[논문]TBM 주변 지반상태예측을 위한 전기비저항 이론식 유도 및 검증

홍창호; 이민형; 조계춘

doi:10.9711/ktaj.2020.22.1.135

TBM 주변 지반상태예측을 위한 전기비저항 이론식 유도 및 검증
Derivation and verification of electrical resistivity theory for surrounding ground condition prediction of TBM 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.22 no.1, 2020년, pp.135 - 144

홍창호 (한국과학기술원 건설및환경공학과) , 이민형 (한국과학기술원 건설및환경공학과) , 조계춘 (한국과학기술원 건설및환경공학과)

초록
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국내에서 TBM 공법을 활용한 터널건설 시 점차 건설심도가 깊어지고 있으며, 이로 인해 상부 지반조사 단계에서 충분한 예측 정확도를 획득하기 위해서는 시추조사 및 물리탐사 비용이 증가하게 된다. 이러한 문제를 극복하기 위해 터널 시공 중 터널 굴착면 전방 예측을 위한 방법들이 제시되었다. 프로브 드릴링을 활용한 굴착면 전방 예측은 코어회수, 시추공 내부 이미지 등을 활용할 수 있는 장점이 있지만 실제 TBM 내에 설치가 어렵고 터널 막장 전체가 아닌 국부적인 지반만을 파악할 수 있다. TSP 등 탄성파를 활용한 방법은 100 m 이상의 긴 탐사거리를 가지지만 신호발생을 위해 발파를 사용하므로 세그먼트 라이닝, 백필 등의 안정성에 영향을 미칠 수 있다. TEPS를 포함한 전자기파 탐사는 지하수 층 등 전도성 있는 이상대를 파악하는 데 적합하지만 소구경 TBM에 설치할 수 있는 전극의 개수가 한정적이며 이는 탐사 범위의 감소 등을 야기한다. 본 연구에서는 전기비저항 탐사 시 굴착면에 설치되는 전극의 개수를 최소화하기 위해 TBM의 굴착면과 측면에 전극이 설치되었을 때에 대한 탐사 이론식을 제시하고 실내실험을 통해 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Since the depth of tunneling with tunnel boring machine (TBM) becomes deeper and deeper, the expense for site investigation for coring and geophysical survey increases to obtain the sufficient accuracy. The tunnel ahead prediction methods have been introduced to overcome this limitation in the stage of site investigation. Probe drilling can obtain the core and borehole images from a borehole. However, the space in TBM for the probe drilling equipment is restricted and the core from probe drilling cannot reflect the whole tunnel face. Seismic methods such as tunnel seismic prediction (TSP) can forecast over 100 m ahead from the tunnel face though the signal is usually generated using the explosive which can affect the stability of segments and backfill grout. Electromagnetic methods such as tunnel electrical resistivity prospecting system (TEPS) offer the exact prediction for a conductive zone such as water-bearing zone. However, the number of electrodes installed for exploration is limited in small diameter TBM and finally the reduction of prediction ranges. In this study, the theoretical equations for the electrical resistivity survey whose electrodes are installed in the face and side of TBM to minimize the installed electrodes on face. The experimental tests were conducted to verify the derived equations.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Side view of tunnel and equipotential surface area of face electrode
그림 Fig. 2. Sectional view of tunnel and equipotential surface area of side electrode
그림 Fig. 3. Configuration of tunnel near the conductive boundary
그림 Fig. 4. Test setup
그림 Fig. 5. Experimental test results
그림 Fig. 6. Experimental resistance after calibration and theoretical resistance

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 TBM 주변 전기비저항 탐사를 위한 굴착면 전극과 측면 전극에 대한 이론식을 개발하고 이에 대한 검증을 하고자 하였다. 개발된 이론식을 검증하기 위해 실내 모형 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 터널 굴착면과 TBM 후방의 측면에 위치한 전극을 활용하여 TBM 장비 주변에 위치한 전도성 이질층을 확인할 수 있는 탐사 이론을 개발하고 이를 검증하기 위한 실내실험을 수행하였다.

가설 설정

단면을 육각형의 형태로 가정하면서 초기 등전위면적이 증가하였고, 이로 인해 이론적 저항이 감소하였을 것으로보인다. 또한 디스크 형태의 전극을 동일한 면적을 가지는 반구형으로 가정하였는데, 이러한 가정은 상황에 따라 3~30% 가량의 계산 차이를 유발하는 것으로 알려져있다(Hong et al., 2019b). 뿐만 아니라 이론식은 무한한 경계를 가정하여 개발되었지만 실제 실험은 무한한 조건이 아닌 수조에서 이루어졌기 때문에 이론값에 비해 측정 저항값이 크게 나오게 되었을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 터널굴착면 중앙과 터널 후방에 구형의 전극이 설치되었다고 가정하였으며, 터널굴착면 중앙에 설치된 전극에서의 등전위표면적은 Fig. 1과 같으며 이로부터 구해진 정면 전극의 전압(V₁)은 다음과 같다.
이때, L은 d/2와 h보다 크다고 가정하였다. 만약 TBM이 굴착을 진행하며 L이 감소하게 되면 적분의 순서, 등전위표면적 등을 변경하여 수식을 다시 구성해야 한다.
이때, h가 d/2보다 크다고 가정하였다.

제안 방법

1. TBM 굴착면 중앙과 후방에 설치된 전극을 활용하여 터널 전방에 위치한 전도성 경계면을 탐사할 수 있는 이론식을 개발하였다. 해당 이론식은 터널 직경, 측면전극의 설치 위치, 탐사 전극의 직경, 터널 굴착면과 경계면 과의 거리 등을 고려하여 개발되었다.
2. 개발된 이론식을 검증하기 위해 축소모형을 활용한 실내실험을 수행하였다. 균질한 전기비저항을 가지는 소금물을 매질로 사용하였고 전도성 경계면은 철판을 활용하여 모사하였다.
본 연구에서는 TBM 주변 전기비저항 탐사를 위한 굴착면 전극과 측면 전극에 대한 이론식을 개발하고 이에 대한 검증을 하고자 하였다. 개발된 이론식을 검증하기 위해 실내 모형 실험을 수행하였다. 본 연구에서 결론은 다음과 같다.
터널 모형의 길이는 이질층에 접근함에 따라 발생하는 수위 증가를 고려하여 산정하였다. 또한 수위로 인해 생기는 경계조건의 효과가 존재하므로(Ryu et al., 2018) 이를 무시할 수 있는 거리(이질층으로부터 150 mm 떨어진 위치)로부터 매 10 mm 간격으로 터널 모형을 이질층에 접근시키며 측정을 수행하였다.
균질한 전기비저항을 가지는 소금물을 매질로 사용하였고 전도성 경계면은 철판을 활용하여 모사하였다. 수평방향의 굴진을 모사하기 어려워 수직방향으로 실험을 수행하였고 전극은 외부로 드러난 부분이 디스크형태가 되도록 원기둥형 전극을 사용하였다. 실내실험에서 얻어진 전기저항값과 이론식으로부터 얻어진 전기저항값은 약 4,000 Ω의 차이가 발생하였다.
앞서 도출한 이론식을 검증하기 위해 모형 TBM를 제작하여 실내실험을 수행하였다. 실험의 편의성을 위해 터널 굴착방향은 수평방향이 아닌 수직방향으로 실험을 설계하였다. 모형 TBM의 직경은 70 mm였고, 전극은 터널 굴착면 방향 정면에 1개, 터널 막장면으로부터 65 mm 떨어진 후방 측면에 1개를 설치하였으며 그 직경은 4 mm 인 원기둥 형태였다.
앞서 도출한 이론식을 검증하기 위해 모형 TBM를 제작하여 실내실험을 수행하였다. 실험의 편의성을 위해 터널 굴착방향은 수평방향이 아닌 수직방향으로 실험을 설계하였다.
이때 소금물의 전기비저항은 54 Ω‧m 이었으며, 두 전극사이의 저항은 LCR meter (Agilent 4263B)를 활용하여 측정하였다.
터널 모형의 길이는 이질층에 접근함에 따라 발생하는 수위 증가를 고려하여 산정하였다. 또한 수위로 인해 생기는 경계조건의 효과가 존재하므로(Ryu et al.
점선으로 표시된 것은 식 (7)을 활용하였고 경계에 다가감에 따라 식 (5) ~ 식 (7)의 적분 구간을 변경하여 최종 저항값을 계산하였다. 터널굴착면이 이질층에 다다랐을 때에는 이질층으로 모사한 전도성 물제 자체가 전극으로 작용하는 것으로 계산하였다. 터널 굴착면과 경계면이 터널직 경의 약 1~3배(0.
TBM 굴착면 중앙과 후방에 설치된 전극을 활용하여 터널 전방에 위치한 전도성 경계면을 탐사할 수 있는 이론식을 개발하였다. 해당 이론식은 터널 직경, 측면전극의 설치 위치, 탐사 전극의 직경, 터널 굴착면과 경계면 과의 거리 등을 고려하여 개발되었다.

대상 데이터

개발된 이론식을 검증하기 위해 축소모형을 활용한 실내실험을 수행하였다. 균질한 전기비저항을 가지는 소금물을 매질로 사용하였고 전도성 경계면은 철판을 활용하여 모사하였다. 수평방향의 굴진을 모사하기 어려워 수직방향으로 실험을 수행하였고 전극은 외부로 드러난 부분이 디스크형태가 되도록 원기둥형 전극을 사용하였다.
실험의 편의성을 위해 터널 굴착방향은 수평방향이 아닌 수직방향으로 실험을 설계하였다. 모형 TBM의 직경은 70 mm였고, 전극은 터널 굴착면 방향 정면에 1개, 터널 막장면으로부터 65 mm 떨어진 후방 측면에 1개를 설치하였으며 그 직경은 4 mm 인 원기둥 형태였다. 모형 TBM의 재질은 아크릴이었으며 이는 TBM 모형으로 인한 측정오차를 무시하기 위해서 였다.
모형 TBM의 재질은 아크릴이었으며 이는 TBM 모형으로 인한 측정오차를 무시하기 위해서 였다. 토사로 실험할 경우 지반 전체의 전기비저항 값이 다짐 등에 의해 변화하기 때문에 동일한 전기비저항값을 가지는 소금물을 사용하여 실험하였다. 이때 소금물의 전기비저항은 54 Ω‧m 이었으며, 두 전극사이의 저항은 LCR meter (Agilent 4263B)를 활용하여 측정하였다.
, 2000). 토조의 크기는 가로 500 mm, 세로 500 mm, 높이 700 mm로 하였고 이질층은 철판을 사용하여 모사하였다(Fig. 4).

성능/효과

3. 실내실험에서 얻어진 전기저항값과 이론식으로부터 얻어진 전기저항값의 차이를 보정하면 두 결과가 일치하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 이론식과 실내실험의 결과의 정성적 경향이 동일한 것을 의미한다. 또한 터널 굴착면과 전도성 경계면이 터널 직경의 1~3배 내에 위치하는 경우 측정되는 저항값이 변화하는 것을 확인 하였다.
실내실험에서 얻어진 전기저항값과 이론식으로부터 얻어진 전기저항값의 차이를 보정하면 두 결과가 일치하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 이론식과 실내실험의 결과의 정성적 경향이 동일한 것을 의미한다. 또한 터널 굴착면과 전도성 경계면이 터널 직경의 1~3배 내에 위치하는 경우 측정되는 저항값이 변화하는 것을 확인 하였다. 이는 본 전극 배열 및 이질층의 위치에 따른 탐사 범위가 터널 직경의 1~3배가량임을 의미하며, 다른 전극 배열 및 이질층의 위치, 방향, 두께 등에 따라 탐사범위가 변화될 수 있다.
측정된 전기저항값은 이론값에 비해 약 4,000 Ω 가량 높은 것을 확인하였다(Fig. 5).
터널굴착면이 이질층에 다다랐을 때에는 이질층으로 모사한 전도성 물제 자체가 전극으로 작용하는 것으로 계산하였다. 터널 굴착면과 경계면이 터널직 경의 약 1~3배(0.07~0.21 m) 구간에서, 측정 전기저항값이 변화하는 것을 확인하였다. 즉, TBM이 경계면에 터널 직경의 1~3배 거리 이내로 근접하였을 때 전기비저항 변화를 통해 예측이 가능함을 의미하며 경계면의 방향, 전극의 배치 등이 이에 영향을 미칠 것으로 추정된다.

후속연구

4. 본 연구의 결과를 추가적으로 검증하기 위해 이론의 가정사항과 일치하는 추가적인 실내실험, 수치해석을 통한 검증 등 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다. 또한 전도성이 있는 경계면 뿐 아니라 TBM자체의 전도성, 경계면과 현 지반의 전기비저항의 비, 경계면의 각도 등을 고려한 이론식 개발 및 검증이 필요할 것으로 판단 되며 이러한 연구는 추후 터널 굴착면 전방, 터널 상부 등의 지반 상태 확인을 위해 반드시 필요할 것으로 사료된다.
본 연구의 결과를 추가적으로 검증하기 위해 이론의 가정사항과 일치하는 추가적인 실내실험, 수치해석을 통한 검증 등 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다. 또한 전도성이 있는 경계면 뿐 아니라 TBM자체의 전도성, 경계면과 현 지반의 전기비저항의 비, 경계면의 각도 등을 고려한 이론식 개발 및 검증이 필요할 것으로 판단 되며 이러한 연구는 추후 터널 굴착면 전방, 터널 상부 등의 지반 상태 확인을 위해 반드시 필요할 것으로 사료된다.
6에 도식화하였고 측정저항값과 이론적 저항값이 같은 경향성을 띄는 것을 확인하였다. 이론값과 실험값이 동일한 경향을 보이는 것은 확인하였으나 정량적 값 자체에서는 전술한 이유 등으로 차이가 발생하므로 추후 전극의 형태를 구형으로 바꾸거나 이론식에서 터널 단면적의 가정을 수정하여 추가적인 실험 및 연구가 필요할 것으로 파악된다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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Ryu J., Park, J., Lee, S.W., Lee, I.M., Kim, B.K. (2018), "Forward probing utilizing electrical resisivity and induced polarization for predicting mixed-ground ahead of TBM tunnel face", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 20, No. 1, pp. 55-72.
Schaeffer, K., Mooney, M.A. (2016), "Examining the influence of TBM-ground interaction on electrical resistivity imaging ahead of the TBM", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 58, pp. 82-98.

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저자의 다른 논문 :

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].

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