tunnel support pattern using jumbo drill", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 3, No. 14, pp. 17-24. 

  10. Kneib, G., Kasselm, A., Lorenz K. (2000), "Automatic seismic prediction ahead of the tunnel boring machine", First Break, Vol. 18, Issue. 7, pp. 295-302. 

  11. Kwon, H.S., Synn, J.H., Hwang, S.H., Baek, H.J., Kim, K.S., Kim, J.S. (2001), "A study on the correlation of resistivity and rock quality", Proceedings of Korean Geotechnical Society, Bundang, pp. 81-88. 

  12. Kwon, H.S., Hwang, S., Baek, H., Kim, K.S. (2008), "A study on the correlation between electrical resistivity and rock classsification", Geophysics and Geophysical Exploration, Vol. 11, No. 4, pp. 350-360. 

  13. Lee, K.H., Seo, H.J., Park, J.H., Ahn, H.Y., Kim, K.S., Lee, I.M., (2012), "A study on correlation between electircal resistivity obtained from electrical resistivity logging and rock mass rating in-situ tunnelling site", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 14, No. 5, pp. 503-516. 

  14. Lee, K.H. (2014), "Predictions of ground conditions ahead of tunnel face applicable to TBM", Ph.D. Dissertation, Korea University. 

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  16. O, S.D., Kim, Y.S. (2000), "A study on the cost risk analysis model using the triangular distribution", Proceedings of Architectural Institute of Korea, Vol. 20, No. 2, Gwangju, pp. 675-678. 

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  18. Ryu, H.H. (2010), "Development of a tunnel electrical resistivity prospecting system and its application", Ph.D. Dissertation, Korea Advanced Institute of Science and Technology. 

  19. Saaty, T.L. (1980), "The analytic hierarchy process", McGraw-Hill, New York, US. 

  20. Teale, R. (1965), "The concept of specific energy in rock drilling", International Journal of Rock Mechanics and Mining Science, Vol. 2, Issue. 1, pp. 57-73. 

  21. Wu, T.H., Lee, I.M., Potter, J.C., Kjekstad, O. (1987), "Uncertainties in evaluation of strength of marine sand", Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 113, No. 7, pp. 719-738. 

  22. You, K.H., Lee, S.H., Choo, S.Y., Jue, K.S. (2004), "A study on the estimation of rock mass classes using the information off a tunnel center line", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 6, No. 2, pp. 101-111. 

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