3차원수치해석을 통해 획득한 터널 굴진면에서의 수평변위와 천단부에서의 변위 특성을 이용하여 굴진면 전방의 단층대 예측 가능 거리를 비교·분석하였다. 굴진면의 수평변위는 천단부에서 가장 근접한 지점의 변위를 이용하였으며, 천단부의 변위 특성을 이용한 단층대 예측방법은 천단침하의 경향선과, L/C (천단부의 축방향 변위/천단침하) 비, C/C0 (천단침하/평균 천단침하) 비를 이용하였다. 단층이 터널의 굴진방향과 이루는 각도와 경사가 서로 다른 총 28개의 단층 모델을 분석한 결과, 순방향의 경사를 가지는 터널은 L/C 비와 C/C0 비를 이용한 방법에서 가장 빨리 단층을 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 역방향 경사를 가지는 터널은 L/C 비와 수평변위를 이용한 방법이 굴진면 전방의 단층을 빨리 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 결과적으로 굴진면 전방의 단층대를 예측하기 위해 이용된 수평변위와 천단침하의 경향선, L/C 비, C/C0 비는 대부분의 단층 모델에서 예측이 가능하였고, 굴진면으로부터 일정한 거리와 시간이 경과된 후에 변위 측정이 가능한 일상계측의 단점을 고려할 때 굴착과 동시에 계측을 수행할 수 있는 수평변위를 이용하는 방법이 대안이 될 것으로 판단된다.
3차원 수치해석을 통해 획득한 터널 굴진면에서의 수평변위와 천단부에서의 변위 특성을 이용하여 굴진면 전방의 단층대 예측 가능 거리를 비교·분석하였다. 굴진면의 수평변위는 천단부에서 가장 근접한 지점의 변위를 이용하였으며, 천단부의 변위 특성을 이용한 단층대 예측방법은 천단침하의 경향선과, L/C (천단부의 축방향 변위/천단침하) 비, C/C0 (천단침하/평균 천단침하) 비를 이용하였다. 단층이 터널의 굴진방향과 이루는 각도와 경사가 서로 다른 총 28개의 단층 모델을 분석한 결과, 순방향의 경사를 가지는 터널은 L/C 비와 C/C0 비를 이용한 방법에서 가장 빨리 단층을 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 역방향 경사를 가지는 터널은 L/C 비와 수평변위를 이용한 방법이 굴진면 전방의 단층을 빨리 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 결과적으로 굴진면 전방의 단층대를 예측하기 위해 이용된 수평변위와 천단침하의 경향선, L/C 비, C/C0 비는 대부분의 단층 모델에서 예측이 가능하였고, 굴진면으로부터 일정한 거리와 시간이 경과된 후에 변위 측정이 가능한 일상계측의 단점을 고려할 때 굴착과 동시에 계측을 수행할 수 있는 수평변위를 이용하는 방법이 대안이 될 것으로 판단된다.
A three-dimensional finite element analysis was conducted to analyze the predictable distances of a fault zone by using longitudinal displacement on tunnel face, trend line, L/C ratio, and C/C0 ratio at tunnel crown. The analysis used 28 numerical models with various fault attitudes. As a result, th...
A three-dimensional finite element analysis was conducted to analyze the predictable distances of a fault zone by using longitudinal displacement on tunnel face, trend line, L/C ratio, and C/C0 ratio at tunnel crown. The analysis used 28 numerical models with various fault attitudes. As a result, those faults that have drives with dip could be predicted earliest in L/C and C/C0 ratio analysis. And those faults that have drives against dip could be predicted earliest in L/C ratio and longitudinal displacement analysis. In addition, the fault zone ahead of tunnel was predicted in most models by using longitudinal displacement, trend line, L/C ratio, and C/C0 ratio. However, the longitudinal displacement among these methods may be most usefully predict a fault zone since it is displacements can be measured immediately after tunnel excavation.
A three-dimensional finite element analysis was conducted to analyze the predictable distances of a fault zone by using longitudinal displacement on tunnel face, trend line, L/C ratio, and C/C0 ratio at tunnel crown. The analysis used 28 numerical models with various fault attitudes. As a result, those faults that have drives with dip could be predicted earliest in L/C and C/C0 ratio analysis. And those faults that have drives against dip could be predicted earliest in L/C ratio and longitudinal displacement analysis. In addition, the fault zone ahead of tunnel was predicted in most models by using longitudinal displacement, trend line, L/C ratio, and C/C0 ratio. However, the longitudinal displacement among these methods may be most usefully predict a fault zone since it is displacements can be measured immediately after tunnel excavation.
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문제 정의
달리하는 모델의 수치해석 결과를 분석하였다. 본 논문에는 순경사 45o일 때, α가 30o와 60o인 모델의 수치해석결과를 수록하였다. Fig.
본 연구에서는 굴진면의 수평변위를 이용한 단층대 예측 방법의 효용성을 검증하기 위해 천단부의 변위 특성을 이용한 기존 연구들의 단층대 예측방법과 비교·분석하였다. 터널의 굴착에 따른 변위는 다양한 단층 자세를 가지는 터널을 모델링한 Song et al.
한편 L/C 비의 분석 결과는 대부분 모델에서 단층의 α와 경사에 관계없이 예측이 가장 빠른 것으로 나타났다. 본 연구에서는 터널 굴착이 완료된 상태에서 전체적인 변위의 변화 경향을 분석하였기 때문에 L/C 비의 단층 예측 가능 거리를 산정할 수 있었다. 그러나 L/C 비를 이용한 방법은 대부분 Fig.
가설 설정
(a) A schematic view of longitudinal displacement, crown settlement at tunnel crown. (b) The change of L/C ratio when a tunnel face accesses to a fault.
제안 방법
1. 천단부의 변위특성은 굴진면으로부터 2m 이격된 지점에서 획득한 천단침하의 경향선과, L/C 비, C/C0 비를 이용하였으며, 굴진면의 수평변위는 천단부에서 가장 근접한 지점의 변위를 이용하였다.
3차원 수치해석 결과를 이용하여 굴진면 전방에 분포하는단층을 예측하기 위해 굴착에 따른 천단부의 변위를 분석하였다. 총 28개 모델에 대하여 천단침하의 경향선 및 L/C 비, C/C0 비, 굴진면 수평변위 등 4가지 방법으로 변위를분석하였다.
3차원 수치해석을 통해 각각 다른 α와 경사를 가지는 28 개의 단층 모델을 대상으로 터널 천단부에서의 변위 특성과굴진면의 수평변위를 이용하여 굴진면 전방의 단층대 예측가능 거리를 비교·분석하였다.
60o, 90o로 하였고, 각 모델마다 순경사(터널 굴진 방향으로 경사)와 역경사(터널 굴진 반대방향으로 경사) 30o, 45o, 60o, 90o를 각각 모델링하였다. 따라서 총 28개의 모델에 대해 수치해석을 실시하였으며, 단층대는 일반적으로 구성 물질의 손상정도에 따라 단층점토(fault gouge)와 단층각력(fault breccia), 손상대(damage zone)로 구분되기 때문에 이를 모델링하여 세분화된 지반정수를 적용하였다.
따라서 총 28개의 모델에 대해 수치해석을 실시하였으며, 단층대는 일반적으로 구성 물질의 손상정도에 따라 단층점토(fault gouge)와 단층각력(fault breccia), 손상대(damage zone)로 구분되기 때문에 이를 모델링하여 세분화된 지반정수를 적용하였다. Table 1 은 수치해석에 이용된 지반정수로 단층점토와 파쇄암의 지반 정수는 Moon et al. (2014)과 Yun et al. (2015a)이 수행한 단층핵 시료의 실내시험 결과를 이용하여 폭 1m로 모델링하였다. 또한 손상대는 폭 2m로 설정하였으며, 국내의 붕괴터널 21개를 대상으로 분석한 설계 지반정수를 바탕으로 단층점토와 파쇄암에 적용한 지반정수 범위를 제외한 구간의 평균값을 적용하였다(Yun et al.
경사방향에 따른 단층대 예측 가능 거리를 비교하기 위해 단층이 터널의 굴진방향과 이루는 각도(α)와 경사가 동일한 조건에서 순경사(터널 굴진방향으로 경사)와 역경사(터널 굴진 반대방향으로 경사)로 경사 방향을 달리하는 모델의 수치해석 결과를 분석하였다. 본 논문에는 α 30o, 경사 30o인 모델의 수치해석 결과를 수록하였다.
4). 굴진장 2m씩 전단면 굴착을실시하였으며, 상부의 경계조건은 자유경계조건, 측면과 하부는 경계면에 연직방향으로 작용하는 변위를 구속하였다. 숏크리트 및 록볼트 등의 지보재 영향은 고려하지 않았으며, Mohr-Coulomb 파괴 기준을 적용한 탄소성 해석을 수행하였다.
60o, 90o로 하였고, 각 모델마다 순경사(터널 굴진 방향으로 경사)와 역경사(터널 굴진 반대방향으로 경사) 30o, 45o, 60o, 90o를 각각 모델링하였다. 따라서 총 28개의 모델에 대해 수치해석을 실시하였으며, 단층대는 일반적으로 구성 물질의 손상정도에 따라 단층점토(fault gouge)와 단층각력(fault breccia), 손상대(damage zone)로 구분되기 때문에 이를 모델링하여 세분화된 지반정수를 적용하였다. Table 1 은 수치해석에 이용된 지반정수로 단층점토와 파쇄암의 지반 정수는 Moon et al.
(2015a)이 수행한 단층핵 시료의 실내시험 결과를 이용하여 폭 1m로 모델링하였다. 또한 손상대는 폭 2m로 설정하였으며, 국내의 붕괴터널 21개를 대상으로 분석한 설계 지반정수를 바탕으로 단층점토와 파쇄암에 적용한 지반정수 범위를 제외한 구간의 평균값을 적용하였다(Yun et al., 2015b). 기반암의 경우 국내 65개 터널에서 설계시 적용한 Ⅲ등급 암반의 평균 지반정수를 적용하였다(Seo and Yun, 2014).
경향선과 L/C 비, C/C0 비는 터널 굴진면으로부터 2m 이격된 지점에서의 변위를 이용하였고, 굴진면의수평변위는 천단부와 가장 근접한 지점의 수평변위를 이용하였다. 예측 가능 거리는 단층의 중심을 기준으로 변위의변화가 인지되는 지점을 산정하였으며, 이 결과를 바탕으로각 모델별 단층 예측가능 거리를 비교·분석하였다.
(2002)은 현장 계측에서 발생할 수 있는 모든 오차를 정규분포로 가정하고, 변위의 평균과 분산도를 이용하여 굴진 면 전방의 단층을 예측할 수 있는 방법을 제시하였다. 이 방법은 해당 계측 지점에서의 천단침하(C)와 해당 계측 지점으로부터 5 지점 이전의 평균 천단침하(C0)의 비를 이용하는 것으로 C/C0 비의 변화를 통해 굴진면 전방의 단층 유무를 판단하였다.
총 28개 모델에 대하여 천단침하의 경향선 및 L/C 비, C/C0 비, 굴진면 수평변위 등 4가지 방법으로 변위를분석하였다. 경향선과 L/C 비, C/C0 비는 터널 굴진면으로부터 2m 이격된 지점에서의 변위를 이용하였고, 굴진면의수평변위는 천단부와 가장 근접한 지점의 수평변위를 이용하였다.
터널 굴진방향과 이루는 각도(α)에 따른 단층대 예측 가능 거리를 비교하기 위해 단층의 경사가 동일한 조건에서 α를 달리하는 모델의 수치해석 결과를 분석하였다. 본 논문에는 순경사 45o일 때, α가 30o와 60o인 모델의 수치해석결과를 수록하였다.
터널의 굴착에 따른 변위는 다양한 단층 자세를 가지는 터널을 모델링한 Song et al. (2016)의 3차원 수치해석 결과를이용하였으며, 천단부에서의 경향선, L/C 비, C/C0 비 분석과 천단부와 가장 가까운 지점의 수평변위를 비교하여 단층 자세에 따른 예측 가능 거리를 분석하였다.
대상 데이터
수치해석은 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS/NX를 이용하였다. 대상 지반은 높이 100m, 폭 100m, 터널 굴진방향 200m의 직육면체로 모델링하였고, 터널은 국내 고속도로 2차선 표준단면을 대상으로 하였다(Fig. 4). 굴진장 2m씩 전단면 굴착을실시하였으며, 상부의 경계조건은 자유경계조건, 측면과 하부는 경계면에 연직방향으로 작용하는 변위를 구속하였다.
수치해석 결과를 분석하였다. 본 논문에는 α 30o, 경사 30o인 모델의 수치해석 결과를 수록하였다. Fig.
데이터처리
(2016)이 수행한 3차원 수치해석 결과를 이용하였다. 수치해석은 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS/NX를 이용하였다. 대상 지반은 높이 100m, 폭 100m, 터널 굴진방향 200m의 직육면체로 모델링하였고, 터널은 국내 고속도로 2차선 표준단면을 대상으로 하였다(Fig.
이론/모형
상기의 변위 분석방법을 이용하여 터널 굴진면 전방에 분포하는 단층을 예측하기 위해 Song et al. (2016)이 수행한 3차원 수치해석 결과를 이용하였다. 수치해석은 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS/NX를 이용하였다.
굴진장 2m씩 전단면 굴착을실시하였으며, 상부의 경계조건은 자유경계조건, 측면과 하부는 경계면에 연직방향으로 작용하는 변위를 구속하였다. 숏크리트 및 록볼트 등의 지보재 영향은 고려하지 않았으며, Mohr-Coulomb 파괴 기준을 적용한 탄소성 해석을 수행하였다.
성능/효과
2. 단층의 예측 가능 거리를 분석한 결과, 순방향의 경사를 가지는 터널은 L/C 비와 C/C0 비를 이용한 방법에서가장 빨리 예측할 수 있는 것으로 나타났다.
3. 역방향 경사를 가지는 터널은 L/C 비와 굴진 면에서의 수평거리를 이용한 방법이 굴진면 전방의 단층을 빨리 예측할 수 있는 것으로 나타났다.
4. 천단부에서 발생한 변위를 이용하여 단층대를 예측하는 방법은 대부분의 단층 모델에서 예측이 가능한 것으로나타나 효과적으로 활용될 수 있다. 그러나 해석 결과의 예측 가능 거리를 고려할 때 이를 활용하기 위해서는 굴진면으로부터 최소 5m 이내에서 계측을 수행하여야 하고, 경향선이나 L/C 비, C/C0 비 분석을 위해서는 굴진면으로부터동일한 거리와 시간을 유지하면서 측정한 변위를 이용해야한다.
역경사인 경우는 대부분 L/C 비를 이용한 방법에서 가장 빠르게 나타나고, 굴 진 면에서 수평변위를 이용하는 방법도 천단침하의 경향선과 C/C0 비 분석 결과에 비해 상대적으로 빨리 예측되는 것으로 나타났다. α가 60o와 90o의 모델(Fig. 9c; 9d)에서도 순경 사인 경우는 L/C 비와 C/C0 비를 이용한 방법이 예측 가능 거리가 빠르게 나타나며, 역경사인 경우는 L/C 비와 수평 변위를 이용한 방법이 가장 빠른 것으로 나타났다. 또한 α가 커질수록 단층이 터널과 멀어지고, 터널 천단부에서 교차하는 구간이 좁아지기 때문에 단층을 예측할 수 있는 거리가 전반적으로 늦어지는 경향을 보인다.
9a)는 L/C 비와 C/C0 비의 변화가 일찍 나타났으며, 굴진면에서 수평변위를 이용한 방법과 천단침하의 경향선의 예측 가능 거리는 유사한 결과를 보인다. 또한 역경사인 경우 60o의 경사를 가질 때의 L/C 비 분석 결과를 제외하면 굴진면에서 수평 변위를 이용하는 방법이 가장 빨리 예측되는 것으로 나타났다. α가 45o인 경우(Fig.
9b)도 순경사인 경우 L/C 비와 C/C0 비를 이용한 방법이 예측 가능 거리가 빨리 나타나며, 굴 진 면에서 수평변위를 이용한 방법과 천단침하의 경향선의 예측 가능 거리는 유사한 결과를 보인다. 역경사인 경우는 대부분 L/C 비를 이용한 방법에서 가장 빠르게 나타나고, 굴 진 면에서 수평변위를 이용하는 방법도 천단침하의 경향선과 C/C0 비 분석 결과에 비해 상대적으로 빨리 예측되는 것으로 나타났다. α가 60o와 90o의 모델(Fig.
반면 L/C 비는 변동이 심하여 변위의 변화여부를 정확히 판단하기 어렵지만 단층대 이전에 그래프가 상승하는 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 이 모델의 단층은 -10m에서 10m에 위치하여 C/C0 비를 제외하고 단층의 예측이 조금 늦지만 단층의 중심을 기준으로 분석할 때모든 방법에서 예측이 가능한 것을 알 수 있다. 또한 이 모델은 순경사를 가지기 때문에 단층이 터널 천단부와 교차하기 전 이미 터널 상부에 단층이 위치한다.
즉 α가 클수록 터널 천단부에서 교차하는 단층 구간이 짧게 나타나기 때문에 단층을 예측할 수 있는 거리도 줄어들게 된다. 한편 순경사를 가지는 Fig. 7과 Fig. 8의 모델도 α 30o, 순경사 30o인 Fig. 5 의 모델과 동일하게 수평거리를 이용한 방법과 경향선의 예측 가능거리가 유사한 값을 보이며, L/C 비를 이용한 방법이 가장 빨리 예측되는 것으로 나타났다. 이는 순경사를 가지는 모델, 즉 단층이 터널 상부에 위치하는 경우 천단침하보다 터널 축방향으로의 변위가 크게 증가하는 것을 말하며, Lee et al.
후속연구
, 2014b), 단층대를 통과하는 천단부 및 굴진면의 변위 특성을 분석할 필요가 있다. 그러나 터널 공정의 특성상 천단부에서의 변위측정은 굴진면으로부터 이격된 지점에서 수행되고 있으며, 단층과 같은 불량한 지반에서 약 10m 마다 계측을 수행하기 때문에 상기의 연구결과를 활용하는데 한계가 있다. 또한 정확한 분석을 위해서는 굴진면으로부터 일정한 거리 및시간을 유지하면서 계측이 수행되어야 하지만 현실적으로어려운 실정이다.
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