[논문]터널 굴진면 최대 수평변위의 변화 양상에 따른 단층 자세 분석

윤현석; 서용석

doi:10.9720/kseg.2016.3.393

터널 굴진면 최대 수평변위의 변화 양상에 따른 단층 자세 분석
Analysis of Fault Attitudes by Using Trajectories of the Maximum Longitudinal Displacement on Tunnel Face 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.26 no.3, 2016년, pp.393 - 401

윤현석 (충북대학교 지구환경과학과) , 서용석 (충북대학교 지구환경과학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 통하여 단층이 출현하기 직전의 굴진면에서 발생한 최대 수평변위의 변화 양상을 분석함으로써 단층의 자세와 굴진면 내 단층의 출현 위치를 예측하였다. 해석에는 총 28개의 단층 자세 모델이 이용되었다. 순경사를 가지는 단층은 터널 굴착이 진행됨에 따라 굴진면의 상부에서 처음 출현하고, 최대 수평변위가 굴진면 중앙부에서 상부로 이동하는 경향을 보인다. 역경사를 가지는 단층은 굴진면의 하부에서 처음 출현하고, 굴착에 따라 굴진면의 중앙부 또는 중앙 상부에서 하부로 최대 수평변위가 이동하는 경향을 보인다. 또한 최대 수평변위가 이동하는 방향은 순경사 모델의 경우 단층의 경사가 고각일수록 좌측 상부에서 측벽부를 향해 이동하며, 역경사 모델은 단층의 경사가 고각일수록 좌측 하부에서 측벽부를 향해 이동한다. 결과적으로 최대 수평변위는 굴진면 내 단층이 출현하는 위치를 따라 이동하는 경향을 보인다. 따라서 굴착에 따른 굴진면의 수평변위 변화 양상을 분석하여 굴진면 전방에 분포하는 단층의 자세와 굴진면 내 단층이 출현하는 위치에 대한 예측이 가능한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, fault attitudes and the locations of appearance of faults in tunnel faces were predicted by analyzing the trajectory of the maximum longitudinal displacement immediately before the appearance of faults through three-dimensional finite element analysis. A total of 28 fault attitude models were used in the analysis. Those faults that have drives with dip appear first in the upper part of tunnel faces as tunnel excavation progresses and their maximum longitudinal displacement shows a tendency to move from the middle part to the upper part of tunnel faces. Those faults that have drives against dip appear first in the lower part of tunnel faces as tunnel excavation progresses and their maximum longitudinal displacement shows a tendency to move from the middle part or middle upper part to the lower part of tunnel faces. In addition, when the dip of faults is larger the maximum longitudinal displacement moves from the left upper part toward the wall part in the case of drive with dip models and from the left lower part toward the wall part in the case of drives against dip models. Therefore, it was indicated that the attitudes of faults distributed ahead of tunnel faces and the locations where faults appear in tunnel faces can be predicted by analyzing the longitudinal displacement trajectory of tunnel faces following excavation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 굴착과 동시에 굴진면에서 측정이 가능한수평변위의 변화 양상을 분석하여 단층의 자세를 예측할 수있는 방법을 제안하였다. 이를 위해 총 28개의 단층 자세를수치 모델링하여 3차원 유한요소해석을 실시하였다.

가설 설정

수행하였다. Fig. 3은 해석 모델로서 등방성 지반을 가정하여 연속체로 구성하였고, Mohr-Coulomb 파괴 기준을 적용한 탄소성 해석을 수행하였다. 터널 모델은 폭 약 12m, 높이 약 8m의 국내 고속도로 2차로 터널의 표준단면을 대상으로 하였고, 굴진장은 2m로 전단면 굴착을 실시하였다.

제안 방법

1. 각 모델별로 굴진면에 단층이 출현하기 전 굴착에 따른 각 굴진면의 최대 수평변위 발생지점을 분석하였으며, 각 모델의 상대적인 비교를 통해 단층의 터널의 굴진방향과 이루는 각도(α)와 경사(β)에 따른 수평 변위의 변화 양상을 분석하였다.
3차원 유한요소해석을 실시하여 총 28개 단층 모델의 굴착에 따른 굴진면 내 최대 수평변위 변화 양상을 분석하고, 이를 통해 단층의 자세를 예측할 수 있는 방법을 검토하였다.
3. Ground models for 3D FEM analysis.
단층과 굴진방향이 이루는 각도는 각각 30^o, 45^o, 60^o, 90^o로모델링하였고, 각 모델별로 순경사와 역경사 30^o, 45^o, 60^o 와 경사 90^o의 단층을 모델링하였다(Table 2).
, 2016) 기반암은 국내 65개 터널에서 분석한 Ⅲ등급 암반의 설계 지반정수 평균값을 적용하였다 (Seo and Yun, 2014). 단층은 구성물질의 손상정도에 따라 구분되는 단층대의 특성을 고려하여 단층점토(fault gouge) 와 단층각력(fault breccia)으로 구성된 단층핵(fault core) 과손상대(damage zone)로 세분화하여 지반정수를 적용하였다. 단층점토와 단층각력으로 구성된 단층핵의 지반정수는 Moon et al.
단층은 터널의 굴진방향과 이루는 각도(α), 경사(β)를 각각 달리하여 총 28개를 모델링하였고, 단층의 경사방향은굴진방향으로 경사를 순경사(drive with dip), 굴진방향과 반대방향 경사를 역경사(drive against dip)로 구분하였다. 단층과 굴진방향이 이루는 각도는 각각 30^o, 45^o, 60^o, 90^o로모델링하였고, 각 모델별로 순경사와 역경사 30^o, 45^o, 60^o 와 경사 90^o의 단층을 모델링하였다(Table 2).
방법을 제안하였다. 이를 위해 총 28개의 단층 자세를수치 모델링하여 3차원 유한요소해석을 실시하였다. 해석결과를 바탕으로 단층이 굴진면에 출현하기 이전의 각 굴진면에서 최대 수평변위가 발생하는 지점을 분석하고, 각 모델의 상대적인 비교를 통해 단층 자세별로 굴착에 따른 최대 수평변위의 변화 양상을 분석하였다.
터널 모델은 폭 약 12m, 높이 약 8m의 국내 고속도로 2차로 터널의 표준단면을 대상으로 하였고, 굴진장은 2m로 전단면 굴착을 실시하였다. 지반은 200×100×100m (길이×높이×폭)로 모델링하여굴착에 의한 경계조건의 영향을 최소화하였고, 상부의 경계조건은 자유경계조건, 측면과 하부는 경계면에 연직방향으로작용하는 변위를 구속하였다. 요소는 4절점 4면체 요소로 구성하였고, 숏크리트 및 록볼트 등의 지보재 영향은 고려하지않았다.
총 28개 단층 모델의 굴착에 따른 굴진면 내 최대 수평 변위 변화 양상을 터널의 굴진방향과 이루는 각도(α)와 경사(β)별로 비교·분석하였다(Table 3). 터널 굴진방향과 단층이 이루는 각도(α)가 30^o, 45^o, 60^o일 때 각 굴진면의 최대 수평변위 지점은 순경사 모델의 경우 굴진면 중앙부에서 좌측 상부로 이동하고, 역경사 모델은 30^o인 경우 굴진 면 중앙부에서 좌측 하부로, 45^o와 60^o 모델은 굴진면 중앙 상부에서 좌측 상부로 이동하다 단층이 굴진면에 출현하면서 좌측하부로 이동하는 경향을 보인다.
이를 위해 총 28개의 단층 자세를수치 모델링하여 3차원 유한요소해석을 실시하였다. 해석결과를 바탕으로 단층이 굴진면에 출현하기 이전의 각 굴진면에서 최대 수평변위가 발생하는 지점을 분석하고, 각 모델의 상대적인 비교를 통해 단층 자세별로 굴착에 따른 최대 수평변위의 변화 양상을 분석하였다.

대상 데이터

Table 1은 해석 모델에 적용된 기반암 및 단층의 지반 정수로(Song et al., 2016) 기반암은 국내 65개 터널에서 분석한 Ⅲ등급 암반의 설계 지반정수 평균값을 적용하였다 (Seo and Yun, 2014). 단층은 구성물질의 손상정도에 따라 구분되는 단층대의 특성을 고려하여 단층점토(fault gouge) 와 단층각력(fault breccia)으로 구성된 단층핵(fault core) 과손상대(damage zone)로 세분화하여 지반정수를 적용하였다.
3은 해석 모델로서 등방성 지반을 가정하여 연속체로 구성하였고, Mohr-Coulomb 파괴 기준을 적용한 탄소성 해석을 수행하였다. 터널 모델은 폭 약 12m, 높이 약 8m의 국내 고속도로 2차로 터널의 표준단면을 대상으로 하였고, 굴진장은 2m로 전단면 굴착을 실시하였다. 지반은 200×100×100m (길이×높이×폭)로 모델링하여굴착에 의한 경계조건의 영향을 최소화하였고, 상부의 경계조건은 자유경계조건, 측면과 하부는 경계면에 연직방향으로작용하는 변위를 구속하였다.

데이터처리

단층의 자세에 따른 수평변위를 분석하기 위해 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS/NX를 이용하여 3차원 수치해석을 수행하였다. Fig.

이론/모형

단층은 구성물질의 손상정도에 따라 구분되는 단층대의 특성을 고려하여 단층점토(fault gouge) 와 단층각력(fault breccia)으로 구성된 단층핵(fault core) 과손상대(damage zone)로 세분화하여 지반정수를 적용하였다. 단층점토와 단층각력으로 구성된 단층핵의 지반정수는 Moon et al. (2014)과 Yun et al. (2015a)이 수행한 단층핵 시료의 실내시험 결과를 바탕으로 산정하였으며, 손상대 구간은 국내 21개 붕괴터널에서 분석한 설계 지반정수를 바탕으로 산정하였다(Yun et al., 2015b).

성능/효과

2. 최대 수평변위의 변화 양상을 분석한 결과, α와 β가 90^o인 모델을 제외한 모든 모델에서 최대 수평변위는 굴진면 내 단층이 출현하는 위치를 따라 이동하는 경향을 보이며, 이동 방향의 분석을 통해 단층 자세에 대한 예측이 가능한 것으로 나타났다.
3. 순경사를 가지는 단층의 경우 굴진면에 단층이 출현하기 전 굴진면의 중앙부에서 최대 수평변위를 보이다 단층이굴진면에 출현하는 지점이 가까워질수록 굴진면의 상부로 이동하며, 역경사를 가지는 단층은 굴진면의 중앙부 또는 중앙상부에서 하부로 최대 수평변위가 이동하는 경향을 보인다.
4. 최대 수평변위가 이동하는 방향은 순경사 모델의 경우 α가 고각일수록 좌측 상부에서 천단부를 향하며, 역경사 모델은 α가 고각일수록 터널의 바닥부를 향한다. 또한 단층의경사(β)가 고각일수록 순경사 모델은 좌측 상부에서 측벽부를 향하며, 역경사 모델은 좌측 하부에서 측벽부를 향한다.
5. 터널 시공 시 굴진면의 수평변위 측정은 굴진면으로부터 이격된 지점에서 측정을 하는 일상계측의 단점을 보완할수 있고, 수평변위의 변화 양상을 분석하여 굴진면 전방에분포하는 단층의 자세와 굴진면 내 단층의 출현 지점을 파악할 수 있다. 따라서 굴진면의 수평변위를 이용하여 터널굴착 중 보강구간 및 지보패턴을 신속하게 결정하고, 터널시공 시 붕괴로 인한 피해를 최소화 할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 순경사 모델은 단층의 경사(β)가 고각일수록 최대 수평변위는 좌측 상부에서 측벽부를 향하며, 역경사 모델은 단층의 경사가 고각일수록 좌측 하부에서 측벽부를 향한다. 결과적으로 최대수평변위는 굴착이 진행됨에 따라 굴진면 내 단층이 출현하는 위치로 이동하는 경향을 보인다.

후속연구

터널 시공 시 굴진면의 수평변위 측정은 굴진면으로부터 이격된 지점에서 측정을 하는 일상계측의 단점을 보완할수 있고, 수평변위의 변화 양상을 분석하여 굴진면 전방에분포하는 단층의 자세와 굴진면 내 단층의 출현 지점을 파악할 수 있다. 따라서 굴진면의 수평변위를 이용하여 터널굴착 중 보강구간 및 지보패턴을 신속하게 결정하고, 터널시공 시 붕괴로 인한 피해를 최소화 할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (15)

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