터널 굴진면에서 측정된 수평 변위를 이용하여 터널 굴진면 전방에서의 단층대 예측을 검토하기 위하여 총 28개 단층모델을 대상으로 3차원 유한요소해석을 실시하였다. 그리고 터널 굴착에 의해 발생하는 수평변위를 x-MR (moving range) 관리도 기법을 이용하여 정량적으로 분석하여 굴진면 전방에 분포하는 단층의 존재를 예측하였다. 단층대는 단층점토 및 단층각력, 단층 손상대로 구분하여 모델링하였으며, 단층핵의 폭은 1 m (단층점토 0.5 m, 단층각력 0.5 m), 단층 손상대의 폭은 2 m로 설정하였다. 분석 결과, 굴진면으로부터 약 2~26 m 전방에서 단층의 예측이 가능하였고, 5개의 측정지점에서 대부분 경사 45°인 경우 예측이 가장 빠른 것으로 나타났다. 또한 굴진방향과 단층면 사이의 각도가 작을수록 예측 가능시점이 빠른 것으로 분석되었다.
터널 굴진면에서 측정된 수평 변위를 이용하여 터널 굴진면 전방에서의 단층대 예측을 검토하기 위하여 총 28개 단층모델을 대상으로 3차원 유한요소해석을 실시하였다. 그리고 터널 굴착에 의해 발생하는 수평변위를 x-MR (moving range) 관리도 기법을 이용하여 정량적으로 분석하여 굴진면 전방에 분포하는 단층의 존재를 예측하였다. 단층대는 단층점토 및 단층각력, 단층 손상대로 구분하여 모델링하였으며, 단층핵의 폭은 1 m (단층점토 0.5 m, 단층각력 0.5 m), 단층 손상대의 폭은 2 m로 설정하였다. 분석 결과, 굴진면으로부터 약 2~26 m 전방에서 단층의 예측이 가능하였고, 5개의 측정지점에서 대부분 경사 45°인 경우 예측이 가장 빠른 것으로 나타났다. 또한 굴진방향과 단층면 사이의 각도가 작을수록 예측 가능시점이 빠른 것으로 분석되었다.
We conducted three-dimensional finite element analysis to predict the presence of upcoming fault zones during tunneling. The analysis considered longitudinal displacements measured at tunnel face, and used 28 numerical models with various fault attitudes. The x-MR (moving range) control chart was us...
We conducted three-dimensional finite element analysis to predict the presence of upcoming fault zones during tunneling. The analysis considered longitudinal displacements measured at tunnel face, and used 28 numerical models with various fault attitudes. The x-MR (moving range) control chart was used to analyze quantitatively the effects of faults distributed ahead of the tunnel face, given the occurrence of a longitudinal displacement. The numerical models with fault were classified as fault gouge, fault breccia, and fault damage zones. The width of fault cores was set to 1 m (fault gouge 0.5 m and fault breccia 0.5 m) and the width of fault damage zones was set to 2 m. The results, suggest that fault centers could be predicted at 2~26 m ahead of the tunnel face and that faults could be predicted earliest in the 45° dip model. In addition, faults could be predicted earliest when the angle between the direction of tunnel advance and the strike of the fault was smallest.
We conducted three-dimensional finite element analysis to predict the presence of upcoming fault zones during tunneling. The analysis considered longitudinal displacements measured at tunnel face, and used 28 numerical models with various fault attitudes. The x-MR (moving range) control chart was used to analyze quantitatively the effects of faults distributed ahead of the tunnel face, given the occurrence of a longitudinal displacement. The numerical models with fault were classified as fault gouge, fault breccia, and fault damage zones. The width of fault cores was set to 1 m (fault gouge 0.5 m and fault breccia 0.5 m) and the width of fault damage zones was set to 2 m. The results, suggest that fault centers could be predicted at 2~26 m ahead of the tunnel face and that faults could be predicted earliest in the 45° dip model. In addition, faults could be predicted earliest when the angle between the direction of tunnel advance and the strike of the fault was smallest.
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문제 정의
본 연구에서는 3차원 유한요소해석 시 획득되는 굴진면의 수평변위를 이용하여 굴진면 전방에 분포하는 단층대의 예측 가능성을 검토하였다. 총 28개의 단층 자세(attitude)를 모델링하여 유한요소해석을 수행하였으며, 굴진면상의 5개 지점을 선정하여 각 지점의 굴착에 따른 수평변위를 모델별로 분석하였다.
터널 굴착에 따라 발생하는 굴진면에서의 수평변위를 이용하여 단층대의 예측 가능성을 검토하였다.
제안 방법
1. 총 28개의 단층모델의 굴착에 따른 굴진면 수평 변위를 이용하여 x-MR 관리도 분석을 실시하였으며, 굴진면 전방에 분포하는 단층대의 예측 가능 거리를 정량적으로 판단하였다.
굴진면 전방에 분포하는 단층대를 예측하기 위해 3차원 수치해석을 실시하여 굴착에 따라 발생되는 굴진면의 수평 변위를 분석하였다. 총 28개의 단층을 포함하는 지반을 모델링하였으며, 굴진면상의 중앙상단, 좌측상단, 우측상단, 좌측하단, 우측 하단 총 5개 지점을 선정하여 수평변위를 분석하였다(Fig.
2a). 굴착에 의한 경계조건의 영향을 최소화하기 위해 지반은 길이 200m, 폭 100m, 깊이 100m로 충분히 크게 모델링하였고, 요소는 굴착에 따라 응력의 변화가 크게 발생하는 터널 내공 주변에 약 1m의 크기로 조밀하게 구성하였다. 수평 및 천단 변위 축을 각각 X, Y축으로 설정하였으며, 굴착은 X축 방향으로 실시하였다(Fig.
, 2015a) 등 실내시험 결과를 이용하여 각력의 함량 및 일축 압축강도를 기준으로 단층점토와 단층각력으로 구분하였다. 단층 손상 대의 지반정수는 Yun et al. (2015b)이 발표한 국내 붕괴 터널 21개 터널에서 설계시 적용했던 사례를 바탕으로 단층 핵의 지반정수 분포범위를 제외한 구간의 평균값을 적용하였으며, III등급 기반암의 지반정수는 국내 65개 터널의 설계지반정수 평균값을 적용하였다(Seo and Yun, 2014). Fig.
본 연구에서는 기존 시험결과 및 설계 경험치를 이용하여 단층대를 단층핵 부분과 단층 손상대로 세분화하여 지반정수를 적용하였다. 단층핵의 지반 정수는 야외에서 채취한 불교란 시료의 직접전단시험(Moon et al., 2014)과 재성형 시료의 일축압축시험(Yun et al., 2015a) 등 실내시험 결과를 이용하여 각력의 함량 및 일축 압축강도를 기준으로 단층점토와 단층각력으로 구분하였다. 단층 손상 대의 지반정수는 Yun et al.
7b). 따라서 x-MR 관리도는 x 관리도와 MR 관리도를 이용하여 데이터와 산포의 이상 여부를 동시에 판별하는 방법으로 본 연구에서는 굴진면 변위와 MR 데이터가 동시에 벗어날 경우를 이상 변위 구간으로 판단하여 단층대 예측거리로 산정하였다. 관리 기준선 작성을 위해 식 (1)과 (2)에서 사용된 관리도용 계수 d2, d3는 각각 1.
단층 손상대 양쪽 끝에는 단층에 영향을 받지 않은 기반암이 분포한다. 따라서 본 수치해석에서는 단층대를 세 부분으로 나누어 단층대의 최중심부에 단층핵에 해당하는 단층점토와 단층각력을 배치하고 그 외곽에 순차적으로 단층 손상대와 기반암을 배치하였다. 기반암은 III등급 암반으로 설정하였으며, 단층 핵의 폭은 1m (단층점토 0.
총 28개의 단층 자세(attitude)를 모델링하여 유한요소해석을 수행하였으며, 굴진면상의 5개 지점을 선정하여 각 지점의 굴착에 따른 수평변위를 모델별로 분석하였다. 변위의 변화에 대한 정량적인 분석을 위해 x-MR (moving range) 관리도 기법을 이용하였으며, 각 모델의 단층대 예측 가능거리를 비교·분석함으로써 수평 변위를 이용한 단층대 예측 방법의 효용성을 검증하였다.
앞에서 언급한 것처럼 단층대는 점토 및 각력암, 파쇄암 등 지반상태가 다르고, 구성물질 및 함량 등에 따라 지역에 따른 편차가 심하여 넓은 범위의 역학적 특성을 보이기 때문에 명확한 지반정수를 결정하는 데 어려움이 있다. 본 연구에서는 기존 시험결과 및 설계 경험치를 이용하여 단층대를 단층핵 부분과 단층 손상대로 세분화하여 지반정수를 적용하였다. 단층핵의 지반 정수는 야외에서 채취한 불교란 시료의 직접전단시험(Moon et al.
6). 분석방법은 각 측정지점별로 응용통계 관리기법 중 하나인 x-MR 관리도를 작성하여 굴진면에 단층대가 출현하기 전의 예측 거리를 정량적으로 분석하였으며, 각 측정지점별로 단층핵(단층 중심부)이 출현하는 굴진면과 최초 이상 변위가 출현하는 굴진면과의 거리를 단층대 예측 가능 거리로 설정하였다.
굴착에 의한 경계조건의 영향을 최소화하기 위해 지반은 길이 200m, 폭 100m, 깊이 100m로 충분히 크게 모델링하였고, 요소는 굴착에 따라 응력의 변화가 크게 발생하는 터널 내공 주변에 약 1m의 크기로 조밀하게 구성하였다. 수평 및 천단 변위 축을 각각 X, Y축으로 설정하였으며, 굴착은 X축 방향으로 실시하였다(Fig. 2b). 상부 지표면은 자유 경계조건, 측면과 하부는 각각의 면에 수직방향으로 작용하는 변위를 구속하였으며, 측압계수는 1.
가능성을 검토하였다. 총 28개의 단층 자세(attitude)를 모델링하여 유한요소해석을 수행하였으며, 굴진면상의 5개 지점을 선정하여 각 지점의 굴착에 따른 수평변위를 모델별로 분석하였다. 변위의 변화에 대한 정량적인 분석을 위해 x-MR (moving range) 관리도 기법을 이용하였으며, 각 모델의 단층대 예측 가능거리를 비교·분석함으로써 수평 변위를 이용한 단층대 예측 방법의 효용성을 검증하였다.
분석하였다. 총 28개의 단층을 포함하는 지반을 모델링하였으며, 굴진면상의 중앙상단, 좌측상단, 우측상단, 좌측하단, 우측 하단 총 5개 지점을 선정하여 수평변위를 분석하였다(Fig. 6). 분석방법은 각 측정지점별로 응용통계 관리기법 중 하나인 x-MR 관리도를 작성하여 굴진면에 단층대가 출현하기 전의 예측 거리를 정량적으로 분석하였으며, 각 측정지점별로 단층핵(단층 중심부)이 출현하는 굴진면과 최초 이상 변위가 출현하는 굴진면과의 거리를 단층대 예측 가능 거리로 설정하였다.
4는 해석모델의 단층 자세를 규정하기 위해 굴진 방향과 단층 주향과의 사잇각(α)과 단층의 경사(β)를 나타낸 것으로 단층의 경사방향은 굴진방향으로의 경사를 순경사 (drive with dip), 굴진방향과 반대방향 경사를 역경사(drive against dip)로 구분하였다. 해석모델(Table 1)을 살펴보면 굴진 방향과 단층 주향과의 사잇각은 30o, 45o, 60o, 90o로 설정하였으며, 단층의 경사는 순경사와 역경사에서 각각 30o, 45o, 60o, 90o로 설정하여 총 28가지 단층자세를 모델링하여 수치 해석을 수행하였다.
대상 데이터
따라서 본 수치해석에서는 단층대를 세 부분으로 나누어 단층대의 최중심부에 단층핵에 해당하는 단층점토와 단층각력을 배치하고 그 외곽에 순차적으로 단층 손상대와 기반암을 배치하였다. 기반암은 III등급 암반으로 설정하였으며, 단층 핵의 폭은 1m (단층점토 0.5m, 단층각력 0.5m), 단층 손상 대의 폭은 2m로 설정하였다.
지반을 등 방성으로 가정하고 연속체로 구성하여 탄소성 해석을 수행하였으며, 탄소성 재료 특성을 모델화하기 위해 Mohr-Coulomb 파괴 기준을 적용하였다. 터널은 폭이 약 13m, 높이 약 8m의 국내 고속도로 2차로 표준단면을 적용하였으며, 굴진장은 2m로 전단면 굴착을 하였다(Fig. 2a). 굴착에 의한 경계조건의 영향을 최소화하기 위해 지반은 길이 200m, 폭 100m, 깊이 100m로 충분히 크게 모델링하였고, 요소는 굴착에 따라 응력의 변화가 크게 발생하는 터널 내공 주변에 약 1m의 크기로 조밀하게 구성하였다.
이론/모형
본 연구에서는 3차원 수치해석을 위해 유한요소해석 소프트웨어인 MIDAS GTS/NX를 이용하였다. 지반을 등 방성으로 가정하고 연속체로 구성하여 탄소성 해석을 수행하였으며, 탄소성 재료 특성을 모델화하기 위해 Mohr-Coulomb 파괴 기준을 적용하였다.
MIDAS GTS/NX를 이용하였다. 지반을 등 방성으로 가정하고 연속체로 구성하여 탄소성 해석을 수행하였으며, 탄소성 재료 특성을 모델화하기 위해 Mohr-Coulomb 파괴 기준을 적용하였다. 터널은 폭이 약 13m, 높이 약 8m의 국내 고속도로 2차로 표준단면을 적용하였으며, 굴진장은 2m로 전단면 굴착을 하였다(Fig.
성능/효과
2. 굴진면 수평변위를 분석한 결과, 굴진면으로부터 약 2~26m 전방에서 이상변위 구간이 나타났으며, 이를 통해 모든 모델에서 수평변위를 이용하여 단층대 예측이 가능한 것으로 분석되었다.
3. 대부분 순경사와 역경사 45o에서 예측 가능 시점이 가장 빠른 것으로 나타났으며, 굴진방향과 단층면 사이 각도가 작을수록 예측 가능 시점이 빠른 것으로 분석되었다. 이는 저각의 단층대가 터널 굴착방향으로 넓고 길게 분포하면서 굴진면에서의 수평변위 발생에 영향을 미치기 때문인 것으로 판단된다.
9는 총 28개 단층모델의 5개 측정지점에서의 예측 가능 거리를 종합하여 나타낸 것으로, 굴진방향과 단층 주향과의 사잇각(α=30o, 45o, 60o, 90o)별로 각기 다른 단층 경사를 가지는 모델들의 예측 가능거리를 비교·분석한 것이다. 각 단층자세별 분석결과, 모든 모델에서 수평거리를 이용한 단층대의 예측이 가능한 것으로 분석되었다. 단층의 경사가 순경 사인 경우 우측하단 측정지점에서는 Model 1 (α=30o and drive with a 30o dip)과 Model 3 (α=60o and drive with a 30o dip), 우측 상단 지점은 Model 2 (α=45o and drive with a 30o dip)와 Model 3 (α=60o and drive with a 30o dip)에서 예측이 가장 빠른 것으로 나타났으며, 이외의 측정지점은 모두 경사 45o에서 예측이 가장 빠른 것으로 분석되었다.
8a, 8b). 또한 우측상단의 경우 이상 변위가 나타나는 구간은 단층대 이전 약 14m, 좌측 하단은 약 10m, 우측 하단은 약 12m로 5개의 측정지점에서 모두 굴진면에 단층이 출현하기 전에 수평변위를 이용한 단층대의 예측이 가능한 것으로 나타났다(Fig. 8c~e).
또한 측정지점에 따른 단층대의 예측 가능 거리를 비교· 분석한 결과 5개의 측정지점에서 대부분 α=30o에서 예측이 가장 빠른 것으로 분석되었다(Fig. 10). 이러한 결과는 굴진 방향과 단층주향의 사잇각이 작을수록 단층대가 굴진면에 많이 분포하기 때문에 수평변위를 크게 발생시키는 것으로 판단된다.
8은 Model 1 (α=30o and drive with a 30o dip)을 대상으로 굴진면 5개 지점에서의 수평변위를 이용해 x-MR 관리도를 작성하여 분석한 결과이다. 중앙상단과 좌측상단의 경우 단층핵이 굴진면에 나타나기 약 12m 이전에 x 관리도와 MR 관리도에서 동시에 관리 기준선을 초과하여 단층대의 예측 가능 거리는 12m로 나타났다(Fig. 8a, 8b). 또한 우측상단의 경우 이상 변위가 나타나는 구간은 단층대 이전 약 14m, 좌측 하단은 약 10m, 우측 하단은 약 12m로
후속연구
4. 매 굴진면마다 변위 측정이 불가능한 A 계측의 단점을 보완하여 굴진면에서의 수평 변위를 직접적으로 측정 가능하고, 정량적인 변위 양상의 분석을 통해 미굴진 구간에 분포하는 단층대를 파악한다면 굴진면의 안정 여부를 신속히 판단하여 터널 붕괴 위험을 최소화 할 수 있을 것으로 기대된다.
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