[논문]GPR탐사를 통한 NATM터널(무근)라이닝의 두께 분포 및 배면상태 평가

추진호; 유창균; 오영철; 이인모

doi:10.9711/ktaj.2019.21.5.717

GPR탐사를 통한 NATM터널(무근)라이닝의 두께 분포 및 배면상태 평가
Assessment of NATM tunnel lining thickness and its behind state utilizing GPR survey 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.21 no.5, 2019년, pp.717 - 733

추진호 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 유창균 (한국시설안전공단 기술진단지원팀) , 오영철 (한국시설안전공단 기술진단지원팀) , 이인모 (고려대학교 건축사회환경공학부)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 3개의 공용중인 NATM터널에서 수행된 정밀안전진단 GPR탐사 결과로 라이닝 두께분포 및 배면상태 특성을 분석하였다. 라이닝 천장에서 실시한 GPR 자료분석으로 라이닝 콘크리트와 1차지보재 사이에 공간이 대부분 존재하는 것으로 분석되었다. 다수의 라이닝 종단탐사로 분석된 횡단 두께의 좌 우 불균형은 8.6~253.5 mm로 확인되었으며 급격한 두께편차 주변에서 종방향균열 발생을 확인하였다. 라이닝 천단 중앙에서 실시된 종단 두께 분포는 3개의 적합도 검증을 통해 터널별 최적의 분포함수가 선정되었다. 종방향 라이닝 두께의 평균이 설계기준 이상인 경우 정규분포 및 이와 유사한 분포 특성을 나타내고 있으며, 설계두께 이하의 터널에서는 Gamma, Inverse Gauss분포함수가 해당터널의 라이닝을 대표하기 위한 최적함수로 적합할 것으로 판단하였다. NATM터널(무근) 라이닝의 두께분포는 터널의 상태평가 및 안전성평가를 전반적으로 분석하기 위한 중요한 지표가 될 수 있으며, 향후 기존의 일정한 설계 두께를 적용하기 보다는 GPR탐사를 반영한 라이닝의 현실적인 평가 방법의 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, lining thickness distribution and its behind state (particularly, its void state) were analyzed using the GPR survey data performed on three currently operating NATM tunnels. Results of GPR analysis showed that void areas were mostly detected between concrete lining and primary support, particularly, near the crown of the tunnels. The lining thickness in the left-hand side of the tunnel was different from that of the right-hand side by 8.6~253.5 mm when measured in transverse direction. It was also found that longitudinal cracks were prevailed in the area lining thickness was sharply changed. Longitudinal thickness distribution at the crown was also studied and tested by performing 3 goodness-of-fit tests in order to find the most suitable thickness distribution. Normal distribution (or similar distribution) fit most suitably to the measured data if the measured average thickness was larger than designed one; Gamma and/or Inverse Gauss distribution fit to the measured data reasonably well if the measured average thickness was less than the designed value of thickness. Since actual lining thickness can be a potential index when assessing the state and safety of the unreinforced NATM tunnel lining, measuring of the lining thickness with GPR survey might be needed rather than assuming the thickness is always constant and same with the designed value.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. General process of GPR survey performed on NATM tunnel lining
그림 Fig. 2. Results of GPR survey performed on NATM tunnel lining
그림 Fig. 3. GPR survey array performed in NATM tunnels
표 Table 1. Summary of tunnels used in this study
그림 Fig. 4. Construction processes of the primary support and 2nd concrete lining in NATM tunnels
그림 Fig. 5. Typical void states behind the concrete lining
그림 Fig. 6. Reflection signals in NATM tunnel lining obtained from GPR survey
그림 Fig. 7. Distribution of MSR tunnel lining thickness by GPR survey
그림 Fig. 8. Lining thickness related with longitudinal cracks
그림 Fig. 9. Lining thickness analysis of DY tunnel
그림 Fig. 10. Lining thickness analysis of DY tunnel
표 Table 2. Lining thickness difference along the left to right survey lines in transverse direction
표 Table 3. Summary of tunnels used in this study
그림 Fig. 11. Probability density function of lining thickness with test
그림 Fig. 12. Correlation between longitudinal crack occurrence and radius/ thickness distribution
표 Table 4. Correlation of longitudinal cracks with the distribution of lining thickness and the tunnel radius

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

(2017)에 의해 연구되었다. 그러나 GPR탐사를 통해 라이닝 두께 분포에 대한 적합도 분석(goodness of fit)은 보고되지 않아 본 연구에서 이를 분석하여 향후 신뢰성 해석의 자료가 될 수 있을 것으로 판단하였다. 터널관련 신뢰성분석에서 사용되는 라이닝 두께는 일반적으로 균등한 것으로 가정하여 평가되고 있으며 라이닝 두께 이외의 재료 및 역학적인 물성의 매개변수의 분포는 많은 경우에 정규분포(Normal distribution, 식 (4)) 및 로그정규분포(Log-normal distribution, 식 (5))를 나타내는 것으로 활용되었다(Duracrete, 2000; Haldar and Mahadevan, 2000).
본 연구에서는 적합도 검증 방법 중에서 일반적으로 사용되는 Chi-square test (Χ2), Kolmogorov-Smirnov test(K-S), Anderson-Darling test (A-D)의 3가지 시험을 통해 적합도가 높은 함수를 결정하고자 하였다.
상기의 연구내용은 기존 설계단계 또는 정밀안전진단에서 수행되는 라이닝 해석으로 균일한 라이닝 두께를 가정한 상태에서 지반 조건에 부합되는 외력과 그에 따른 지반반력을 평가하는 접근방법들이다. 정밀안전진단은 제한적인 시간 및 환경으로 터널의 전반적인 측정을 위해 연속 측정이 가능한 GPR탐사를 수행하는 것이 보편적이며 본 연구에서는 GPR결과를 종합하여 라이닝 두께분포 및 배면상태 특성을 분석하고자 한다.

제안 방법

Table 1의 터널별 GPR탐사를 통한 천단 중앙 라이닝 두께를 0.5 m간격으로 자료를 분석하여 적합도검정에 따른 최적화된 분포 특성을 4.1절에서 기술된 적합도검증 방법으로 1순위에서 3순위의 분포함수를 Table 3과 같이 분석하였다. 적합도 검증방법에 따라 측정값을 나타내는 분포함수와의 최적 정도는 조금씩 차이를 보이고 있으며 평균을 중심으로 평균초과의 값과 미만의 값 사이의 실측값의 왜도(Skewness)와 첨도(Kurtosis) 특성을 병행하여 분석하였다.
시공이음 길이에 맞추어 제작한 강재거푸집을 1차지보와 방수지에서 라이닝 두께의 이격거리를 두고 설치한다. 거푸집의 전 ‧ 후를 폐합하고 ③슈트홀을 통해 콘크리트를 압송하여 라이닝을 형성하며, 준공 이전 초기점검에서 GPR탐사를 통해 타설이 부족한 구간을 평가한다. 타설두께가 부족한 구간은 라이닝 타설단계에서 설치해둔④그라우트 관을 통해 유동성이 높은 경량콘크리트를 관리기준의 압력으로 채우게 된다.
공용중인 NATM터널 라이닝의 전반적인 상태를 파악하고자 정밀안전진단에서 일반적으로 라이닝 천장 1개 측선의 조사 및 분석하는 것을 감안하여 터널 전체의 라이닝 상태를 평가할 수 있는 척도로 활용될 수 있는 라이닝 종방향 두께분포의 최적 분포함수를 구하고자 한다.
0) 프로그램으로 자료를 취득하였다. 도로터널 천단에 접근하기 위해 고소차량을 이용하여 안테나를 라이닝에 접속시켜 일정한 거리를 이동하여 자료를 수동으로 취득하였으며, 철도터널에서는 열차트레일러에 고소차량를 상차하여 현장시험을 수행하였다.
5 mm 편차가 확인되었으며 설계두께 대비 큰 두께변화 주변으로 종방향 균열이 확인되었다. 또한, GPR반사 신호가 강한 천단의 콘크리트 라이닝과 1차 지보재 사이는 대부분 들떠있는 물리적 간격을 두고 있는 배면상태로 분석하였다.
본 연구에서는 암반의 NATM터널로 국한한 GPR신호분석에 근거하여 천장부 2차 라이닝은 추가적인 외적 하중이 작용하지 않는 상태로 파악하였으며 GPR탐사의 분해능이 낮은 복철근구간, 환기팬 및 전차선 지지용 지장물로 인한 조사가 곤란한 구간 등을 제외한 무근 및 단철근 구간을 고려하였다.
이상의 연구는 준공 후 10년이 경과하여 최초 정밀안전진단이 수행된 3개 NATM터널(무근)에 대한 GPR탐사결과를 기초하여 터널 라이닝 두께분포 및 배면상태의 특성을 분석하여 다음과 같은 사항을 도출하였다.
1절에서 기술된 적합도검증 방법으로 1순위에서 3순위의 분포함수를 Table 3과 같이 분석하였다. 적합도 검증방법에 따라 측정값을 나타내는 분포함수와의 최적 정도는 조금씩 차이를 보이고 있으며 평균을 중심으로 평균초과의 값과 미만의 값 사이의 실측값의 왜도(Skewness)와 첨도(Kurtosis) 특성을 병행하여 분석하였다. 또한, X² 검증으로 적합도가 높은 함수의 분포값에서 설계 두께기준(0.

대상 데이터

본 연구에 사용된 장비는 스웨덴 Mala Geoscience사의 ProEx-본체(샘플수: 2 Gbit/s, A/D convertor: 16 bit)와 GroundVision (ver 2.0) 프로그램으로 자료를 취득하였다. 도로터널 천단에 접근하기 위해 고소차량을 이용하여 안테나를 라이닝에 접속시켜 일정한 거리를 이동하여 자료를 수동으로 취득하였으며, 철도터널에서는 열차트레일러에 고소차량를 상차하여 현장시험을 수행하였다.
GPR탐사가 수행된 터널의 개략적인 설명은 Table 1과 같으며 현장 보정을 통해 사용 안테나를 결정하였다. 종방향탐사는 천단 중앙부 1개 측선을 복철근과 지장물이 없는 구간에서 실시한 반면, 횡방향탐사는 Fig. 3과 같이상세분석을 실시할 몇 개의 스팬에 대해 일정한 간격(7~20개)의 종방향 측선 신호를 취득하였다.

데이터처리

Table 1과 같은 3~5개 스팬에서 위치별 다수의 측선결과를 이용하여 Fig. 3과 같은 위치별 두께를 0.5 m 간격으로 자료를 분석하였으며, 측선별 분석된 자료는 정규분포함수의 특성을 따르는 평균과 표준편차로 좌‧ 우 두께(Fig. 7, Fig.
1(c)와 같이 시계열의 연직면을 음영으로 나타내게 된다. 전용프로그램(Reflex/w, ver5.05)을 사용하여 콘크리트의 유전율 값에 따른 속도를 입력하여 Fig. 2와 같은 분석들을 수행한다. Fig.

성능/효과

1. NATM터널 횡방향 라이닝 두께 분포는 좌‧ 우 불균형이 8.6~253.5 mm 편차가 확인되었으며 설계두께 대비 큰 두께변화 주변으로 종방향 균열이 확인되었다. 또한, GPR반사 신호가 강한 천단의 콘크리트 라이닝과 1차 지보재 사이는 대부분 들떠있는 물리적 간격을 두고 있는 배면상태로 분석하였다.
2. 터널 상부 반지름이 클수록, 설계두께와 비교하여 상대적으로 얇은 라이닝 두께의 분포를 지닌 터널에서 종방향균열의 빈도가 큰 것으로 나타났다.
3. 토목관련 신뢰성분석의 보편적인 정규확률분포와 더불어 3개 NATM터널의 종방향 라이닝 두께분포는 3개의 적합도검증 방법을 통하여 Gamma, Inverse Gauss분포함수가 측정값과 최적인 것으로 분석되었다.
4. 종방향 라이닝 두께의 평균이 설계기준 이상인 터널의 경우 정규분포 및 이와 유사한 분포 특성을 나타내고 있으며, 평균이 설계두께 이하의 터널에서는 Gamma, Inverse Gauss분포함수가 해당터널의 라이닝을 대표하기 위한 최적함수로 적합할 것으로 판단하였다.
6%(Table 3참조)로 분석되었다. DY터널과 같이 좌‧ 우 라이닝 두께의 편차가 확연하며 좌측은 설계두께를 만족하지 못하는 것으로 분석되었다. Table 3 (Fig.
7과 같으며 범례에는 천단 중앙에서 좌 ‧우 횡단방향으로 측선까지의 거리, 측선별 측정점 수(N), 평균(u), 표준편차(Õ)를 표기하였다. MSR_D터널의 측선별 라이닝 두께 평균이 설계기준 이상을 나타내고 있으며 설계두께 미만이 10.0~10.1%, 시공오차의 한계 두께0.2 m 미만인 경우 0.6%, 정밀안전진단 상태평가 c등급의 기준두께 이하가 0.6% (Table 3, Fig. 11참조)인 것으로 분석되었다. 좌‧ 우 불균형은 동일 색상으로 실선 및 점선으로 표기하였으며 천단 좌우 1.
8 m, ----)의 신호도 대부분 강한반사로 분석되어 1차지보재와 콘크리트 라이닝 사이의 들뜸이 천단에 국한되지 않음을 파악하였다. 균열이 확인된 위치(ⓐ~ⓔ)는 주변 라이닝 두께와 비교하여 변화구간으로 설계두께보다 부족한 영역에서 종방향균열이 발생되는 경향을 확인하였다.
10(b)의 [A]영역은 라이닝 두께부족 구간이면서 배면에 공동이 존재하는 것으로 타음으로 확인된 곳이나 표면상태가 양호하여 배면공동과 균열의 직접적인 연관성은 낮은 것으로 판단하였다. 기존에는 좌‧ 우 라이닝을 같은 두께를 기준하여 결함 발생요인 분석 및 안전성 평가를 실시하였으나 GPR탐사를 근거한 본 연구의 자료분석에서 좌 ‧ 우 라이닝 두께편차가 Table 2와 같이 8.6 mm에서 253.5 mm로 확인되어 향후 정밀시공 시 밀실한 충전이 되도록 주의 깊은 시공관리가 필요한 것으로 판단된다.
6 mm, 138,9 mm, 62 mm이며 천단부의 좌 ‧ 우 두께의 불균형이 측벽보다 큰 것을 확인하였다. 또한, 천단 중앙에서 좌‧ 우 4~8 m 구간의 영역(S141, S142)에서 상대적인 라이닝 두께가 얇게 분석된 부위에서 종방향균열이 발생한 것을 확인할 수 있다. 측벽 상부 설계두께 이상의 라이닝은 과굴착이 이루어진 구간으로 추정 가능하며 이로 인해 천단까지의 라이닝이 좌‧ 우 두께의 편차가 큰 것으로 판단된다.
4% (Table 3참조)로 분석되었다. 라이닝 좌 ‧ 우 4 m, 8 m, 12.5 m의 두께차이는 111.6 mm, 138,9 mm, 62 mm이며 천단부의 좌 ‧ 우 두께의 불균형이 측벽보다 큰 것을 확인하였다. 또한, 천단 중앙에서 좌‧ 우 4~8 m 구간의 영역(S141, S142)에서 상대적인 라이닝 두께가 얇게 분석된 부위에서 종방향균열이 발생한 것을 확인할 수 있다.
8(c)와 같이 분석되었다. 명확한 반사면으로 들뜸이 전반적으로 확인되었으며 종방향균열 주변의 라이닝 두께는 상대적으로 얇은 것으로 나타났다. 또한, 좌‧ 우 라이닝 두께 불균형이 특수한 경계조건에서 종방향균열 발생원인의 하나인 응력 불균형을 야기하는 요인이 될 수 있을 것으로 판단된다.
터널별 라이닝 최적분포함수의 평균값과 설계기준 두께와의 관계(Table 4의 5열)는 실제 종방향균열의 발생밀도 및 천단부 반지름의 크기와 연관성 있는 것으로 분석 가능하다. 즉, Fig. 12와 같이 상단부 반지름의 크기가 클수록, 설계 라이닝 두께가 얇을수록 종방향균열의 발생 가능성이 증가할 수 있는 것으로 분석된다.

후속연구

5. NATM터널 라이닝의 두께분포는 터널의 상태평가 및 안전성평가를 전반적으로 분석하기 위한 중요한 지표로 향후 기존의 일정한 설계 두께를 적용하기 보다는 GPR탐사를 반영한 현실적인 평가 방법의 연구가 필요할 것으로 판단된다.
준공 후 10년 이후의 NATM터널에 대한 정밀안전진단은 2차라이닝의 육안조사로 파악되는 결함으로 평가되고 있으나 실제 지반변형 및 외력이 작용하는 구간은 급격한 지하수위 변화구간, 풍화암보다 낮은 변형계수의 지반, 토피고가 낮은 지형, 편토압이 작용하는 경우, 단층대 통과 구간 등이며, 본 연구에서는 전술한 내용 이외의 산악지형 터널로 제한하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자파의 반사는 무엇에 의해 발생하는가?	1(a)와 같이 경계부의 상태에 따라 입사각과 동일하게 반사하거나 일부는 접합된 인접 매질로 계속해서 굴절하게 된다. 이때, 전자파의 반사는 두 매질의 전기적 임피던스 차이에 의해 발생하며, 이러한 전기적 임피던스는 매질의 유전율에 영향을 받으며 식 (1)과 같으며, 터널 라이닝 두께 및 배면상태 분석에 이용된다.
	적합도검증은 무엇인가?	적합도검증은 관측 및 시험의 측정값이 임의의 분포함수에 얼마나 잘 부합되는지를 검증하는 것으로 임의 함수분포가 완벽하게 측정값과 일치될 수 없으며 다수의 분포함수를 검증하여 가장 잘 부합되는지를 확인하여야 한다. 본 연구에서는 적합도 검증 방법 중에서 일반적으로 사용되는 Chi-square test (Χ2), Kolmogorov-Smirnov test(K-S), Anderson-Darling test (A-D)의 3가지 시험을 통해 적합도가 높은 함수를 결정하고자 하였다.
	(본 연구에서) 적합도검증 방법 중에서 어떠한 것을 사용하였는가?	적합도검증은 관측 및 시험의 측정값이 임의의 분포함수에 얼마나 잘 부합되는지를 검증하는 것으로 임의 함수분포가 완벽하게 측정값과 일치될 수 없으며 다수의 분포함수를 검증하여 가장 잘 부합되는지를 확인하여야 한다. 본 연구에서는 적합도 검증 방법 중에서 일반적으로 사용되는 Chi-square test (Χ2), Kolmogorov-Smirnov test(K-S), Anderson-Darling test (A-D)의 3가지 시험을 통해 적합도가 높은 함수를 결정하고자 하였다. 본 연구의 적합도검증에서 높은 적합도를 보이는 함수는 식 (2)~(8)과 같으며, 함수에 따라 매개변수를 1개에서 3개로 그 특성이 결정되어 자료가 제한적인 경우 매개변수가 적은 것이 합리적일 것으로 판단된다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증