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차분진화 알고리즘을 적용한 터널 지보패턴 최적화
Optimization of tunnel support patterns using DEA 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.20 no.1, 2018년, pp.211 - 224  

강경남 (인하대학교 토목공학과) ,  안준상 ((주)베이시스소프트 건설IT연구소) ,  김병찬 ((주)베이시스소프트 건설IT연구소) ,  송기일 (인하대학교 토목공학과)

초록
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터널의 지보패턴 설계는 터널의 안정성에 직접적인 영향을 끼치기 때문에 터널에 작용하는 다양한 하중들을 적절히 고려하여야 한다. 국내에서는 프로젝트에 따라 암반분류법을 기반으로 표준 지보패턴을 정의하고 있으며, 시공 시 터널거동을 고려하여 적절히 수정되어야 한다고 기술되어 있다. 본 연구에서는 내공변위제어법, 토압, 록볼트의 축력 및 숏크리트의 모멘트 등을 종합적으로 고려하여 지보패턴을 최적화할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 차분진화알고리즘(DEA)을 적용하여 터널 심도에 따라 록볼트의 길이 및 간격, 숏크리트의 두께를 최적화하였으며, 도출된 결과를 철도터널의 표준지보패턴(3등급)과 비교하였다. 천층지반에서 록볼트의 길이는 표준지보패턴보다는 짧아질 수 있으며, 간격은 넓어질 수 있다. 터널의 심도가 깊어질수록 숏크리트의 두께는 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 따라서, 숏크리트의 두께는 심도가 깊어질수록 표준지보패턴보다는 두꺼워져야 터널의 안정성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

It is important to design tunnel support system considering the various loads acting on the tunnel because they have a direct impact on the stability of tunnels. In Korea, standardized support patterns are defined based on the rock mass classification system depending on the project, and it is state...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 현재, 터널 설계 시 일반적으로 사용되고 있는 전산 프로그램을 이용한 수치해석의 결과로도 지보재의 안전율을 산정할 수 있다. 본 연구에는 터널 지보재 중에 록볼트 축력 및 숏크리트 모멘트에 대한 안전율에 대해서 연구를 수행하였다. 한국철도시설공단의 철도설계지침 및 편람(KR, 2012), [KR CODE 2012]의 터널 지보재(KR C12030) 편에 따르면, 록볼트용 이형봉강 내력표가 기술되어 있다.
  • 현재 지보패턴은 기관 및 터널용도 등에 따라 다르게 정의되고 있으며, 일반적으로 암반 등급에 따라 지보패턴을 정하여 사용하고 있다. 본 연구에서는 암반 분류에 의한 일률적 지보패턴 적용방식을 탈피하여 다양한 설계 안전율을 만족하는 보강재 배치, 보강재 길이 등을 최적화할 수 있는 기법을 제안하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 최적화 기법을 적용한 터널의 지보패턴 설계를 위한 초기연구로서, 터널 심도가 지보패턴 설계에 미치는 영향에 대하여 분석하였다. FLAC3D를 이용하여 터널 및 지반을 모델링하고, 차분진화 알고리즘을 이용하여 지보재의 안정성을 분석하였다.

가설 설정

  • 6(b)와 같이 10 m 선행 굴착이 완료된 위치에서 시공이 진행되는 것으로 가정하여 사용하였다. 굴진면 후방은 지반보강이 완료된 상태로 가정하였다. 또한 굴진면으로부터 1회 굴착이 진행되는 상황만 고려하였고, 록볼트의 설치 위치는 굴진장의 중앙에서 설치하도록 구성하였다.
  • 해석에 사용된 터널 형상은 DEA의 최적화 문제 적용성 파악에 대한 초기 연구이기 때문에, 최대한 단순한 형태인 직경 8 m의 원형터널로 가정하여 사용하였다. 또한, 시공 단계에 대한 정의도 동일한 이유를 적용하여, Fig.6(b)와 같이 10 m 선행 굴착이 완료된 위치에서 시공이 진행되는 것으로 가정하여 사용하였다. 굴진면 후방은 지반보강이 완료된 상태로 가정하였다.
  • Park and Kang (2010)은 시공과정 및 현장계측을 고려한 NATM 터널의 수치해석에 대한 연구를 수행하였고, 연구에 사용된 지보패턴 및 수치해석을 위한 물성치는 Table 1~3에서 보여주고 있다. 본 연구에서 가정한 지반은 3등급이다.
  • 또한, 숏크리트 휨응력에 대한 안전율은 식 (9)과 같이 구할 수 있다. 설계 안전율은 설계표준이나 시설물의 중요도에 따라 다를 수 있으나, 본 연구에서는 숏크리트에 대한 설계 안전율은 1.0으로 가정하였다.
  • 해석에 사용된 터널 형상은 DEA의 최적화 문제 적용성 파악에 대한 초기 연구이기 때문에, 최대한 단순한 형태인 직경 8 m의 원형터널로 가정하여 사용하였다. 또한, 시공 단계에 대한 정의도 동일한 이유를 적용하여, Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
적절한 지보재의 설계가 터널 설계자에게는 중요한 요소인 이유는 무엇인가? 이 때, 소멸되는 응력 때문에 굴착면 주변의 변위가 굴착공동 내측으로 발생하게 되는데 이 변위를 제어하기 위하여 록볼트, 숏크리트, 강지보 등의 터널 지보재를 설치한다. 이러한 지보재는 터널의 안정성에 큰 영향을 미치기 때문에 적절한 지보재의 설계가 터널 설계자에게는 중요한 요소이다. 국토교통부 터널표준시방서(2015)에 따르면, 터널 지보재는 지반 분류에서 선정한 지반 등급에 따라 지보재와 지보패턴을 정하고, 시공 시에는 계측 결과에 따라 필요한 경우 실제 지반조건에 적합하게 변경해야 한다고 기술되어 있다.
국토교통부 터널표준시방서에 따른 적절한 지보재의 설계는 무엇인가? 이러한 지보재는 터널의 안정성에 큰 영향을 미치기 때문에 적절한 지보재의 설계가 터널 설계자에게는 중요한 요소이다. 국토교통부 터널표준시방서(2015)에 따르면, 터널 지보재는 지반 분류에서 선정한 지반 등급에 따라 지보재와 지보패턴을 정하고, 시공 시에는 계측 결과에 따라 필요한 경우 실제 지반조건에 적합하게 변경해야 한다고 기술되어 있다. 현재 지보패턴은 기관 및 터널용도 등에 따라 다르게 정의되고 있으며, 일반적으로 암반 등급에 따라 지보패턴을 정하여 사용하고 있다.
차분진화알고리즘은 무엇인가? 차분진화알고리즘은 최적화 문제 중 목적함수가 연속적이지 않고, 변수가 많은 경우에 적용할 수 있는 알고리즘이다. 차분진화알고리즘은 세대가 지나면서 돌연변이(Mutation), 교배(Crossover), 선택(Selection)을 통하여 최적해에 수렴해가는 진화 알고리즘이며, 특히 다변수 최적화 문제에서 수렴방향을 유도하는 과정이 단순하여 최적화 속도를 대폭 감소시킬 수 있는 최적화 알고리즘이다
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