한국건설교통기술평가원 Korea Insitute of Construction & Transportation Technology Evaluation and Planning
등록번호
TRKO201100007220
과제고유번호
1500000191
사업명
산학연공동연구
DB 구축일자
2013-04-18
초록▼
본 연구에서는 초장대 도로 터널을 대상으로 하며 1차년도 연구개발의 세부과제별 내용 및 범위는 다음과 같다. ○ 대단면 급속시공을 위한 최적의 곡면막장형상 개발에 관한 연구 3차원 연속체 해석을 통하여 곡면막장의 안정성을 막장면의 변위양상에 의거 기존의 직립막장과 비교 검토하였고, 해석에 사용된 프로그램은 국내에 상용화되고 있는 연속체해석 프로그램인 FLAC-3D Ver 2.1을 사용하였다. 측압계수에 따라 막장주변 지역의 변위양상과 더불어, 곡면막장면의 곡률반경에 따른 변위양상을 확인하기 위해 직립 막장면으로부터 막장
본 연구에서는 초장대 도로 터널을 대상으로 하며 1차년도 연구개발의 세부과제별 내용 및 범위는 다음과 같다. ○ 대단면 급속시공을 위한 최적의 곡면막장형상 개발에 관한 연구 3차원 연속체 해석을 통하여 곡면막장의 안정성을 막장면의 변위양상에 의거 기존의 직립막장과 비교 검토하였고, 해석에 사용된 프로그램은 국내에 상용화되고 있는 연속체해석 프로그램인 FLAC-3D Ver 2.1을 사용하였다. 측압계수에 따라 막장주변 지역의 변위양상과 더불어, 곡면막장면의 곡률반경에 따른 변위양상을 확인하기 위해 직립 막장면으로부터 막장 전방으로의 최전방곡면지점을 터널반경의 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1배의 다양한 곡면을 형성하여 검토하였다. ○ 미래형 초장대 터널의 방재개념이 포함된 최적지보시스템 개발 이 연구 계획은 터널 지보, 지반, 그리고 터널 지보 시스템의 화재 안전성에 대한 이론적 설계 방법의 전개 사이의 상호작용의 연구로 이루어져 있다. ○ 초장대 터널 건설을 위한 터널 막장주변 안정성 평가 및 배수 시스템 개발 급속시공에 따른 터널 막장주변 안정성 평가기법 개발과 관련하여 시공 중 발생가능한 터널의 붕락 사고의 특성을 조사하여 각종 터널의 붕락사고 유형을 파악하고, 이에 대한 구체적인 원인을 연구하였으며, 사례분석을 통해 터널 붕락의 주요 요인을 제시하였다. 또한 한국에서 발생된 터널 붕락자료를 이용하여 학습자료가 적은 경우 인공신경망의 합리적인 학습방법에 대해서 제안하고 각 입력 노드들이 터널의 붕락규모에 어떤 영향을 미치는가에 대한 분석을 하였으며 탄성파 탐사기법 중 특히, 표면파 분석기법을 막장의 천정부에 적용하고 시공중 조사가 용이하도록 발파천공 드릴진동을 가진원으로 이용하는 비파괴적 안정성 평가기술의 개념수립, 각종 신호처리 및 분석기법에 대한 조사, 분석을 통해 wavelet 분석 기법을 본 시스템의 주요 해석기법으로 결정하여 막장 주변 안정성 평가를 위한 하드웨어의 prototype 구성 및 현장예비실험을 통한 검증을 수행하였다. 초장대 터널건설을 위한 배수 시스템 현황조사를 위하여 국내외 초장대 터널의 방배수시스템 자료수집 및 분석과 기존 유입 용수량 예측의 검증 및 분석을 수행하였다. ○ 미래형 초장대 터널의 방재개념이 포함된 최적 환기시스템 개발 -작업갱을 환기갱으로 이용한 최적 환기시스템 개발(네트워크분석) 초장대 터널 굴착을 위한 작업갱을 환기갱으로 이용하는 방안 사갱 및 수직갱의 개수와 단면적 최적화 사갱 및 수직갱의 적정 위치 선정 해석 -초장대 터널의 방재시설 요구조건 설정 및 방재설계 개념 설정 방재 개념을 도입한 Route Planning 및 최적터널 단면계획 방재시설 설계, 시공 터널불연속부의 안정성확보 및 지보대책
Abstract▼
The specific contents and scope of this research for the development of the optimal super-long-tunnel construction system is as follows : ○ A Numerical Study on the Optimization of Concave-Shaped Face Development for Rapid Tunnel-Whole-Face Excavation $FLAC^{3D}$, which is most comm
The specific contents and scope of this research for the development of the optimal super-long-tunnel construction system is as follows : ○ A Numerical Study on the Optimization of Concave-Shaped Face Development for Rapid Tunnel-Whole-Face Excavation $FLAC^{3D}$, which is most commonly used for a tunnel stability analysis by tunnel engineers in Korea, was applied to find out the optimal concave face. Pre-existing tunnel face shape, which is called "plane face", and 6 different cases of concave shapes, with 0.1D, 0.2D, 0.3D, 0.4D, 0.5D, 0.6D, were modelled in the conditions of 5 different horizontal stresses, K = 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, respectively. ○ Development of super-long-tunnel design system considering the fire safety concepts for tunnel supporting mechanism This research programme consists of the study of the interactions between tunnel support and ground and the development of the theoretical design method for fire safety of tunnel supporting system. ○ A study on the stability estimation near the tunnel face and the drainage system development for the super-long-tunnel In this study, a wavelet transformation being a more advanced methodology than general time-domain and frequency-domain methods is adopted for developing a non-destructive testing technique to be applied for detection of changes of the mechanical characteristics of the grounds around tunnel excavations. This approach has given the results which are more visible and quantitative results then those from the previous methods. A prototype non-destructive testing equipment incorporating an advanced analysis algorithm was developed by using a widely used digital signal analyser, accelerometer, etc. and validated through field tests. ○ A study on the optimization of the super-long-tunnel ventilation system considering the fire safety concepts -The optimal ventilation system development which a working shaft l is used by a ventilation shaft (Network Analysis) The method of using the working shaft as a ventilation shaft The vertical shaft and inclined gallary and sectional area's optimum The analysis of the vertical shaft and inclined gallary appropriate position -The establishment of requirement for super long tunnel's fire protection facility of natural disasters and concept of the fire protection Route planning with conveying the concept of prevention and sectional plan for optium tunnel Design and construction of fire protection Stability Insurance and supporting method of long tunnel's facilities
목차 Contents
표지 ...1
제출문 ...2
요약문 ...4
SUMMARY ...10
목차 ...17
표목차 ...28
그림목차 ...34
Contents ...49
List of Tables ...60
List of Figures ...67
제1장 서 론 ...84
1. 연구개발의 필요성 ...84
제2장 국내.외 기술개발 현황 ...90
1. 지금까지의 연구개발 실적 ...90
2. 국내 및 국외 관련기술 동향 ...91
제3장 연구 개발수행 내용 및 결과 ...96
제1절 대단면 급속시공을 위한 최적의 곡면막장형상 개발에 관한 연구 분야 ...96
1. 기본이론 ...96
가. 초기 응력 ...96
나. 국내 및 국외의 암반내 초기응력분포경향 ...97
다. 공동형상과 초기응력비의 영향 ...99
라. 터널의 지압과 파괴형상 ...99
(1) 소성압에 의한 변상 메커니즘 ...100
(2) 이완지압에 의한 변상 메커니즘 ...100
(3) 편압지압에 의한 변상 메커니즘 ...101
마. 곡면막장의(concave face)의 정의 ...102
바. 수치해석적 연구 ...103
(1) 연속체 해석 ...103
(2) 해석단면 및 측정지점 ...103
(3) 해석조건 ...104
(4) 대상지반 및 지보 물성 ...105
(5) 수치해석적 결과 ...106
사. 모형실험 연구 ...107
(1) 실험 개요 ...107
(2) 실험조건 ...107
(3) 모형실험장치 ...108
(가) 3D삼축재하장치 ...108
(나) 변형률 계측 시스템 ...109
(4) 모형실험 결과 ...111
2. 현장실험 ...113
가. 현장 위치 ...113
나. 실험 조건 ...113
다. 시험회수 및 방법 ...113
라. 수평경사계 설치 방법 ...117
마. 실험 순서 ...121
바. 실험장치 ...122
(1) 디지털 수평 경사계 ...122
(2) 판독기 ...124
3. 결 과 ...125
가. 곡면막장 형성 검증 ...125
나. 곡면막장 직립막장 터널 SL,CL 변위양상그래프 ...126
(1) 직립막장 터널 SL,CL 변위양상그래프 ...126
(2) 곡면막장의 터널 SL,CL 변위양상 그래프 ...128
(3) 같은 측정구간에서의 최대변위양상 그래프 ...132
(4) 각 측정구간에서의 최대변위양상 그래프 ...134
(5) SL, CL 측정구간에서의 최대변위 ...135
4. 고 찰 ...136
5. 소결론 ...138
제2절 터널 막장주변의 비파괴 안정성 평가기술 개발 ...139
1. 비파괴 조사법의 분류 및 현황조사 ...139
가. 개요 ...139
나. 지반구조 및 물성예측을 위한 비파괴 조사법 ...140
(1) 연구현황 및 이론적 배경 ...140
(2) 실용화 사례 ...142
(가) TBM 탑재형 터널 막장전방 조사기술 ...142
다. 지보재의 보강효과 및 건전도 평가를 위한 비파괴 조사법 ...150
(1) 연구현황 및 이론적 배경 ...150
(2) 실용화 사례 ...152
(가) 충격반향(Impact echo)을 이용한 비파괴 검사법 ...152
(나) 소날라이저(sonalyser) ...152
(다) 소닉마에스터(sonic meister) ...153
라. 지반거동 및 손상도 파악을 위한 비파괴 조사법 ...154
마. 지반의 수리적 특성파악을 위한 비파괴 조사법 ...156
2. 발파로 인한 암반손상의 평가 ...158
가. 발파손상영역의 예측 및 평가기법 조사 ...158
(1) 발파진동속도에 의한 예측 ...158
(2) 물리탐사기법의 적용 ...162
(3) 투수계수의 측정 ...164
(4) 미소파괴음의 측정 ...164
(5) 기타 ...165
나. 기존 방법에 대한 문제점 ...165
3. 암반손상영역 평가를 위한 비파괴 조사기법 개발 ...166
가. 개요 ...166
나. 신호 해석방법 ...167
다. 신호수집 prototype의 구성 ...170
라. 예비현장 시험 ...174
(1) 개요 ...174
(2) 예비 현장시험 결과 ...177
마. 실내모형실험 ...185
(1) 목적 ...185
(2) 석고선정을 위한 예비실험 ...185
(3) 본실험 ...188
(가) 모형시험체의 제작 ...188
(나) 석고시료의 물성시험 ...192
(다) 모형시험체에 대한 비파괴 시험 ...193
바. 현장시험 ...199
(1) 현장시험 개요 ...199
(2) 현장시험장비 ...200
(3) 현장시험 결과 ...203
4. 결론 ...209
제3절 초장대 터널에서의 용수량 정밀예측기술 개발 ...211
1. 방.배수 설계를 위한 지반조사 ...211
2. 방.배수 설계를 위한 용수량 산정 기법 ...213
가. 경험식에 의한 방법 ...213
(1) 정상류 해석을 위한 경험식 ...213
(2) 부정류 해석을 위한 경험식 ...214
나. 수치해석에 의한 방법 ...214
(1) 개 요 ...214
(2) 수치해석 모델링의 이론 ...215
(3) 투수계수함수 ...217
(4) 용적 함수량 함수 ...217
(5) 터널 용수량과 관련된 수치해석 프로그램 ...219
다. 수문학적 기법을 이용한 용수량 예측기법 ...220
(1) 개 요 ...220
(2) 영향범위 산정방법 ...221
라. 현장수압시험결과의 통계처리를 이용한 용수량예측기법 ...222
(1) 투수방정식 ...223
(2) 투수방정식의 가정사항 및 인자특성 ...223
(3) 투수방정식의 인자 ...224
(4) 투수계수의 통계학적 모델링 ...225
(5) 유입량 산정기법 ...228
(6) 파쇄대 구간의 유입량 예측 ...229
마. 경험식에 의한 방법과 수치해석 방법에 의한 유입량 비교현황 ...229
(1) 경험식에 의한 방법 ...229
(2) 수치해석에 의한 방법 : 2차원 해석 (Seep/W를 이용할 경우) ...230
(3) 수치해석에 의한 방법 : 3차원 해석 (MODFLOW를 이용할 경우) ...230
3. 기존 배수시설 분석 ...231
가. 대상수량 ...231
나. 터널 종점부에서의 대상수량 ...232
다. 터널 배수용량 ...234
라. 검토결과 ...235
(1) 석회암지대 (K=30m/d 인 경우) ...235
(2) 파쇄대 (K=10m/d인 경우) ...236
(3) 신선암 (K=1.0x10-1 m/d인 경우) ...237
4. 국내.외 터널 유입수량 조사 현황 ...238
가. 국외 터널의 유입량 조사 현황 ...238
나. 국내 터널의 유입량 조사 현황 ...239
(1) 지하철 터널 ...239
다. 일본의 터널 비용수량 ...241
5. 지반 및 지질 조건에 따른 터널내 유입수량의 차이 ...243
가. 청송군 현서면 일대 도수로 터널 사례 연구 ...243
(1) 개요 ...243
(2) 결과 ...244
나. 터어키의 볼루 터널 (Bolu tunnel)의 용수량 ...244
(1) 개요 ...244
(2) 지하수 유입량 ...244
다. 마츠모토 조요마(Matsumoto Jyoyama) 터널 : 일본 ...245
(1) 개요 ...245
(2) 지하수유입량 ...245
라. 중국의 터널 ...245
(1) 샤무라다 터널 (철도터널) : Shamulada Tunnel ...245
(2) 푸피아오 터널 (철도터널) : Fupiao Tunnel ...245
(3) 유에씨 I 터널 (철도터널) : Yuexi I Tunnel ...246
(4) 베이윤 I 터널 : Baiyun I Tunnel ...246
마. 볼멘 터널 (도수로터널), 스웨덴 : Bolmen Tunnel ...246
(1) 개요 ...246
(2) 지하수 유입량 ...246
바. 영동선 철도 터널 공사 현장 ...246
(1) 지하수 유입량 ...246
6. 터널 시공중 그라우팅에 대한 터널유입수량 변화의 예측 ...247
가. 그라우팅의 종류 ...247
나. 그라우팅을 고려한 터널내 유입 용수량의 평가 기법 ...248
(1) 이론해 ...249
(가) 그라우팅대가 존재하는 피압지하수 아래에서의 터널 용수량 ...249
(나) 물빼기공이 설치되었을 경우의 터널 용수량 ...250
(2) 모형실험 기법 ...251
7. 초장대 터널방?배수설계를 위한 신개념 용수량 예측 기법 제안 ...253
가. 물리탐사 자료와 지반의 투수성의 상관관계 ...253
(1) 간극수가 지반의 전기비저항치에 주는 영향 ...254
(2) 병렬회로 모델 ...254
(3) 투수계수와의 관계 ...256
나. 지반의 전기비저항값을 이용한 초장대 터널의 용수량 예측 기법 ...257
다. 제시된 터널내 용수량 예측법의 국내 적용 ...258
(1) 모델지역 적용을 위한 현장조사 ...259
(2) 시뮬레이션을 통한 유동해석 ...261
(3) 기존 방법과의 비교 ...263
(4) 전기비저항을 이용한 용수량예측법의 고찰 ...266
(5) 장대터널의 용수량예측법 제안 ...267
(6) 장대터널의 용수량예측법의 실용화 ...267
제4절 국내 터널설계 기준 및 시방서 분석 ...268
1. 지하수 처리 방식별 터널 구분 ...268
2. 터널 배수시스템 설계기준 분석 ...271
3. 시방서 분석 ...274
4. 지하수 처리 시스템 조사 및 분석 ...275
가. 기존 터널구조물 배수시스템 ...275
(1) 개요 ...275
(가) 도로터널 ...276
(나) 철도 및 지하철 터널 ...282
(2) 기존 터널 배수시스템의 통수능 분석 ...284
(3) 결과분석 ...286
나. 기존 터널 배수시스템의 문제점 분석 ...288
다. 지하 생활공간의 지하수 배수시스템 ...292
(1) 자갈 배수시스템 ...292
(2) 2중 슬라브 배수시스템 ...293
(3) 배수블럭 배수시스템 ...294
(4) 2중 바닥배수판 배수공법 ...295
라. 바닥배수판을 이용한 터널구조물 배수시스템 ...297
(1) 바닥배수판을 이용한 터널구조물 배수시스템 ...299
(2) 국내 건축구조물 지하 최하층 배수를 위한 바닥배수판 ...302
(3) 비교 분석 ...304
5. 바닥배수판 통수능 증대를 위한 수리모형실험 ...307
가. 문헌고찰 ...307
나. 바닥배수판 형상별 통수능 분석을 위한 수리모형 실험 ...310
(1) 수리모형 실험 개요 ...311
(2) 결과분석 ...315
(가) 형상별 수리모형 실험결과 분석 ...316
(나) 유수방향 간격별 수리모형 실험결과 분석 ...322
다. 기존 배수시스템과 바닥배수시스템 통수능 비교 ...328
6. 바닥배수판의 안전성 분석 ...330
가. 개 요 ...330
나. 안전성 분석 조건 및 기준 ...331
(1) 하중조건 ...333
(2) 구조적 안정성 평가 기준 ...337
(3) 지지력 기준 ...338
다. 안정성 검토 ...339
라. 실대형 실험을 통한 구조적 안정성 비교 평가 ...343
(1) 실대형 실험을 위한 하중재하 및 반력시스템 ...344
(2) 대형 공시체 제작 ...346
(3) 하중재하 실험 및 결과분석 ...351
제5절 미래형 초장대 터널의 방재개념이 포함된 최적 환기시스템 개발 ...354
1. 초장대 터널의 공사중 환기법 고찰 ...354
가. 공사중 환기법의 선정 단계 ...354
나. 모델에 적용된 소요환기량의 계산 ...356
(1) 갱내 작업원에 필요한 환기량 (Q1) ...358
(2) 발파가스에 대한 환기량 (Q2) ...358
(3) 내연기관 배기가스에 의한 필요환기량 (Q3) ...360
(4) 쇼크리트 분진에 대한 환기량 (Q4) ...361
(5) 소요 환기량 (Qreq) ...362
다. 네트워크 구성 ...363
(1) 환기 해석 네트워크 ...363
(2) 해석모델 ...364
라. 환기 방식의 결정 ...365
(1) 자연환기방식 ...365
(2) 기계환기방식 ...365
(가) 송기식 ...365
(나) 변형 배기식 ...366
(다) 송배기혼합식 ...367
마. 시뮬레이션 및 결과 ...368
(1) 시뮬레이션 모델 ...368
(2) 시뮬레이션 적용 Fan ...369
(3) 시뮬레이션 결과 ...370
2. 초장대터널에서의 수직갱을 이용한 자연환기력 검토 ...372
가. 열역학적 방법에 의한 자연환기력의 평가 ...373
(1) 자연환기력 계산의 기초 ...374
(2) 열역학적 방법 (Thermodynamic Method) ...374
나. 자연환기력 인자의 측정 ...377
(1) 실측방법 ...377
(2) 대상 터널의 제원 ...378
(3) 실측현장 ...380
다. 자연환기력 계산결과 ...381
3. 초장대터널의 방재시설별 설계 기준의 검토 ...385
가. 수직갱 내 제연팬의 운영방안 검토를 위한 모형실험 ...386
(1) 축소 모형실험장치 ...387
(2) 화원 ...389
나. 모형실험결과 ...390
(1) 수직갱 전 위치에서의 화재 발생시 운영방안(배기모드) ...391
(2) 수직갱 후 위치에서의 화재 발생시 운영방안(송기모드) ...392
제6절 방재개념이 포함된 최적의 지보시스템 개발 ...393
1. 지반과 지보의 상호거동 ...393
가. 지반과 지보의 상호거동이론 ...394
나. 보강효과를 고려한 지반과 지보강성에 따른 터널거동의 신개념 ...396
다. 터널굴착시 Rock Bolt 지보에 의한 주변 지반의 하중지지력 증가 이론 개발 ...399
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