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터널 굴착면 전방조사를 위한 전기비저항 탐사에서 전극의 변화가 미치는 영향에 대한 이론 및 실험연구
Theoretical and experimental studies on influence of electrode variations in electrical resistivity survey for tunnel ahead prediction 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.21 no.2, 2019년, pp.267 - 278  

홍창호 (한국과학기술원 건설환경공학과) ,  정성훈 (국립순천대학교 건설환경공학과) ,  홍은수 (한국과학기술원 건설환경공학과) ,  조계춘 (한국과학기술원 건설환경공학과) ,  권태혁 (한국과학기술원 건설환경공학과)

초록
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터널의 안정적인 시공을 위해 터널 굴진 도중 터널 전방의 이상영역을 확인할 수 있는 다양한 방법의 터널전방예측 기법들이 사용되고 있다. 터널전방예측 방법 중 하나인 2전극 전기비저항 탐사(Pole-Pole array)는 터널직경 5배 이내의 함수대, 연약대 등을 확인하기 위해 자주 사용되고 있다. 2전극 전기비저항 탐사 시 가장 중요한 것 중 하나는 원지반의 전기비저항값을 유추하는 것이며, 원지반의 전기비저항은 1) 지반과 전극의 접촉면적을 계산하고, 2) 그와 동일한 표면적을 가지는 반구형으로 가정하는 과정을 거쳐 얻어진다. 이러한 가정은 지반과 전극이 접촉하는 면적이 적고 충분한 거리가 떨어져야 한다. 하지만 전극의 크기, 형태 및 전극사이의 거리에 따라 실제 측정되는 저항이 달라지므로 이에 대한 정확한 평가가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 전기비저항 탐사에서 주로 사용되는 원기둥형 전극의 크기와 전극사이의 거리에 따른 영향에 관한 이론식을 유도하고, 실험 연구를 통해 검증하였다. 이를 바탕으로 원기둥형 전극의 관입깊이가 반지름에 비해 큰 경우, 등가 반구형 전극의 가정을 사용하면 에러가 증가하므로 적용 시 주의해야 함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Variety of tunnel ahead prediction methods have been performed for safe tunnel construction during tunnel excavation. Pole-pole array among the electrical resistivity survey, which is one of the tunnel ahead prediction method, has been utilized to predict water-bearing sediments or weak zone located...

주제어

#굴착면   #전기비저항   #전극 크기   #전극 형태   #전극 사이 거리  

표/그림 (9)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이와 함께, 원지반 전기비저항 측정 시에도 전극 사이의 거리나 전극의 형태 및 크기 등에 영향을 받 을 것으로 예상되나 아직 반구형의 멀리 떨어진 전극 배열에 대해서만 연구를 진행하였고, 전극 자체에 대한 영향 은 연구된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 전극의 형태, 크기와 같은 지오메트리(geometry)와 전극 간의 거리의 따라서 전기 저항을 예측할 수 있는 이론식을 유도하고, 이를 검증하기 위한 실내 실험을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 터널 굴착면 지반의 전기비저항값을 구하는 과정에서 전극의 크기, 형태 및 배치가 어떠한 영향 을 미치는 가를 이론 및 실험적 연구를 통하여 수행하였다. 본 연구에서 얻어진 결론은 다음과 같다.

가설 설정

  • 반지름이 r이고, 매질과 접촉하는 관입깊이가 l인 두개의 원기둥형 전극들(동일한 전하량이지만 반대의 극성) 이 Fig. 1과 같이 L만큼 떨어져 관입되어 있다고 가정을 하자. 한쪽 전극의 전압은 전극 표면으로부터 임의의 거리 x만큼 떨어진 등전위 표면적 A(x) (equipotential surface area)으로부터 구해지며, 다음 식 (1)과 같이 표현된다.
  • 반지름이 r인 두개의 반구형 전극들(동일한 전하량이지만 반대의 극성)이 지표면에서 각각 L만큼 떨어져 있는 곳에 매설되어 있다고 가정을 하자(Fig. 5).
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
시공 중에 터널의 전방을 예측하는 방법 2가지는 무엇인가? 터널 굴진면 붕괴 사고를 사전에 방지하기 위해서는 터널 전방의 지반상태를 정확하게 예측 하는 것이 매우 중요하기 때문에, 다양한 현장 탐사 기법들이 적용되고 있다. 시공 중에 터널의 전방을 예측하는 방법은 크게 선진수평시추(probe drilling)를 이용하는 파괴 검사와 탄성파/전기비저항을 이용한 비파괴 검사로 나눌 수가 있다. 선진 수평시추는 전방으로 시추하며 얻어지는 기계데이터 및 코어를 획득하거나 시추공 내에 영 상카메라를 관입하여, 지반의 상태와 절리 방향 등을 직/간접적으로 확인하고 분석할 수가 있다(Kim et al.
전기비저항 탐사 시에 주로 사용되는 원기둥형 전극 사이의 전기 저항값은 길이에 따른 변화는 무엇인가? 전기비저항 탐사 시에 주로 사용되는 원기둥형 전극 사이의 전기 저항값은 원기둥형 전극의 반지름, 매질에 관 입된 깊이, 전극 중심사이의 거리의 함수를 포함한 이론식으로 표현된다. 두 전극 사이의 거리가 증가하면 측 정되는 전기저항값은 전극의 반지름의 크기의 10배 이내에서는 급격히 증가하며, 그 이후에는 완만한 증가를 보이다가 결국에는 일정한 값으로 수렴하게 된다.
선진수평시추법의 단점은 무엇인가 , 2015). 하지만 선진수평시추 장비가 매우 크고 코어 획득 및 분석에 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라, TBM으로 시공되 는 경우에 미리 선진수평시추 장비의 설치공간을 마련해야 하는 단점을 가지고 있다. 탄성파를 이용한 터널 전방 예측 방법들인 TRT (True Reflection Tomography)와 TSP (Tunnel Seismic Prediction) 은 탐사범위가 100 m가 량으로 매우 길며 단층 파쇄대 파악에 적합하다(Choi et al.
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참고문헌 (9)

  1. Baishiki, R.S., Osterberg, C.K., Dawalibi, F. (1987), "Earth resistivity measurements using cylindrical electrodes at short spacing", IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 2, No. 1, pp. 64-71. 

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  2. Blythe, A.R. (1984), "Electrical resistivity measurements of polymer materials", Polymer Testing, Vol. 4, No. 2, pp. 195-209. 

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  3. Choi, J.S., Cho, G.C., Lee, G.H., Yoon, J.N. (2004), "Prediction of ground-condition ahead of tunnel face using electromagnetic wave - analytical study", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 6, No. 4, pp. 327-343. 

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  5. Jaschinsky, P., Wensorra, J., Lepsa, M.I., Myslivecek, J., Voigtlander, B. (2008), "Nanoscale charge transport measurements using a double-tip scanning tunneling microscope", Journal of Applied Physics, Vol. 104, No. 9, 094307. 

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  6. 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. 

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  7. Li, S., Liu, B., Xu, X., Nie, L., Liu, Z., Song, J., Sun, H., Chen, L., Fan, K. (2017), "An overview of ahead geological prospecting in tunneling", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 63, Supplement C, pp. 69-94. 

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  8. Ryu, H.H. (2010), "Development of tunnel electrical resistivity prospecting system and its application", Ph.D. Dissertation, Department of Civil and Environmental Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), pp. 269. 

  9. Yoo, J.H., You, J.O., Kim, K.C., Ko, K.S. (2009), "The influence of blasting vibration on the concrete lining", Proceedings of the 2009 Korean Society of Civil Engineering Symposium, pp. 3692-3695. 

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