<30305FB8F1C2F72E687770>

eissn 2287-4747 pissn 2233-8292 http://www.jkta.or.kr/journal Vol.16 No.05 September 2014 Young-Jin Son, Kyu-Won Lee, Tae Young Ko 445 Application of x-mr control chart on monitoring displacement for prediction of abnormal ground behaviour in tunnelling Hyun-Seok Yun, Gyu-Jin Song, Young-Wan Shin, Chang-Yong Kim, Seok-Yeon Choo, Yong-Seok Seo 459 3-Dimensional numerical analysis on support performance of early-high-strength shotcrete Jong-Uk Kim, Jung-Joo Kim, Young-Jae Cho, Han-Kyu Yoo 471 Development of acoustic emission monitoring system for the safety of geotechnical structures D.S. Cheon, Y.B. Jung, E.S. Park 487 Consideration on design procedure of room-and-pillar underground structure part I: parametric study Chulho Lee, Jedon Hwang, Eunhye Kim, Soo-Ho Chang 497 Consideration on design procedure of room-and-pillar underground structure part II: selection of shape to design supports Chulho Lee, Jinsuk Hur, Younghwan Hyun, Soo-Ho Chang Vol.16 No.05 September 2014 431 Studies of application of artificial ground freezing for a subsea tunnel under high water pressure - focused on case histories - Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association Vol.16 No.05 September 2014 Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association 한국터널지하공간학회 논문집 고수압 해저터널 건설을 위한 동결공법 적용성에 관한 연구 - 사례를 중심으로 - 431 터널 시공 중 이상 거동 예측을 위한 계측 변위의 x-mr 관리도 활용 445 3차원 수치해석을 이용한 조기고강도 숏크리트 지보성능 분석 459 지반구조물 안전감시용 미소파괴음 계측시스템 개발 471 주방식 지하구조물의 설계 방법 고찰 Part I: 매개변수 연구 487 주방식 지하구조물의 설계 방법 고찰 Part II: 지보 설계 필요 단면 검토 497

eissn 2287-4747 pissn 2233-8292 http://www.jkta.or.kr/journal Vol.16 No.05 September 2014 Young-Jin Son, Kyu-Won Lee, Tae Young Ko 445 Application of x-mr control chart on monitoring displacement for prediction of abnormal ground behaviour in tunnelling Hyun-Seok Yun, Gyu-Jin Song, Young-Wan Shin, Chang-Yong Kim, Seok-Yeon Choo, Yong-Seok Seo 459 3-Dimensional numerical analysis on support performance of early-high-strength shotcrete Jong-Uk Kim, Jung-Joo Kim, Young-Jae Cho, Han-Kyu Yoo 471 Development of acoustic emission monitoring system for the safety of geotechnical structures D.S. Cheon, Y.B. Jung, E.S. Park 487 Consideration on design procedure of room-and-pillar underground structure part I: parametric study Chulho Lee, Jedon Hwang, Eunhye Kim, Soo-Ho Chang 497 Consideration on design procedure of room-and-pillar underground structure part II: selection of shape to design supports Chulho Lee, Jinsuk Hur, Younghwan Hyun, Soo-Ho Chang Vol.16 No.05 September 2014 431 Studies of application of artificial ground freezing for a subsea tunnel under high water pressure - focused on case histories - Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association Vol.16 No.05 September 2014 Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association 한국터널지하공간학회 논문집 고수압 해저터널 건설을 위한 동결공법 적용성에 관한 연구 - 사례를 중심으로 - 431 터널 시공 중 이상 거동 예측을 위한 계측 변위의 x-mr 관리도 활용 445 3차원 수치해석을 이용한 조기고강도 숏크리트 지보성능 분석 459 지반구조물 안전감시용 미소파괴음 계측시스템 개발 471 주방식 지하구조물의 설계 방법 고찰 Part I: 매개변수 연구 487 주방식 지하구조물의 설계 방법 고찰 Part II: 지보 설계 필요 단면 검토 497

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association eissn: 2287-4747 pissn: 2233-8292 Aims and scope The Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association is the official publication of the Korean Tunnelling and Underground Space Association (KTA). The journal publishes authoritative articles encompassing the results of high quality research and case histories applying innovative methods for costsaving and improving safety in tunnelling technology and underground space development safety. Year of Launching and Freguency It was launched in 1999. It is published bimonthly in January, March, May, July, September, and November each year. Supplementary numbers are at times published. All of the manuscripts are peer-reviewed. ISO Abbreviation of Journal Title The official title of the journal is Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association and the abbreviated title is J. of Korean Tunn Undergr Sp. Assoc. Availability of The Full-Text in The Web Full text is avaiable from the URL of the Society (www.jkta.or.kr). Indexed in The total or a part of the articles in this journal are indexed in KISTI and CERIC. This journal has been one of the KCI Accredited Journals since 2006 and Indexed in the Korea Citation Index (KCI) Fund Support This journal was partially supported by the Korean Federation of Science and Technology Societies (KOFST) Grant funded by the Korean Government (MEST). Subscription Information Correspondence concerning business matters should be addressed to Secretary, Won-Hee Choi (Tel: +82-2-3465-3665, krtna@chol.com). The subscription price of this journal is 30,000 won annually. Copyright Statement c 2012, Korean Tunnelling and Underground Space Association Contact Information Mansucripts should be submitted via the online journal system for submission and peer review at http://www.jkta.or.kr:8080/ Other correspondences can be sent by an e-mail to the Editor-in-Chief, Prof. Gye-Chun Cho (+82-42-350-3622, gyechun@kaist.ac.kr) Publisher & Editorial Office: Korean Tunneling and Underground Space Association (KTA) President: Prof. Sang Hwan Kim (Hoseo University) #1411, 304, Hyoryeong-ro, Seocho-gu, Seoul, Korea Tel: +82-2-3465-3665, Fax: +82-2-3465-3666 Website: http://www.tunnel.or.kr E-mail: krtna@chol.com Printed on September 30, 2014 by CIR (E-mail: circom@chol.com; Tel: +82-2-2275-8603)

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association Editorial Board eissn: 2287-4747 pissn: 2233-8292 Editor-in-Chief Gye-Chun Cho Korea Advanced Institute of Science Technology Associate Editors Hyu-Soung Shin Korea Institute of Construction Technology Yong-Joo Lee Soo-Ho Chang Korea Institute of Construction Technology Dae-Sung Cheon Manuscript Editors Bumjoo Kim Dongguk University Taek Kon Kim SK Engineering & Construction Young Joon Kim Teso Engineering Co., Ltd. Tae Young Ko SK Engineering & Construction Sungyil Koh Danwoo Engineering Cheol-Ju Lee Kangwon National University Chul ho Lee Korea Institute of Construction Technology Joon-Shik Moon Kyungpook National University Sang Min Na GS Engineering and Construction Tae-Min Oh Ki Il Song INHA University Sang Yeon Seo GS Engineering and Construction Editorial Board Jae hun Ahn Pusan National University Sung Kwon Ahn Korea Railroad Research Institute Seokbue Chang Samsung C&T Corporation Ilhan Chang Korea Institute of Construction Technology Nam Kak Cho Samsung C&T Corporation Deog chan Choi Daejung Consultant Co., Ltd Hangseok Choi Korea University Heesang Ha GS Engineering and Construction Taewook Ha Korea Resources Corporation Shin-In Han Seoyeong Engineering Co., Ltd. Eun-Soo Hong Korea Advanced Institute of Science Technology Jae-Yun Hwang Kyungnam University Seokwon Jeon Seoul National University Chang Yong Kim Korea Institute of Construction Technology Dae Young Kim Hyundai Engineering & Construction Co., Ltd. Do Hoon Kim Hyundai Engineering & Construction Co., Ltd. Do hyung Kim Samsung C&T Corporation Dong Hyun Kim Korea Railroad Research Institute Dong-Gyou Kim Korea Institute of Construction Technology Hyo-Gyu Kim JS G&B Inc Hyun-Cheol Kim Hyundai Development Co., Ltd. Jin-ha Kim KTP Consultants Pte Ltd Jin-Seop Kim Korea Atomic Energy Research Institute Jong Sun Kim Lotte Engineering & Construction ki hwan Kim Sambo Engineering Co., Ltd Kwang Yeom Kim Korea Institute of Construction Technology Kyoung Yul Kim Korea Electric Power Research Institute Nag young Kim Korea Expressway Corporation Young Geun Kim Seoul National University Young Jin Kwon Hoseo University Chang Ho Lee Chonnam National University Dae-Sung Lee Dong-A University Hong Sung Lee Hyundai Engineering & Construction Co., Ltd. Jong Ha Lee Samsung C&T Corporation Jong-Sub Lee Korea University Seok-Won Lee Konkuk University Seong-Won Lee Korea Institute of Construction Technology Hoon-Ki Moon Dasan Consultants Co., Ltd. Eui-Seob Park Inn-Joon Park Hanseo University Hee Hwan Ryu Korea Electric Power Research Institute Myung Sagong Korea Railroad Research Institute Sang Jin Seo Sangjin Engineering & Consultants Joo Hyun Seong Jong-Ho Shin Konkuk University Young jong Sim Korea Land and Housing Corporation (LH) Sang Kyu Sung Lotte Engineering & Construction Chungsik Yoo Sungkyunkwan University Ji-Oh Yoo Shinhan University Yong Ho Yoo Korea Institute of Construction Technology Kwang ho You University of Suwon Sung-Wook Yoon GS Engineering and Construction Seoul National University of Science & Technology Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation

eissn: 2287-4747 pissn: 2233-8292 Vol.16 No.05 September 2014 한국터널지하공간학회논문집 CONTENTS 431 고수압해저터널건설을위한동결공법적용성에관한연구 - 사례를중심으로 - 손영진ㆍ이규원ㆍ고태영 445 터널시공중이상거동예측을위한계측변위의 x-mr 관리도활용윤현석ㆍ송규진ㆍ신영완ㆍ김창용ㆍ추석연ㆍ서용석 459 3 차원수치해석을이용한조기고강도숏크리트지보성능분석김종욱ㆍ김정주ㆍ조영재ㆍ유한규 471 지반구조물안전감시용미소파괴음계측시스템개발천대성ㆍ정용복ㆍ박의섭 487 주방식지하구조물의설계방법고찰 Part I: 매개변수연구이철호ㆍ황제돈ㆍ김은혜ㆍ장수호 497 주방식지하구조물의설계방법고찰 Part II: 지보설계필요단면검토이철호ㆍ허진석ㆍ현영환ㆍ장수호

J of Korean Tunn Undergr Sp Assoc 16(5)431-443(2014) eissn: 2287-4747 http://dx.doi.org/10.9711/ktaj.2014.16.5.431 pissn: 2233-8292 고수압해저터널건설을위한동결공법적용성에관한연구 - 사례를중심으로 - 손영진 1 ㆍ이규원 2 ㆍ고태영 3 * 1 비회원, SK 건설 Infra 기술 2 팀, 부장 2 비회원, SK 건설 Infra 기술 2 팀, 대리 3 정회원, SK 건설 Infra 기술 2 팀, 과장 Studies of application of artificial ground freezing for a subsea tunnel under high water pressure - focused on case histories - Young-Jin Son 1, Kyu-Won Lee 2, Tae Young Ko 3 * 1 Senior Manager, Infra Engineering Team 2, SK Engineering & Construction 2 Junior Manager, Infra Engineering Team 2, SK Engineering & Construction 3 Manager, Infra Engineering Team 2, SK Engineering & Construction ABSTRACT: In this paper case studies of artificial ground freezing, which have not been applied in Korea, have been investigated for the water cut-off in a subsea tunnel under high water pressure and the most commonly used cooling mediums of brine and liquid nitrogen are examined. Since sea water with pressure has the lower freezing point than pure water, the lower temperature cooling medium is required in the application of subsea tunnel. Also, the cooling medium must have refrigeration safety and is able to reduce executing time. Brine freezing system can reuse cooling medium and is safer than liquid nitrogen freezing. But it takes more time to freeze ground and needs complex circulation plants. On the other hand, liquid nitrogen freezing system can t recycle cooling medium and may cause breathing problems or asphyxiation through oxygen deficiency. But, freezing with liquid nitrogen is fast and requires simple refrigeration equipment. Principal elements of design for ground freezing in subsea tunnel have been extracted and these elements are needed further research. Keywords: Artificial ground freezing, Subsea tunnel, Cross-passage, Face, High water pressure, Brine, Liquid nitrogen LN 2 초록 : 본연구는고수압해저터널의차수를위한동결공법적용성평가를위해국내적용사례가없는동결공법의해외시공사례를조사하였으며, 지반동결공법에서보편적으로사용하는냉매인브라인 (brine) 과액체질소 (LN 2) 에대한분석을수행하였다. 고수압조건의해수는순수한물에비하여어는점이더낮기때문에지상에서보다동결시간이더길수있고해저터널과같이폐쇄된공간에서의적용시냉매는안정성을확보할수있어야하고공기단축이가능해야한다. 브라인은재사용이가능하고독성이적어인체에미치는영향이적으나, 동결에상대적으로장시간필요하고동결장비가복잡한특징을가지고있으며, 액체질소는냉매의재사용이불가하며기화시공기중질소농도증가로질식의위험성이있으나, 상대적으로동결시간이짧으며, 동결장비가간단한특징을가지고있는것으로파악되었다. 또한향후추가적인연구가필요한해저터널연결구및막장면주변지반에대한동결공법의주요설계요소를도출하였다. 주요어 : 동결공법, 해저터널, 연결구, 막장면, 고수압, 브라인, 액체질소 *Corresponding author: Tae Young Ko E-mail: tyko@sk.com Received July 16, 2014; Revised July 28, 2014; Accepted August 7, 2014 Copyright c2014, Korean Tunnelling and Underground Space Association This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativescommons.org/license/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

손영진ㆍ이규원ㆍ고태영 1. 서론 최근국내 외에서대륙을연결하는해저터널건설에대한관심이증가하고있다. 국내에서는부산과거제도를잇는가덕해저터널 (3.7 km) 이 2010년에개통되었고대천항~ 원산도간보령해저터널 (6.29 km) 은현재시공중에있으며, 목포~ 제주간해저터널건설계획이구상되는등국내해저터널수요가증가하고있다. 세계적으로도이스탄불의보스포러스 (Bosphorus) 해협을관통하는유럽과아시아를잇는터키유라시아터널이시공중에있으며, 중국랴오닝- 산둥해저터널 (122 km), 러시아의베링 (Bering) 해협해저터널 (104 km) 건설계획등세계해저터널시장의수요도점차적으로증가하고있는추세이다. 해저터널은육지에서의터널과달리지질학적인상태에따라매우높은수압이작용할수있으며, 대규모해수용출및지반변형발생시고수압으로인하여그라우팅 (Grouting) 공법과같은일반적인차수및보강공법적용이어렵다. 따라서, 고수압조건에서도차수및보강이가능한동결공법이대안으로적용될수있다. 동결공법은지반에포함되어있는물을인공적으로동결시켜지반의강도증가와차수를목적으로하는보조공법이다. 본논문에서는전세계적으로수요가증가하고있는해저터널의설계및시공기술확보의일환으로향후추가적인연구를위한고수압해저터널에서의동결공법설계요소를도출하였으며, 이를위해동결공법시공사례를조사하고동결공법에서보편적으로사용하는냉매인브라인 (brine) 과액체질소 (LN 2 ) 에대한분석을수행하였다. 2. 동결공법시공사례 2.1 Westerscheled 터널 Westerscheled 터널은네덜란드남서부의 Zeeland Flande에서 South Beveland까지의연결도로이며, 1998년에착공하여 2003년에완공되었다 (Heijboer et al., 2004). Westerscheled 터널은 2차선병렬터널, 연장 6,600 m로이수식쉴드 (slurry shield) TBM으로굴착되었으며, 6.5 bar의고수압이작용하고클로깅 (clogging) 위험이있는하저연약지반 ( 느슨한모래및점토층 ) 을통과하는터널이다. Westerscheled 터널의연결구 ( 연결구제원 : 단면적 6.25 m 2, 연장 12 m, 250 m 마다설치 ) 는 20~30 m 두께의중간정도느슨한모래에점토, 이탄, 세사등이포함되어있는 (a) (b) Fig. 1. Artificial ground freezing in the Westerscheled tunnel: (a) The configuration of the freeze-pipes around the of cross-passage and (b) The freezing installation and piping (after Heijboer et al., 2004). 432

고수압해저터널건설을위한동결공법적용성에관한연구 - 사례를중심으로 - 연약지반을통과한다. 연결구시공시고수압으로인한하천수용출방지및연약지반보강을위하여 26 개소에지반동결공법을적용하였다. 동결공법의냉매로브라인을사용하였으며, 94 kw 용량의냉각기를사용하여 37 C의온도를유지하였다. 냉각기를비롯한동결장비는긴배관으로인한열손실을방지하기위하여동결공법을적용하는연결구가까이에설치되었다. 동토 ( 凍土 ) 의최소두께는 2m이며, 연결구주위의지반으로냉매를주입하기위하여연결구굴착선주위에 1 m 간격으로동결파이프 (freezing pipe) 를설치할공 ( 孔 ) 의위치를선정하고막장면에서수평방향으로천공후동결파이프를삽입하였다. 연결구 1개소당 22 개의동결파이프, 온도측정을위한온도측정구 (temperature hole) 2공이설치되었다 (Fig. 1). 연결구주위의원하는영역만큼의지반만동결시키기위해서는적정온도유지가필요하다. 특히, 본선터널과연결구교차부에설치된강재세그먼트는동토와접하여있고열전달성이높아동토와열교환이발생하고이로인하여동토의온도가상승하여동토가설계된대로형성되지않을가능성이있다. 이러한현상을방지하고자드라이아이스 (dry ice) 를이용하여강재세그먼트의온도를저온으로유지하였으며, 강재세그먼트가설치된부분외연결구주위지반에는지반내에임시공간을굴착하여지반내공기의온도를낮추어주었다. 이러한시공관리를통하여 Westerscheled 터널의모든연결구에서설계된대로동토를형성할수있었다. 2.2 Fürth Subway Line U1 Stadthalle ~Klinikum 구간 ( 이하 Fürth Subway) 독일 Fürth시의 Stadthalle역과 Klinikum역사이구간은 Fürth Subway Line U1의연장구간의일부이며, 2002년에완공되었다. 당구간의터널은단선병렬터널로연장은 1,300 m이며 NATM 공법으로굴착되었고주로풍화암과침전물로구성된지반을통과한다 (Pimentel et al., 2011). Stadthalle역과인접한 Rednitz Valley 구간은모래및연약지반으로구성되어있고지상에는역사적 문화적가치가큰건물이위치하고있어시공시주의가필요한것으로판단되었으며, 터널굴착시지하수용출, 지표침하방지를목적으로 56 m에이르는구간에지반동결공법을적용하였다. 동결공법의냉매로브라인을사용하였으며, 2개조의동결장비를운영하였고사용한냉각기의용량은 465 kw이다. 동결공법을적용한터널단면의상반은대수층이고하반은암반이므로동토는상반대수층에만형성하였으며, 동토의두께는 1 m이다. 3차원열-수리연동수치해석을수행하여온도분포양상및동토의형성을 Fig. 2와같이분석하였다. 이를바탕으로동결파이프를 Fig. 3과같이배치하였으며, 정거장의수직 (a) (b) (c) Fig. 2. The predicted temperature field around the tunnels at three time points: (a) 7 days, (b) 13 days, and (c) 28 days (after Pimentel et al., 2011). 433

손영진ㆍ이규원ㆍ고태영 2.3 DTSS(Deep Tunnel Sewerage System) 4 공구 Ang Mo Kio 터널 ( 이하 DTSS 4 공구 ) Fig. 3. The configuration of freeze pipe around the tunnel (after Pimentel et al., 2011). 구에서수평방향으로천공하여동결파이프를동결대상지반에삽입하였다. 1단면당동결파이프 23개, 온도측정을위한온도측정구가터널방향과수평으로 8개, 수직으로 5개가설치되었다. 싱가포르 1차하수관로망총 48.1 km 공사중제 4공구로싱가포르중부 Ang Mo Kio 지역에위치하며, 당공구의 Ang Mo Kio 터널은연장 7,274 m로토압식쉴드 (EPB shield) TBM으로굴착되었다 (Itoh et al., 2005). Ang Mo Kio 터널의전구간은지표면하부 30~40 m 심도의고속도로하부를통과하고대부분의지반은충적층의단단한지반으로구성되어있으나, 충적층상부는점토등연약한지반이존재한다. 이연약층은싱가포르현지에서 Kallang formation 이라통칭한다. TBM 장비의커터 (cutter) 교체및고속도로및하천하부통과전장비점검을위하여굴진을멈추고 TBM 장비앞부분에위치한커터챔버 (cutter chamber) 에작업자가진입해야하나, TBM 장비가정지한지점의터널상부에는초연약층이존재하고막장으로부터커터챔버내로다량의지하수가유입되어커터교체및장비점검에어려움이발생하였다. 이에막장면차 Fig. 4. Design of frozen soil (after Itoh et al., 2005). 434

고수압해저터널건설을위한동결공법적용성에관한연구 - 사례를중심으로 - 수와터널상부의붕락방지를위한보강방안을검토하였으며, 지반동결공법을보강방안으로선정하였다. 동결공법의냉매로는액체질소를사용하였으며, Fig. 4와같이폭 7.3 m, 높이 7.45 m, 연장 4.6 m의동토가형성되고동결완료시동토의일축압축강도는 150~200 kg/cm 2, 커터챔버내온도는 -20 C를유지하도록설계하였다. 동결파이프는 42공, 간격은 0.9 m이며, 지상에서동결이필요한심도까지수직천공하여 150 mm PVC 파이프를설치후그속에동결파이프를삽입하였다. 또한, 온도측정을위하여온도센서를동토외부에 3개, 내부에 1개, 총 4개를설치하여동토의온도를관리하였다. 2.4 Naples subway-line 1 Platform tunnel of the Università Station ( 이하 Naples subway) 이탈리아 Naples시의 Università Station은 Naples subway-line 1의연장구간인 Piazza Dante 와 Centro Direzionale 구간상에위치한정거장으로 1993년에완공되었다 (Pimentel et al., 2011). Naples Subway-Line 1의연장구간은매우번화한도심지로작업공간의확보가용이치않다. 따라서정거장시공시개착 (cut and cover) 공법적용이불가하다. 이에연장구간내위치하는정거장시공시 Fig. 5와같이정거장중앙 (a) (b) Fig. 5. Naples subway: (a) Isometric view of Università station and (b) plan view of the T1 tunnel (after Pimentel et al., 2012). 435

손영진ㆍ이규원ㆍ고태영 위치에수직구를굴착하여수직구로부터양방향으로본선궤도와연결되는플랫폼 (Platform) 터널을굴착하고플랫폼으로이동하는에스컬레이터를설치할수있도록플랫폼터널양쪽바깥으로경사터널을굴착하였다. 터널굴착은 NATM 공법을적용하였다. Università Station 역시위와동일한방법으로시공되었으며, 깊이 30 m, 폭 40 m, 길이 20 m의수직구, 연장 48 m의플랫폼터널 4개소및에스컬레이터시설이위치할경사터널 4개소로구성된다. Università Station 구간은불규칙한수직방향의균열이상당히발달하여굴착시지하수유출가능성이높은응회암이플랫폼터널깊이에분포하고있다. 또한, 해안과인접하여있어지표면까지지반이포화되어있다. 이에 Università Station의플랫폼터널굴착시지하수유출을방지하기위한차수보강이필요하며, 차수보강방안으로지반동결공법을선택하였다. 동결공법의냉매로액체질소를사용하였으며, 동결파이프에주입시액체질소의온도는 -196 C이며, 동결파이프에서배출시기화된질소의온도는 -60~ -100 C가되도록액체질소주입압력을유지하였다. 터널주변으로 1 m 두께의동토가형성되고온도는 -10 C 이하를유지하도록동결공법을설계하였다. 동결파이프는길이 50 m로 Fig. 6과같이배치하였으며, 정거장의수직구에서수평방향으로천공하여동결파이프를동결대상지반에삽입하였다. 동결파이프의길이는 50 m로플랫폼터널의연장 48 m 전체를아우른다. 동결파이프를삽입할공 ( 孔 ) 은정거장의수직구에서수평천공으로굴착되었다. 동결파이프의길이가 50 m이므로천공길이가상당히긴편이며, 이러한장공천공시수평도를맞추기가어려우므로모든홀이평행이되게천공하는것은사실상불가능하다. 장공천공으로인한오차의허용범위는천공길이의 0.5% 이며, 당사례의경우, 오차허용범위는 0.25 m이다. 설계상동결파이프간의간격은 0.75 m이나, 인접한 2개의동결파이프가서로마주보는 방향으로수평도가어긋났을경우, 천공길이 50 m 지점에서는인접한동결파이프와의간격이최소 0.25 m로 0.75 m의 3분의 1까지좁아질수있다. 따라서장공천공으로인한오차를동결파이프간간격에반영하여동결파이프를 1.25 m 간격으로배치하였다. 플랫폼터널 1개소당동결파이프 55개, 온도측정을위한온도측정구 11개가설치되었다. Fig. 7은실제동결된막장면의모습이다. Fig. 6. Initial cross section A-A (cf. Fig. 5) with the installed freeze pipes, the thermometer chains and the excavation profile of the T1 tunnel (after Pimentel et al., 2012). Fig. 7. Face with freezing of a substantial thickness of ground (after Colombo et al., 2008). 436

고수압해저터널건설을위한동결공법적용성에관한연구 - 사례를중심으로 - 2.5 기타사례 동결공법이적용된사례이기는하나 TBM 에의한 굴착이아니거나, 본연구와의유사성이낮은시공사례를 Table 1부터 4까지요약하여정리하였다. Table 1. Under-crosssing of the river Limmat in Zurich (after Pimentel et al., 2012). Division Contents Excavation Method NATM Geological conditions gravel, deposits, glacial till, molasse Section applied ground freezing Main tunnel across river section Refrigerant Brine Construction method Insert a frozen pipe by horizontal drilling at the shaft Uniqueness Sheet pile installation on the side of the tunnel in order to prevent heat exchange with bottom of the river Table 2. Subway section 3.4H, Dϋsseldorf in Germany (after Haß and Schäfers, 2005). Division Contents Excavation Method NATM Geological conditions sand, gravel Section applied ground freezing Top of the tunnel across lower of the building Refrigerant Brine Construction method Insert a frozen pipe by horizontal drilling at the tunnel face Uniqueness Ground freezing applied by injection water into the unsaturated soil above the water table Table 3. Fahrlach tunnel, Mannheim in Germany (after Haß and Schäfers, 2005). Division Contents Excavation Method NATM Geological conditions fill layer, sand, gravel Section applied ground freezing Cross passage Refrigerant Brine Construction method Insert a frozen pipe by horizontal drilling at the tunnel face Uniqueness 1. Ground freezing applied by injection water into the unsaturated soil above the water table 2. Erouting injection in frozen soil in order to maintain an appropriate flow rate Table 4. Rehabilitation of a jet grouted seal block, Fernbahn tunnel Lot 3, Berlin in Germany (after Haß and Schäfers, 2005). Division Contents Excavation Method TBM Geological conditions sand, gravel Section applied ground freezing Shaft for TBM Refrigerant Brine Construction method Insert a frozen pipe by vertical drilling at the ground Uniqueness Ground freezing applied for prevent water inflow and sediment run off during removing the concrete caisson wall for TBM. 437

손영진ㆍ이규원ㆍ고태영 3. 동결공법냉매 고수압조건의해수는순수한물에비하여어는점이더낮다. 이유는해수가순수한물에비하여어는점이약 2 C 정도낮고, 대기압하에서의어는점보다고수압하에서의어는점이더낮기때문이다. 따라서기존지상에서의동결공법시공시사용하는냉매보다더저온의냉매가필요하다. 또한, 해저터널과같이응급상황발생시접근이어려운공간에서의동결공법시공시냉매는안정성을확보할수있어야하며, 해수용출과지반변형으로인한터널의손실을최소화하기위하여신속한지반보강및차수가가능해야한다. 즉, 극저온, 안정성, 그리고빠른동결속도를모두만족하는최적의냉매를선정하는것이고수압해저터널에적용하는동결공법의중요한요소이다. 국외동결공법의사례연구를통해서동결공법분야에서보편적으로사용되는냉매는브라인과액체질소로파악되었으며, 브라인과액체질소에대한조사및상기동결공법국외사례를통한분석을수행하였다. 3.1 브라인브라인은 2차냉매로일반적인냉매와같이냉각대상과직접적으로열교환을하여상변화를하지않고냉동시스템외부를순환하며간접적으로열을운반하는매개체이다. 브라인은무기질브라인과유기질브라인으로분류된다. 무기질브라인은탄소를포함하지않은브라인으로염화칼슘 (CaCl 2), 염화나트륨 (NaCl), 염화마그네슘 (MgCl 2 ) 등이있으며, 유기질브라인은탄소를포함하는브라인으로에틸렌글리콜 (C 2H 6O 2), 프로필렌글리콜 (HOC 2H 3(CH 3)OH), 에틸알코올 (C 2 H 5 OH) 등이있다. 브라인중무기질브라인인염화칼슘브라인은독성이적고생산이쉬워산업분야에서가장널리이용된다. 염화칼슘브라인의끓는점은 -55 C이며, 냉매로사용시가용온도는 -25 C~-35 C이다. 브라인을지반동결공법냉매로사용시필요한장비는냉각기, 압축기, 응축기, 냉각탑및순환펌프이며, 브라인을냉각기에서 -20~-30 C 정도로냉각시킨후, 순환펌프로지중에매설된강관으로보내고 Fig. 8. Brine freezing (after Haß and Schäfers, 2005). 438

고수압해저터널건설을위한동결공법적용성에관한연구 - 사례를중심으로 - 지반과브라인의열교환을통하여지반을동결시킨다 (Fig. 8). 지반으로부터열을빼앗아온도가높아진브라인이냉각기로돌아와냉각되고다시강관으로보내지는순환과정을반복하여원하는범위만큼지반을동결시킨다. 지반동결공법적용시일반적으로지하수유속, 동결지반체적, 지반동결필요기간, 지반동결구간에따라사용할냉매를결정한다. 브라인은일반적으로지하수유속 2 m/day 이하, 동결지반의체적 200~ 35,000 m 3, 지반동결기간 3~12주, 지반동결구간수직갱, 수평갱, 터널천단부등의조건에서동결공법냉매로사용한다 (Harris, 1995, Table 5에서요약 ). 브라인은동결시순환과정의특성상냉매의재사용이가능하여지반동결공법에적용시재료비를절감할수있고앞서언급하였듯이독성이적어인체에미치는영향이미미하다는장점이있다. 하지만, 다른냉매에비하여온도가낮아지반을동결하는데상대적으로긴시간이소요되고순환과정상대형플랜트 (Plant) 가필요하므로장비의구성이복잡하다. 3.2 액체질소액체질소는공기중의질소를액화한것으로, 다양한산업분야에서냉매로사용하고있으며, 초대형냉동창고, 산업폐기물의동결및분쇄, 원자력발전의고온가스냉각재, 초전도마그네트의냉각재등다방면에이르는기술개발이진행되고있다. 하지만, 폐쇄된공간에서액체질소를냉매로사용시냉각대상과열교환후방출되는질소가스때문에공기중의질소농도가높아져질식의위험성이존재하므로액체질소사용시주의를요한다. 액체질소의끓는점은 -196 C, 어는점은 -210 C로냉매로사용시액체질소가용온도는 -196~-210 C 이다. 액체질소를지반동결공법의냉매로사용시탱크로리 (tank lorry) 에의해운반된액체질소를직접지중에매설된강관으로보내고브라인과마찬가지로지반과액체질소사이의열교환을통하여지반을동결시킨다 (Fig. 9). 지반으로부터열을빼앗아기화된질소가스는대기중으로배출된다. 액체질소는일반적으로지하수유속 20 m/day 이 Fig. 9. Liquid nitrogen LN2 freezing (after Haß and Schäfers, 2005). 439

손영진ㆍ이규원ㆍ고태영 하, 동결지반체적 200 m 3 이하, 지반동결기간 1주이하, 지반동결구간 TBM 발진 도달수직구, 교차연결부등의조건에서동결공법냉매로사용한다 (Harris, 1995, Table 5에서요약 ). 액체질소는브라인에비하여온도가낮아지반동결시간이상대적으로짧고순환과정이간단하여동결에필요한장비가간단하다는장점이있다. 하지만, 냉매의재사용이불가하고앞서언급하였듯이기화시공기중의질소농도가증가하여밀폐된공간에서작업자가질식할수있는위험성이존재한다. 3.3 브라인과액체질소비교 분석 Table 5에상기서술한기존동결공법냉매연구에서조사된브라인과액체질소일반적인적용조건및특징을요약 비교하였다. 또한, 동결공법냉매의일반적인적용조건및특징과동결공법사례연구를통하여냉매선정시고려사항을도출하였다. 동결공법사례연구를통하여냉매선정의공통점을분석한결과, 환기조건에따라환기가원활한조건일경우액체질소, 환기가원활하지않은조건일경우브라인을동결공법냉매로선정했음을알수있었다. 브라인을동결공법냉매로사용한 Westersceled 터널과 Fürth subway 의경우, Westersceled 터널은하저터널이며, Fürth subway는동결공법을적용한구간상부에역사적 문화적가치가큰건물이 위치하고있다. 두사례모두터널중간에환기를위한수직구설치가불가하여환기에불리한조건이다. 따라서, 환기가용이치않은공간에서질식의위험성및인체유해성이적은브라인을동결공법의냉매로사용하였다. 한편, 액체질소를동결공법냉매로사용한 DTSS 4공구와 Naples subway의경우, DTSS 4공구는지상에서동결공법을수행하였으며, Naples subway는동결공법을적용한플랫폼터널중간에정거장수직구가존재하고수직구와연결된경사터널과플랫폼터널이서로연결되어있어두사례모두환기에유리한조건이다. 따라서, 작업자가질식의위험성으로부터안전한조건이므로브라인에비하여동결속도가빨라신속한지반차수및보강이가능한액체질소를냉매로사용하였다. 이외 Table 5와같이기존의동결공법냉매연구에서지하수유속, 동결지반체적, 지반동결기간, 지반동결구간과같은냉매별적용조건을제시하였지만, 동결공법사례를분석한결과, 제시된모든조건을고려하여냉매를선정한경우는없었다. 이는최적의냉매를선정할시기존동결공법냉매연구에서제시한냉매별적용조건과더불어작업공간, 경제성, 냉매조달등현장의다양한외적요인을고려하였기때문이다. 브라인과액체질소의동결공법냉매로써의일반적인적용조건및특징조사와동결공법사례연구를통하여냉매의적용성을비교 분석한결과, 최적의 Table 5. Comparison of brine and liquid nitrogen LN 2 Division Brine Liquid Nitrogen Flow rate of ground water Below 2 m/day Below 20 m/day Volume of frozen soil 200~35,000 m 3 Below 200 m 3 Freezing period 3~12 weeks Below 1 week Frozen section Vertical tunnel, Horizontal tunnel, Top of tunnel Shaft for TBM, Cross Passage Features 1. Available reusing refrigerant 2. Less toxic 3. Require a long time for freezing 4. Require complex freezing equipment (Require large plants) 1. Impossible reusing refrigerant 2. When liquid nitrogen is vaporized, nitrogen concentration in the air is increased. So, There is risk of suffocation 3. Relatively, require a short time for freezing 4. Relatively, simple freezing equipment 440

고수압해저터널건설을위한동결공법적용성에관한연구 - 사례를중심으로 - 동결공법냉매를선정하기위한최우선고려사항은작업자의안전을확보할수있는환기조건이며, Table 5와같이기존동결공법냉매연구에서제시한지하수유속, 동결지반체적, 지반동결기간, 지반동결구간과같은일반적인조건은작업공간, 경제성, 냉매조달등의다양한외적요인을함께고려하여야한다. 4. 고수압해저터널동결공법설계요소 해저터널에서본선터널사이에일정간격으로설치되는연결구굴착과본선터널 TBM 굴진중커터점검및교체에따른굴진정지는해저터널전체공사기간에큰영향을미칠수있는요소이다. 공사기간에대한영향이큰연결구및막장면에서대규모해수용출및지반변형이발생할경우, 공기지연으로인한경제적손실은물론터널의전반적인안정성을저해할수있으므로신속히효과적인차수및보강공법을적용하여야한다. 그러나, 해저터널과같은고수압조건에서는그라우팅공법과같은일반적인차수및보강공법은고결제를지반으로주입하는압력이수압보다작을경우, 공법적용이불가하다. 따라서, 고수압의해저터널에서는그라우팅공법대신주입압력에대한제한이적은동결공법이효과적인차수및보강공법이될수있다. 고수압해저터널의연결구주변및 TBM 막장면에동결공법을적용하기위하여국외동결공법사례및동결공법냉매조사 분석을통하여동결공법주요설계요소 5가지를도출하였다. 첫째설계요소는동결범위선정이다. 동결범위선정을위해서는지반조건을고려한동토의목표지반강도를정하는것이필수이다. 목표지반강도발현을위하여동토의두께및단면을정한후동결대상구간의연장이나수에따라전체동결범위를선정할수있다. DTSS 4공구에서는지반의목표일축압축강도를 150~200 kg/cm 2 으로설정하고이를발현시키기위한폭 7.3 m, 높이 7.45 m, 연장 4.6 m의동결범위 를선정하였다. 이밖에도 Westerscheled 터널, Fürth subway, Naples subway 역시목표지반강도발현을위하여동토의두께및단면을설정하였다. 둘째설계요소는동결온도선정이다. 동결온도선정을위해서는전체공사기간을고려한동토의목표지반강도유지기간을정하는것이필수이다. 목표지반강도유지기간을정한후동결기간동안동토를동결시키고동결상태를유지할수있는최적의동결온도를선정하여야한다. DTSS 4공구및 Naples subway에서는동토의동결온도를각각 -20 C( 커터챔버온도 ), -10 C 로설계하여동결기간동안동토를유지하였으며, 온도측정구를설치하여동결온도유지를위한모니터링을수행할수있도록하였다. DTSS 4공구및 Naples subway를비롯한 Westerscheled 터널과 Fürth subway 역시동토의온도를모니터링할수있도록온도측정구를설계에반영하였다. 셋째설계요소는냉매선정이다. 동결공법냉매선정시최우선으로고려하여야할사항은작업자의안전이다. 해저터널과같이환기구또는환기설비설치가어렵거나위급한상황에서구조를위한접근이어려운조건에서는냉매의인체에대한유해성을고려하여야한다. 환기에불리한조건인 Westerscheled 터널과 Fürth subway의경우, 질식의위험성이없고인체유해성이적은브라인을냉매로사용하였으며, 환기에유리한조건인 DTSS 4공구와 Naples subway 의경우, 작업자가질식의위험성에서안전할수있어브라인보다동결속도가빨라신속한지반차수및보강이가능한액체질소를냉매로사용하였다. 이와같이냉매선정시작업자의안전을우선적으로확보한후 Table 5에서제시한동결범위, 동결온도, 지하수유속과같은일반적인냉매별적용조건이고려되어야하며, 추가적으로작업공간, 경제성, 냉매조달등현장의외적요인이함께고려되어야한다. 넷째설계요소는동결공배치이다. 동결공을적정수준보다조밀하게배치하면, 냉매투입이과다해져재료비가증가할수있으며, 동결공을적정수준보다 441

손영진ㆍ이규원ㆍ고태영 넓게배치하면, 원하는만큼의동토형성이어렵다. Fürth subway의경우, 3차원열-수리연동해석으로시간별지반의온도분포양상을분석하여동결공의간격을정하였으며, 정확한지반조사를통해상반대수층에만동토를형성하도록동결공을배치하였다. 또한, Naples subway 는동결공이 50 m 이상의장공으로천공시수평도가어긋나발생할수있는시공오차를동결공배치에반영하였다. 이와같이효율적인동결공배치를통하여재료비절감및시공에서발생할수있는오차를극복할수있다. 다섯째설계요소는동토의열교환방지이다. 동토와인접한곳에열전도율이높은구조물이나지보재가존재할경우, 동토와구조물이나지보재사이에열교환이발생하여동토의온도가상승할수있다. 따라서, 열전도율이높은구조물이나지보재가동토와인접한곳에설치될경우, 열교환을방지하기위한조치를취하여야한다. Westerscheled 터널의경우, 본선터널과동결공법을적용한연결구의교차부에설치된강재세그먼트와동토사이에열교환이발생할것에대비하여드라이아이스를이용하여강재세그먼트의온도를저온으로유지하였다. 5. 결론 해저터널은육지에서의터널과달리고수압이작용하여터널내해수용출및지반변형이발생할수있으며, 이를일시적으로차수할수있는동결공법을적용하여문제를해결할수있다. 본연구에서는향후해저터널에적용할수있는동결공법설계요소도출을위하여국내적용사례가없는동결공법의국외사례를조사하였고동결공법에보편적으로사용하는냉매에대한검토를수행하였다. 주요한연구결과를요약하면다음과같다. 1. 동결공법은하저터널교차연결구, 터널천단그리고 TBM 디스크커터점검및교체등다양한분야에적용되고있으며, 주로사용되는냉매는브라인 과액체질소이다. 2. 고수압조건의해수는순수한물에비하여어는점이더낮기때문에지상에서사용하는냉매보다저온의냉매가필요하다. 또한, 해저터널과같이환기구설치가어렵고굴착이진행되어감에따라막장으로의접근길이가길어지는경우, 냉매는최우선으로안정성을확보할수있어야하며, 해수용출및지반변형으로인한터널의손실을최소화하기위하여신속한보강이가능할수있도록동결속도가빨라야한다. 3. 브라인은냉매의재사용가능하고독성이적어인체에미치는영향이적으며, 동결에상대적으로장시간필요하고동결장비가복잡한특징을가지고있다. 또한, 환기가용이하지않은조건에서는작업자의안전을확보하기위하여질식위험성이없는브라인을동결공법의냉매로사용한다. 액체질소는냉매의재사용이불가하고기화시공기중질소농도증가로질식의위험성이있으며, 동결에상대적으로단시간소요되며, 동결장비가간단한특징을가지고있다. 또한, 환기가용이한조건에서는작업자가질식위험성으로부터안전하므로신속한동결이가능한액체질소를동결공법의냉매로사용한다. 4. 해저터널에필요한동결공법의주요설계요소는동결범위및동결온도선정, 냉매선정, 동결공배치, 동토의열교환방지, 이상 5가지가도출되었으며, 동결공법에대한 T-H-M 수치해석모델개발, 모형동결실험및동결공법현장실증실험등을통하여도출한설계요소들에대한향후추가적인연구가필요한것으로판단된다. 감사의글 본연구는국토교통부건설교통과학기술진흥원의건설기술연구사업 ( 고수압초장대해저터널기술자립을위한핵심요소기술개발, 13건설연구T01) 의지원으로수행되었으며이에깊은감사를드립니다. 442

고수압해저터널건설을위한동결공법적용성에관한연구 - 사례를중심으로 - References 1. Colombo, G., Lunardi, P., Cavagna, B., Cassani, G., Manassero, V. (2008), The artificial ground freezing technique application for the Naples underground, Proceedings of Word Tunnel Congress 2008 on Underground Facilities for Better Environment and Safety, Agra, India, pp. 910-921. 2. Haß, H., Schäfers, P. (2005), Application of ground freezing for underground construction in soft ground, Proceedings of the 5th International Symposium TC28, Amsterdam, The Netherlands, pp. 405-412. 3. Harris, J.S. (1995), Ground Freezing in Practice, Thomas Telford, London, p. 264. 4. Heijboer, J., Hoonaard, J., Linde, F.W.J. (2004), The Westerschelde Tunnel: Approaching Limits, A.A. Balkema, The Netherlands, p. 292. 5. Itoh, J., Lee, Y.S., Yoo, S.W, Lee. S.D. (2005), Ground freezing improvement for TBM maintenance in singapore, Proceedings of the International World Tunnel Congress and the 31st ITA General Assembly, Istanbul, Turkey, pp. 471-476. 6. Pimentel, E., Papakonstantinou, S., Anagnostou, G. (2011), Case studies of artificial ground freezing simulations for urban tunnels, Proceedings of Word Tunnel Congress 2011 on Underground spaces in the service of a sustainable society, Helsinki, Finland, pp. 459-468. 7. Pimentel, E., Papakonstantinou, S., Anagnostou, G. (2012), Numerical interpretation of temperature distributions from three ground freezing applications in urban tunneling, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 28, pp. 57-69. 443

J of Korean Tunn Undergr Sp Assoc 16(5)445-458(2014) eissn: 2287-4747 http://dx.doi.org/10.9711/ktaj.2014.16.5.445 pissn: 2233-8292 터널시공중이상거동예측을위한계측변위의 x-mr 관리도활용 윤현석 1 ㆍ송규진 2 ㆍ신영완 3 ㆍ김창용 4 ㆍ추석연 5 ㆍ서용석 6 * 1 정회원, 충북대학교지구환경과학과박사과정 2 비회원, 충북대학교지구환경과학과석사과정 3 정회원, 하경엔지니어링사장 4 정회원, 한국건설기술연구원 Geo-인프라연구실연구위원 5 정회원, 단우기술단대표이사 6 정회원, 충북대학교지구환경과학과교수 Application of x-mr control chart on monitoring displacement for prediction of abnormal ground behaviour in tunnelling Hyun-Seok Yun 1, Gyu-Jin Song 2, Young-Wan Shin 3, Chang-Yong Kim 4, Seok-Yeon Choo 5, Yong-Seok Seo 6 * 1 Chungbuk National University, Dept. of Earth and Environmental Sciences, Ph. D Student 2 Chungbuk National University, Dept. of Earth and Environmental Sciences, Graduate Student 3 Hakyong Engineering, President 4 Geotechnical Engineering Research Division, Korea Institute of Construction Technology, Research Fellow 5 Danwoo E&C, President 6 Chungbuk National University, Dept. of Earth and Environmental Sciences, Professor ABSTRACT: The displacement data monitored during tunnel construction play a crucial role in predicting the behaviour of ground around and ahead of excavation face. However, the management criteria for monitoring data are not well established especially for the reliable analysis on varying aspect of displacement data along with chainage. In this study, we evaluated the applicability of x-mr control chart method, which is kind of applied statistical management method, for the analysis of displacement monitoring data in terms of prediction of possible collapse or induced cracks. As a result, a possible abnormal behaviour could be predicted beforehand at 5 ~ 13 m ahead or on at least one day before it occurred by using x-mr control chart method. In addition, it is noted that the moving range for the x-mr control chart should be set to 5~10 for this purpose. Keywords: Measurment, Control criteria, Abnormal behavior, x-mr control chart, Control limit, Displacement 초록 : 터널시공중측정된계측데이터는굴진면전방에분포하는지반과터널거동을예측하는데있어중요한요소이다. 그러나현장에서측정된계측데이터의변동성을객관적으로분석할수있는관리기준이명확하게설정되어있지않다. 본연구에서는응용통계관리기법의일종인 x-mr 관리도기법을이용하여시공중붕괴또는구조물균열등을발생시키는현장의계측데이터를분석하고분석기법의적용성을검토하였다. x-mr 관리도를통해관리한계선을설정하여분석한결과, 붕괴발생전약 5~13 m 이전에이상거동에대한예측이가능하였으며, 시간에따른변위의분석결과, 최소 1일전에예측이가능하였다. 또한, x-mr 관리도작성시이동범위 (k) 는 5~10 으로설정하는것이이상거동예측에적절한것으로판단된다. 주요어 : 계측, 관리기준, 이상거동, x-mr 관리도, 관리한계선, 변위 *Corresponding author: Yong-Seok Seo E-mail: ysseo@cbu.ac.kr Received August 22, 2014; Revised September 12, 2014; Accepted September 15, 2014 Copyright c2014, Korean Tunnelling and Underground Space Association This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativescommons.org/license/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

윤현석ㆍ송규진ㆍ신영완ㆍ김창용ㆍ추석연ㆍ서용석 1. 서론 터널굴착중구조물의상태및안정성을확인하는방법에는해석 ( 역해석 ) 적방법과지반정보, 지보정보, 굴착방법등과같은시공실적과시공중획득하는계측데이터를활용하여변위의절대치와속도등을파악하는방법이있다 (The Japanese Geotechnical Society, 1999). 굴착중측정된계측변위에대한분석은전문가의경험과분석등을통해종합적으로이루어지지만, 정량적인판단기준을제시하는데한계가있다. 특히동일한시공현장이라도터널내분포하는지반의공학적특성은구간별로다양하며, 각구간별설치되는지보재의종류및보강범위가다르기때문에계측시발생되는변위의크기도달라진다. 또한굴착이진행됨에따라획득되는변위의변동이미세하거나점진적으로발생하는경우지반의이상거동에대한예측에실패하여사고로이어지는경우가있다. 이러한이유로 Kim (2008) 은터널시공중획득한굴진면의 RMR과내공변위계측결과를비교하여지질상태의변화가터널의거동에미치는영향을분석하였으며, Park et al. (2008) 은시공중획득한내공변위와천단침하를분석하여한계변형률개념을이용한터널의안정성평가방법을제시하였다. 또한, Yim and Seo (2009) 는관리도기법을통해굴착후측정된변위의수렴여부를판단하여터널의안정화시점을결정하는연구를수행하였고, Yim et al. (2010) 은 RMR 인자에대해관리도기법을적용함으로써굴진면전방의단층대를예측하는방법에대해분석한바있으며, Yun et al. (2014) 은수치해석을통해굴진면전방에분포하는단층대예측을위해 x-rs 관리도기법을이용한방안을제시한바있다. 터널구조물이외에도계측변위에대한분석을위해 Kwon et al. (2008) 은통계관리이론을적용하여비탈면에서의계측데이터분석시스템을발표한바있다. 한편, Kim et al. (2010) 은미세변동감지를위해공정 관리도의연구동향을분석하여각각의통계관리기법에대한적용성과활용방안에대해발표한바있다. 본연구에서는터널현장에서활용할수있는객관적이고정량적인관리기준을수립하기위해응용통계기법인 x-mr 관리도를이용하여실계측데이터의변화양상을분석하였다. 시공중붕괴또는구조물의균열이발생된터널에서측정한계측데이터를이용하여 x-mr 관리도를작성하였으며, 각관리도대한관리한계선을설정함으로써붕괴발생전변위의변동을분석하여이상거동에대한예측이가능한지검토하였다. 또한관리도작성을위한분석구간의범위에따른관리한계선의유효성을비교함으로써관리도기법의활용방법을제시하였다. 2. x-mr 관리도 2.1 관리도의기본개념 Shewhart (1924) 에의해창안된관리도는통계적품질관리기법중하나로모든데이터가정규분포를한다는가정하에공정중발생되는데이터의이상징후를판별하기위한방법이다. 즉, 정규분포를이루는데이터의평균을 μ, 표준편차를 σ라한다면, 분포함수는평균 μ를중심으로좌우대칭을이루며, 산포의정도는 σ에의해결정된다. 여기서, μ와 σ에대해확률론적인방법을이용하여공정의안정상태를평가하는것이관리도의기본개념으로중심선을기준으로 3σ의관리한계선인관리상한선 (UCL, upper control limit) 과관리하한선 (LCL, lower control limit) 을설정하여공정중획득한데이터를점으로찍어나가면서관리한계선을이탈하는점이발생하면이상상태로판단하게된다. 관리한계선은이러한이상상태를용이하게파악하기위해설정한기준선으로공정중획득되는데이터가 μ-3σ x μ+3σ 범위내에분포할확률은약 99.7% 이다 (Fig. 1). 446

터널시공중이상거동예측을위한계측변위의 x-mr 관리도활용 2.2 x-mr 관리도 x-mr 관리도는 x 관리도와 MR (moving range) 관리도를병행하여사용하는것으로공정의평균과산포를동시에관리하기위한목적으로이용된다. x 관리도는개개의측정값 (x) 을이용하여공정을관리하는것으로 1회에 1개의측정값밖에얻을수없거나측정값을얻는데시간이나경비가많이들어정해진공정으로부터현실적으로 1개의측정값밖에얻을수없을때사용하는방법이다. 이경우에 x 관리도와병행하여 MR 관리도를동시에사용하는데이것을 x-mr 관리도라고하며, MR 관리도는이동범위관리도로공정의산포 σ를관리할때이용되는방법이다 (Park and Park, 2013). 본연구에서는터널시공중획득한계측변위가측정값이되며, 1회계측마다 1개의측정값을얻으므로 x-mr 관리도를이용하는것이타당하다. 2.3 관리한계선설정 x 관리도의관리한계선은 Fig. 1과같이 μ±3σ로결정되지만, 터널시공중에는공정특성상시공이완료되기전까지공정전체의변위에대한평균값 (μ) 과표준편차 (σ) 를알수없다. 따라서시공중에획득한 n개의계측변위의 μ와 σ는추정값, 을사용하며, 본연구에서의 x-mr의관리도작성방법은다음과같다. (1) 계산 : 시공중획득된 n개계측변위 (x) 의추정평균 를계산한다. (2) MR 계산 : Fig. 2와같이계측변위 (x) 에대한이동범위 (k) 를설정하여범위내의최대변위값과최소변위값의차이를계산한다. MR 의값은 k에따라달라진다. max min (3) 계산 : MR의평균을계산한다. 여기서 MR의수는 n-k+1이된다. (4) 관리한계선계산 : 계측변위 (x) 와 MR 값으로부터계산된평균을이용하여중심선 (CL), 관리 Fig. 1. Schematic representation of the control chart method 447

윤현석ㆍ송규진ㆍ신영완ㆍ김창용ㆍ추석연ㆍ서용석 상한선 (UCL), 관리하한선 (LCL) 을계산한다. 여기서, 중심선 (CL) 은평균값으로 x 관리도는, MR 관리도는 을사용한다. 한편, MR에대한평균값 과표준오차 σ (MR) 는정규분포인경우에관리도용계수인 d 2 와 d 3 로표현될수있다. 관리도용계수는통계학에서품질관리를위해정한상수로서이동범위 (k) 에따라값이달라지며, 본연구에이용된 k에따른관리도용계수 d 2 와 d 3 는 Table 1과같다. 1 x 관리도의관리한계선 CL= UCL=μ+3σ +3 = +3( ) LCL=μ-3σ -3 = -3( ) 2 MR 관리도의관리한계선 CL= UCL=μ+3σ, LCL=μ-3σ (a) k=2 (b) k=3 Fig. 2. The calculation method of a MR value in the control chart method (modified after Yim et al., 2007) Table 1. Coefficients for control limit k 2 3 5 7 10 20 d 2 1.128 1.693 2.326 2.707 3.078 3.735 d 3 0.853 0.888 0.864 0.833 0.797 0.729 448

터널시공중이상거동예측을위한계측변위의 x-mr 관리도활용 (5) 계측수행마다측정된변위및 MR값, 각각의관리한계선을타점하여관리도작성을수행하여터널의이상거동을판단한다. 여기서, MR 관리도의관리하한선 (LCL) 의경우 k=2~6일때, 음 (-) 의값이산출되므로항상양 (+) 의값이산출되는 MR 관리도에서는고려하지않는다. 3. x-mr 관리도를이용한계측데이터분석 시공중지반의붕괴나구조물의균열등이상거동이나타난터널시공현장을대상으로 5개굴진면에서측정된천단침하와내공변위를이용하여 x-mr 관리도를작성하였다. 본연구의목적은터널시공중지반의이상거동을신속하고정확하게판단하기위함으로굴착이진행됨에따라 1회에 1개씩획득되는계측변위를이용하여관리한계선을작성하였다. 즉, 한개의계측데이터가입력될때마다 x 관리도와 MR 관리도의관리한계선은달라진다. 또한이동범위 (k) 에따라서관리한계선은변화하며, 관리한계선작성초기에계측데이터의수가 k만큼필요하기때문에현장에서획득한데이터의수를고려하여 k를 2, 3, 5, 7, 10, 20으로달리하여이동범위에따른관리한계선의변화양상을상호비교함으로써붕괴발생 전이상거동에대한최적의판단방법을분석하였다. Table 2는대상터널에대한지질과이상거동에대한유형, 붕괴원인을간략히요약한것이다. 퇴적암, 화성암, 변성암지반에시공된터널각 1개소씩선정하여분석하였으며, 대부분붕괴원인은단층에의한것으로파악되었다. Fig. 3은 x-mr 관리도분석을위해이용된각터널에서의천단침하및내공변위를나타낸것이다. Fig. 3의 (a)~(d) 는붕괴가발생하기전각굴진면에서측정된최대변위를나타낸것이며, (e) 는균열이발생한굴진면에서굴착후날짜별로측정한변위의경향을나타낸것이다. 특히, Tunnel B-2와 B-3은평행하게위치하는 2개의양방향터널시공중한터널에서이상거동이발생하면서인접한터널에영향을미친경우로하행선굴착중붕괴가발생한후 (Fig. 3의 (c)), 이에대한영향으로상행선에서과다변위가발생하면서토사유실이발생한현장이다 (Fig. 3의 (d)). 3.1 굴진면에서의천단침하분석 : Tunnel A Tunnel A는퇴적암지반에시공된도로터널로굴진면에대한굴착및보강이완료된후낙반과동시에붕괴가발생하였다. 굴진면관찰결과, 중앙부에폭약 1 m, 경사 70 이상고각의단층이굴진방향을따라위치하고있으며, 암반내점토와토사가충전된절리가조밀하게발달되어 3~5 cm 내외의암편상태로파쇄되어있는상태이다. 또한, 셰일과이암이교호하는지반으로층리가발달되어있으며, 화강암 Table 2. The geology and status of sections showing abnormal behavior Status of sections Tunnel Geology Type Cause A Shale Collapse in rock Fault zone B-1 Granite Collapse in rock Fault zone B-2 Granite Collapse in soil Fault zone & ground water B-3 (weatherd rock & soil) Soil loss Fault zone & ground water C Gneiss (weatherd rock) Crack in the structure Fault zone 449

윤현석ㆍ송규진ㆍ신영완ㆍ김창용ㆍ추석연ㆍ서용석 의관입으로인해혼펠스화되어있는등암반내파쇄가심하게관찰된다. Tunnel A의천단침하와내공변위는굴착및보강이완료된각굴진면에서측정한최대변위로 STA. 6+435에서낙반이발생하기전약 130 m 구간의변위를분석하였다. Fig. 3의 (a) 를보면붕괴지점에가까워질수록천단침하와내공변위가지속적으로증가하고있으며, 붕괴지점으로부터 15 m 전인 STA. 6+450 에서급격한변위의증가를보이고있다. 이계측데이터를이용하여이동범위 (k) 를달리하면서 x-mr 관리도를작성하여변위의이상지점을분석하였다. Fig. 4는 Tunnel A의천단침하를이용하여각이동범위 (k) 에따른 x-mr 관리도를작성한것으로상단의그래프가천단침하값과관리한계선을나타낸 x 관리도이며, 하단의그래프는 MR 관리도이다. 관리한계선의작성은초기에계측데이터의수가 k만큼필요하기때문에 k가증가할수록관리한계선작성이늦어진다. 관리한계선을기준으로천단침하의변화양상을 (a) Tunnel A (b) Tunnel B-1 (c) Tunnel B-2 (d) Tunnel B-3 (e) Tunnel C Fig. 3. The displacement in each of the tunnel. (a)~(d) is the maximum crown settlement and convergence with station at each of the face behind the collapse face in tunnel A and B. (e) is crown settlement and convergence with date at the face of crack initiation in tunnel C. 450

터널시공중이상거동예측을위한계측변위의 x-mr 관리도활용 (a) k=2 (b) k=3 (c) k=5 (d) k=7 Station Station (e) k=10 (f) k=20 Fig. 4. x-mr control charts for the crown settlement of tunnel A 451

윤현석ㆍ송규진ㆍ신영완ㆍ김창용ㆍ추석연ㆍ서용석 살펴보면 k=20일때의 MR 관리도를제외하고대부분붕괴지점약 5~13 m 이전인 STA. 6+440~447에서관리한계선을벗어나는것을알수있다. 이는붕괴지점이전에이미변위의이상징후가나타난것으로 x-mr 관리도의관리한계선작성을통해이상구간에대한예측이가능함을의미한다. 또한관리한계선은 k가증가함에따라범위가점점넓어져 MR 관리도의경우 k=10일때붕괴지점에근접해서 MR 값이관리상한선위에타점되며, k=20 일때는붕괴지점이전에관리한계선을벗어나는구간이없어 MR 관리도만으로는붕괴에대한예측이불가능한것을알수있다. 그러나 x 관리도는 k=20인경우에도붕괴지점에서약 7 m 전에관리한계선을벗어나는것으로나타나며, 전반적으로 x 관리도가 MR 관리도보다이른시점에관리한계선을벗어나 Tunnel A에서는 x 관리도가이상거동에대한민감성이더높은것으로나타났다. 한편, k가 10 이하인 x-mr 관리도를살펴보면, x 관리도에서만관리한계선을벗어나는구간을확인할수있다. 이렇게 x 관리도와 MR 관리도에서관리한계선을벗어나는구간이일치하지않는경우이상징후에대한판단이어려울수있다. 그러나 Fig. 4에서알수있듯이붕괴지점에가까워질수록 x 관리도와 MR 관리도에서동일하게관리한계선을벗어나는영역이나타나므로어느한관리도에서만관리한계선을벗어나는구간에대해서는신중히변위의변화양상을지켜볼필요가있으며, 보다객관적인예측을위해서는 x-mr 관리도에서관리한계선을벗어나는구간이일치하는지점을파악하는것이합리적일것으로판단된다. 3.2 굴진면에서의내공변위분석 : Tunnel B-3 Tunnel B는화강암지반에시공된도로터널로굴착중낙반, 토사붕괴및토사유출등이발생한 터널이다. 이중토사유출이발생된 Tunnel B-3의굴진면은전반적으로조립질의사질토및풍화토로구성되어있으며, 붕괴당시다량의지하수가함께유출되었다. 굴진면의천단부는다량의점토를수반한단층이토사화되어굴진방향과수직으로분포하며, 하부는단층에의한차별풍화의영향으로핵석형태의풍화암이관찰된다. Tunnel B-3 의천단침하와내공변위는굴착이진행됨에따라각굴진면에서측정한최대변위로붕괴가발생된 STA. 0+796 이전까지의변위를분석하였다 (Fig. 3의 (d)). Fig. 5는 Tunnel B-3의내공변위에대한 x-mr 분석결과로, 대부분붕괴지점으로부터약 6~30 m 이전에관리한계선을벗어나고있어붕괴에대한예측이가능함을보여주고있다. 그러나 Fig. 5의 (a) 를보면, k=2 와 3인경우 MR 관리도에서 MR의값이붕괴지점약 30 m이전에서관리한계선을벗어났다가붕괴지점에가까워질수록다시관리한계선영역내로타점되는것을볼수있다. 이는이동범위의수가작기때문에인접해있는측정변위의값이비슷할경우차이가작아범위내의차이값을나타내는 MR 값의특성상관리한계선영역안에타점되는것으로판단된다. 또한계측시오차나주변환경의요인으로인해오류가발생할경우비정상적인변위값이측정될수있어일시적으로관리한계선을벗어나는구간이발생될수있다. 따라서 k가작을때는 x-mr 관리도상에서불분명한판단을내릴수있어계측변위를관리하는데있어신중할필요가있다. 한편, Tunnel B의경우도 Tunnel A와동일하게 k가증가할수록관리한계선의범위가넓어지며, 계측변위값과 MR 값이관리한계선영역내에가까워지는것을알수있다. 3.3 붕괴지점에서의시간에따른내공변위분석 : Tunnel C C 터널은편마암지반에시공된철도터널로굴진이 452

터널시공중이상거동예측을위한계측변위의 x-mr 관리도활용 (a) k=2 (b) k=3 (c) k=5 (d) k=7 Station Station (e) k=10 (f) k=20 Fig. 5. x-mr control charts for the convergence of tunnel B-3 453

윤현석ㆍ송규진ㆍ신영완ㆍ김창용ㆍ추석연ㆍ서용석 진행됨에따라지속적인변위가발생하여숏크리트내균열이발생한현장이다. 균열이발생한굴진면은우측부에굴착방향과평행한단층이폭 1 m 내외로발달하고있으며, 전반적으로심한풍화의상태를보인다. 단층주변으로는파쇄대가넓게분포하여절리가불규칙하게발달하고있으며, 절리면내점토및단층활면이관찰되는등자립이어려운상태이다. Tunnel C의변위는균열이발생한굴진면에서굴착후날짜별로측정한변위로서 3월 6일균열이관찰되기전까지 26일간의변위경향을분석하였다. Fig. 3의 (e) 에나타난바와같이내공변위는굴착초기에급격한변위속도를보이다수렴하는경향을보이나, 시간이경과함에따라지속적으로변위가증가하고있어어느시점에이상여부를판단할지쉽지않다. 따라서이상징후가나타나는지점을파악하기위해내공변위에대한 x-mr 관리도를통해관리한계선을작성하여 Fig. 6에나타내었다. x 관리도를보면중심선 (CL) 과관리한계선이변위가증가함에따라비슷한양상으로타점되는것을확인할수있으며, MR 관리도상에서는 MR 값이관리한계선을벗어나는지점이없는것을알수있다. 이는변위가지속적인양상을보이며변화하는경우, 비정상적으로타점되는구간이없고, 이동범위 (k) 내측정값에대한분산의범위가작아 MR 관리도만으로는예측이어려운경우이다. 그러나, x 관리도상에서는 k에관계없이붕괴일이전에관리한계선을벗어나고있어이상거동에대한분석이가능하다. 즉, Tunnel C의경우는 x 관리도나 MR 관리도어느하나만을분석하여이상거동을예측할수없는사례에속한다. 3.4 결과분석 Fig. 7은 10개의계측데이터에대한 x-mr 관리도를분석을통해이동범위 (k) 에따른붕괴예측지점을나타낸것으로붕괴지점으로부터관리한계선을벗 어나는이상변위지점까지의거리를도시한것이다. k에대한합리적인범위를정하기위해이상징후가나타나지않는경우는그래프에도시하지않았으며, 일시적으로관리한계선을벗어나는구간은제외하였기때문에 x 관리도와 MR 관리도중거리가작은값이이상거동을명확히예측할수있는기준이될수있다. Tunnel A의천단침하분석결과를보면, k에따라예측가능지점이붕괴지점으로부터 5.2~12.3 m이며, 내공변위의분석결과에서는 8.3~13.0 m로나타났다. 천단침하와내공변위에대한 x-mr 분석결과를종합하면, Tunnel A의경우는 x-mr 관리도작성을통해최소 5.2 m 이전에이상거동을예측할수있는것으로나타났다. Tunnel B-1의경우는천단침하분석결과, 붕괴지점으로부터 16.5~20.5 m 이전에예측이가능하였으며, 내공변위의경우는약 7.3~ 16.3 m 이전에이상거동에대한예측이가능하여최소 7.3 m 이전에는이상거동에대한예측이가능함을알수있다. 같은방법으로 Tunnel B-2와 B-3의경우는붕괴지점으로부터각각 13.5 m, 6.1 m 전에이상거동에대한예측을할수있으며, 시간에따른변위를분석한 Tunnel C의경우는최소 1일전에예측이가능한것으로나타났다. 이동범위 (k) 에따른결과를보면, Tunnel A의경우변위의종류에관계없이 k=2~10일때 x-mr 관리도상에서예측이가능하며, Tunnel B의경우는 B-1과 B-2, B-3의천단침하분석에서 k=20까지증가하여도예측이가능한것으로나타났다. 또한 Tunnel B-3의내공변위와 Tunnel C의천단침하에서는 k=5~20일때이상거동에대한예측을할수있었다. Tunnel A를제외하고대부분의경우에 k를 20까지설정하여도 x-mr 관리도를통한분석이가능한것으로나타났으나, 앞에서도언급하였듯이 k가증가할수록관리한계선의범위가넓어져이상거동에대한민감도가떨어지게된다. 또한관리한계선의범위를 k=2나 3처럼좁게설정하면계측시오차가발생한지점에서 454

터널시공중이상거동예측을위한계측변위의 x-mr 관리도활용 (a) k=2 (b) k=3 (c) k=5 (d) k=7 Measurement date Measurement date (e) k=10 (f) k=20 Fig. 6. x-mr control charts for the convergence of tunnel C 455

윤현석ㆍ송규진ㆍ신영완ㆍ김창용ㆍ추석연ㆍ서용석 (a) Crown settlement of tunnel A (b) Convergence of tunnel A (c) Crown settlement of tunnel B-1 (d) Convergence of tunnel B-1 (e) Crown settlement of tunnel B-2 (f) Convergence of tunnel B-2 (g) Crown settlement of tunnel B-3 (h) Convergence of tunnel B-3 (i) Crown settlement of tunnel C (j) Convergence of tunnel C Fig. 7. Predictable distance and date with moving range (k). (a) ~ (h) is the distance from collapsed face to abnormal point. (i) and (j) is the date from collapse day to abnormal point. 456

터널시공중이상거동예측을위한계측변위의 x-mr 관리도활용 관리한계선을벗어나오류가발생할가능성이높다. 따라서이동범위 (k) 의값은 Fig. 7의여러실계측데이터에대한 x-mr 관리도의종합적인분석결과를바탕으로 5~10으로설정하는것이합리적일것으로판단된다. 실제현장에서는굴착초기에동일한지질상태에서 5 내지 10회정도의계측자료를이용하여분석에적용할수있을것으로판단된다. 한편, Fig. 7의 (f) 와 (j) 에서나타나듯이 Tunnel B-2와 Tunnel C의내공변위분석에서는각각 x 관리도와 MR 관리도에서만붕괴에대한예측이가능하여이상거동에대한명확한판단을하는데어려움이있으나, 분석대상모든터널의천단변위에대한 x-mr 관리도에서는붕괴에대한명확한예측이가능함을알수있다. 따라서 x-mr 분석시굴진면에서의여러계측자료를이용하면효과적일것으로판단되며, x-mr 관리도가서로일치하지않을경우주의단계로설정하여지속적인변위의변화양상을관찰할필요가있다. 4. 결론 본연구에서는터널에서측정된계측데이터를대상으로 x-mr 관리도분석을실시하여터널거동의정상여부를신속하고객관적으로판단할수있는분석방법을제시하였다. 다양한종류의지반에서시공되는터널을대상으로낙반및토사유출, 구조물의균열등여러형태의이상거동에대한변위를분석하였으며, 이동범위 k에따른관리한계선의변화양상을비교하여굴착이진행됨에따라굴진면전방에위치하는위험지반과터널의이상거동에대한예측이가능한지검토하였다. 1. x-mr 분석결과, 붕괴지점으로부터최소약 5~ 13 m 이전에터널의이상거동을감지할수있었으며, 시간에따른변위의분석결과, 최소 1일전에이상거동에대한예측이가능하였다. 2. 이동범위 (k) 에따른관리한계선의변화를분석한결과, 1회에 1개씩획득되는계측데이터의특성상오차및오류가발생할수있는점을감안하여 x-mr 관리도작성시 k는 5~10에서설정하는것이효과적일것으로판단된다. 3. x-mr 관리도작성시동일한구간에서측정된다양한계측자료와거리및시간등동일한조건을두고측정된양질의자료를이용하면이상거동을보다명확히판단할수있으며, x 관리도와 MR 관리도상에서이상구간이일치하지않는경우주의단계로설정하여지속적인변위의변화양상을관찰할필요가있다. 4. 국내의경우터널시공시계측에대한관리기준이명확하지않으며, 현장마다각각다른관리기준을적용하고있어종합적인분석에한계가따른다. 또한굴착이진행됨에따라측정된변위의변화폭이작거나, 지속적으로미세한변위의변화가일어날경우현장에서신속하게이상징후를판단하기어렵다. 따라서응용통계관리기법의일종인 x-mr 을이용하여굴착이진행됨에따라관리한계선을설정하면보다신속하고객관적인판단과굴진면전방의위험지반및터널의이상거동에대한예측에도움이될것으로판단된다. 감사의글 본연구는국토교통과학기술진흥원건설기술연구사업 13건설연구 S03 터널시공중디지털맵핑을통한온라인암판정기술및운영모델개발 과제의지원을받아수행되었습니다. References 1. Kim, K.Y. (2009), Characteristics of tunnel convertgence behaviour based on variation of rock mass rating, The Journal of Engineering Geology, Vol. 18, No. 4, pp. 545-553. 457

윤현석ㆍ송규진ㆍ신영완ㆍ김창용ㆍ추석연ㆍ서용석 2. Kim, J.G., Um. S.J., Kim, S.K., Choi, S.W., Song, J.M. (2010), Research results and trends analysis on process control charts for detecting small shift, The Spring Conference of the Korean Institute of Industrial Engineers, pp. 834-842. 3. Kwon, O.I., Baek, Y., Seo, Y.S. (2008), Development of slope displacement data analysis system using control chart theory, Conference of the Korean Society of Engineering Geology, pp. 137-143. 4. Park, S.H., Lee, T.J., Park, C.S. (2008), A study on evaluation of tunnel stability by ground displacament under construction, Conference of the Korean Society of Engineering Geology, pp. 95-103. 5. Park, S.H., Park, Y.H. (2013), Statistical quality control, Minyoungsa, pp. 574-578. 6. Shewhart, W.A. (1924), Some applications of statistical methods to the analysis of physical and engineering data, Bell System Technical jounal, Vol. 3, No. 1, pp. 43-87. 7. The Japanese Geotechnical Society (1999), Prediction and practice in NATM, pp. 239-242. 8. Yim, S.B., Kim, S.K., Seo, Y.S., Park, S.H. (2007), A study on convergency of tunnel displacement using conrol chart method, The Journal of Engineering Geology, Vol. 17, No. 2, pp. 197-204. 9. Yim, S.B., Jeong, H.G., Seo, Y.S. (2009), Assessment of tunnel displacement with weak zone orientation using 3-D numerical analysis, The Journal of Engineering Geology, Vol. 19, No. 1, pp. 43-50. 10. Yim, S.B., Kim, K.Y., Kim, C.Y., Seo, Y.S. (2010), New approach on prediction of fault zone ahead of tunnel face by using x-rs control chart for RMR parameters, Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 12, No. 6, pp. 463-473. 11. Yun, H.S., Seo, Y.S., Kim, K.Y. (2014), Prediction of fault zone ahead of tunnel face using x-rs control chart analysis for crown settlement, Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 16, No. 4, pp. 361-372. 458

J of Korean Tunn Undergr Sp Assoc 16(5)459-470(2014) eissn: 2287-4747 http://dx.doi.org/10.9711/ktaj.2014.16.5.459 pissn: 2233-8292 3 차원수치해석을이용한조기고강도숏크리트지보성능분석 김종욱 1 ㆍ김정주 1 ㆍ조영재 1 ㆍ유한규 1 1 정회원, 한양대학교 3-Dimensional numerical analysis on support performance of early-high-strength shotcrete Jong-Uk Kim 1, Jung-Joo Kim 1, Young-Jae Cho 1, Han-Kyu Yoo 1 * 1 Korea, Hanyang university, 55 Hanyangdaehak-ro, Sangnok-gu, Ansan 426-791 ABSTRACT: Now-a-days, the trend in constructing tunnels is to build more deeper, more longer tunnels of greater cross-sections. That s why, the demand of Early-high-strength shotcrete is very high because of their advantage of attaining higher strength immediately after excavation, which controls the ground subsidence. So, this study reveals the supporting phenomena of early-high-strength shotcrete, using three-dimensional numerical analysis. The crux of this study can be applied practically in construction sites also. Support Performance of two different qualities of shotcrete was checked out, by keeping the general shotcrete s thickness constant and comparing it with early-high-strength shotcrete s thickness decreasing it gradually in five steps, and analysing/comparing the support performance in all cases. Effect of using early-high-strength shotcrete was analysed to save the cost of steel sets, which are widely used for supporting the ground before the hardening of general shotcrete. The results of numerical analysis on the performance of early-high-strength shotcrete show that, it behaves more effectively under worse ground conditions and it can support the ground more conveniently than steel sets, before the shotcrete is hardened. Keywords: Shotcrete, Early-High-Strength Shotcrete, Steel sets, Support effect, Hardening characteristic 초록 : 최근터널의건설심도는점차깊어지고길이및단면은증가하는추세를보이고있다. 따라서굴착직후주변지반의지압에대해보다높은지보효과를발휘하고지표침하억제효과가있는조기고강도숏크리트에대한필요성이증대되고있다. 따라서본논문에서는 3차원수치해석을통해조기고강도숏크리트의지보성능을분석하여실제현장에서의적용가능성을높이고자일반숏크리트와같은지보효과를발휘하는조기고강도숏크리트라이닝의두께를추정하기위해서조기고강도숏크리트라이닝의두께를 5단계로변경하며해석을수행하여지보성능을분석하였다. 또한숏크리트가경화될때까지지반을지지하기위하여설치하는강지보재를조기에강도발휘가가능한조기고강도숏크리트로대체할수있는가능성을판단하였다. 수치해석결과, 조기고강도숏크리트는지반조건이불리할수록지반변위억제효과가증대되며강지보재의숏크리트경화전지보효과를보완할수있을것으로판단하였다. 주요어 : 숏크리트, 조기고강도숏크리트, 강지보재, 지보효과, 경화특성 1. 서론 최근터널의급속시공과급속안정화및시공성과경제성향상을위하여고성능숏크리트에대한관심이증대되고있다. 일반적인터널에서주지보재역할 *Corresponding author: Han-Kyu Yoo E-mail: hankyu@hanyang.ac.kr Received August 26, 2014; Revised September 15, 2014; Accepted September 17, 2014 을하는숏크리트는굴착종료후즉시타설하여굴착주변지반의강도변화에대응해야한다. 그러므로부착된숏크리트는자중에의해굴착면으로부터떨어지지않아야할뿐만아니라작업능률이뛰어나야하며, 발파등의진동에도견딜수있도록조기에경화시켜강도를발현시킬필요가있다. 또한숏크리트가장기적으로지반을지지하고구조물로서의기능을유지하기위해서는이에적합한강도및내구성이있어야 Copyright c2014, Korean Tunnelling and Underground Space Association This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativescommons.org/license/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

김종욱ㆍ김정주ㆍ조영재ㆍ유한규 한다. 본논문에서는 3D 수치해석을이용하여조기고강도숏크리트의지보효과를분석하고실제현장에서의적용가능성을평가하고자하였다. 조기고강도숏크리트의재령별압축강도는일본 Mineyama 터널의 Joetsu ~Toyama 구간에사용된숏크리트의압축강도시험결과자료를사용하였다 (Kanazawa et al., 2007). 일반적으로터널단면은평면변형률상태이므로 2 차원해석을실시하나, 본논문에서는터널의지보재별수치해석을수행하기때문에 case별하중분담율의변화를모두고려하여지보재의효과를정확히판단하기위해 3차원해석을실시하였다. 일반숏크리트와같은지보효과를발휘하는조기고강도숏크리트라이닝의두께를추정하기위해서조기고강도숏크리트라이닝의두께를일반숏크리트라이닝두께의 0.2~1.0배로설정하여해석을수행하고천단침하, 숏크리트응력을통해지보성능을분석하였다. 또한일반숏크리트가경화될때까지지반을지지하는강지보재를조기에충분한강도가발휘되는조기고강도숏크리트로대체할수있는지에대한가능성을수치해석을통하여알아보았다. 조기고강도숏크리트의지보효과를분석하기위해지반분야의유한요소해석프로그램인 Midas GTS (Ver.440) 를사용하였다. 2. 조기고강도숏크리트의특성 2.1 조기고강도숏크리트의지보효과 초과하지않도록해야한다. 그러므로지반이양호하지않은경우숏크리트의두께가두꺼워져 2~3회에걸쳐뿜어붙이게되는데조기고강도숏크리트를사용할경우두께축소가가능해져뿜어붙임횟수가줄어들게되고공기를단축할수있다. 또한강한지압이작용하는장소에서터널을시공하는경우기존공법은비교적많은지보재가필요하며그에따른지보재의구축에시간이많이걸리는등여러문제점을안고있다. 따라서압축강도를단시간에발현할수있는숏크리트를사용함으로써강한지압이작용하는대심도의터널을경제적이고안전하게구축할수있다. 강지보재는기본적으로숏크리트가경화될때까지지반을지지하기위하여설치하는보강재이다. 따라서타설직후높은강도를발휘할수있는조기고강도숏크리트는이러한강지보재의역할을대체하는성능을가지고있을것으로판단된다. 이는 1차지보재의대규모화를억제하며터널의굴진속도를높일수있기때문에터널굴진속도의고속화에도움이된다. 일본의철도운수정비기구등은연암의기계굴착을대상으로한지보를포함한고속굴진시공방법을연구해왔다. 신간선의 Mineyama 터널공사에서는터널단면을좌우로나누어벤치컷을하였으며고속굴진을하기위해강지보재를생략하고조기고강도숏크리트를이용하여지보를하였다. 시험시공을실시한결과, 최고월 304 m 굴착기록을달성할수있었고고속굴진시이공법의실용성을명확하게확인할수있었다 (Kanazawa et al., 2010). 2.1.1 터널굴진속도의고속화터널굴착시굴진속도의향상은공사기간단축과그에따른공사비감소에크게기여한다. 일반적인터널에서터널굴착을진행하기위해서는 1차지보재의강도가일정한값이상으로구현되어야공사가진행될수있다. 또한숏크리트의 1회타설두께는 10 cm이내, 천정부에서는 1회타설두께가 7.5 cm를 2.1.2 지표침하억제효과조기고강도숏크리트는단시간에높은강성을발현하여지반을견고하게지지할수있기때문에터널주위지반의이완을최소화시키고안전하게터널을구축할수있다. 또한재령 28일에압축강도는 41.1 MPa로써기존일반숏크리트의 2배에달하는강도를발휘하므로지표침하의억제효과를보다크게얻을 460

3 차원수치해석을이용한조기고강도숏크리트지보성능분석 수있다 (Kanazawa et al., 2007). 특히지표침하를최소화시켜야하는도심지지하철또는대단면지하공간건설분야에서는조기고강도숏크리트를사용하여안전하게공사를진행할수있다. 2.2 조기고강도숏크리트의재료특성일본 Mineyama 터널의 Joetsu~Toyama 구간에쓰인조기고강도숏크리트의배합과시간에따른압축강도는다음과같다 (Kanazawa et al., 2007). 2.3 조기고강도숏크리트의탄성계수산정지반과숏크리트의상호작용측면에서굴착직후숏크리트의조기재령 1~2일강도는터널의안정성에큰영향을미친다. 그러나조기재령에서는숏크리트공시체를제작하기어려우며강도가충분하지않아코어링이불가능하다. 따라서숏크리트의조기강도는현장에서숏크리트타설직후 Pull-out test 및 Pin test를이용하여강도를측정한다. 실험을통하여구한재령초기의일축압축강도는탄성계수와식 (1) 과같은관계가있다 (Lee et al., 2010). (1) 경화현상을고려하기위하여숏크리트의탄성계수를 2단계로나누어연성숏크리트단계와강성숏크리트 단계로구분하여적용하고있다. 연성숏크리트는터널굴착후숏크리트를타설한이후의굳지않은상태에서의숏크리트를의미한다. 일반숏크리트의경우 3시간이후강도발현을고려하 여압축강도가약 1.0~1.5 MPa 을감안할때탄성계 수는식 (1) 에의해 5,000 MPa 로산정된다. 조기고강 도숏크리트는 Table 2 로부터재령 3 시간압축강도 6.06 MPa 을적용하여탄성계수는 11,755 MPa 로계산 되었다. 강성숏크리트는타설후 1일이지난상태에서어느 정도강도가발현된상태에서의숏크리트를의미한 다. 일반숏크리트의경우국내설계기준에의하면 재령 1 일압축강도가 10 MPa 이상으로제시되어있으 므로탄성계수는식 (1) 에의해 15,000 MPa 로산정된 다. 조기고강도숏크리트는 Table 2 로부터재령 1 일 압축강도 20.2 MPa 을적용하여탄성계수는 21,461 MPa 로계산되었다. 3. 조기고강도숏크리트의타설두께별지보성능비교및분석 3.1 수치해석조건 여기서, 와 의단위는 MPa이다. 현행터널설계에서는굴착단계에따른숏크리트의 3.1.1 지반모델링재료의변형을탄성및소성변형으로표현하는모 Table 1. Mix designs in in-situ shotcrete at Mineyama tunnel site Sand/ aggregate (%) Water/ binder (%) Water (kn/m 3 ) Cement (kn/m 3 ) Silica fume (kn/m 3 ) Limestone powder (kn/m 3 ) Sand (kn/m 3 ) Coarse aggregate (kn/m 3 ) High-strength additive (kn/m 3 )(%* 1 ) Accelerator (kn/m 3 )(%* 1 ) 70 45 2 3.8 0.2 1.27 10.73 5.3 0.44(11) 0.36(9) *1 : Ratio to (Cement+Silicafume). Table 2. Compressive strength of shotcrete at various ages in the in-situ shotcrete test at Mineyama tunnel site Classification 10 min 3 hours 1 day 7 days 28 days Compressive strength (MPa) 3.54 6.06 20.2 35.2 41.1 461

김종욱ㆍ김정주ㆍ조영재ㆍ유한규 델을탄소성모델이라고하며이를적용하기위해서는주어진응력상태에서항복의여부를결정하는항복기준 (Yield Criteria) 과항복후거동을모사하기위한유동법칙 (Flow Rule) 이필요하다. 항복규준에는 Mohr-Coulomb, Drucker-Prager, Hoek-Brown 등여러가지가있으나본연구에서는터널해석에서일반적으로간편하게많이쓰이는탄소성모델인 Mohr- Coulomb 파괴기준을적용하였다. 지반등급 1, 2, 3, 4, 5에대하여각각균질하게지반을모델링하였으며지반의물성은 Table 3에서의지반등급별특성치의평균값을매개변수로하여분석하였다. 수치해석모델은터널설계기준 (2009) 에따라터널좌 우는터널굴착폭의 3배, 하부는터널굴착폭의 2배로모사하였다. 터널종방향길이는굴진장의 20배로정하여터널굴착폭의약 2~5배로모사하였다. 터널상부는지표면까지를해석영역으로하였는데, 지반등급 1, 2는토피고가 100 m, 지반등급 3, 4는 50 m, 지반등급 5는 30 m로차등적용하였다 (Fig. 1). Fig. 1. Numerical analysis of ground space 3.1.2 지보재모델링 3차원해석시숏크리트는평면인장및압축거동, 평면전단거동, 두께방향의굽힘거동및전단거동을고려할수있는판요소 (Plate element) 로모사한다. 판 Table 3. Properties of ground grades (Kim et al., 2012) Classification Unit weight (kn/m 3 ) Cohesion (kpa) Friction angle ( ) Deformation modulus (MPa) Poisson s ratio ( ) Ground grade 1 27.0 4,000~5,000 45 20,000~30,000 0.20 Ground grade 2 26.0 2,000~3,000 40 10,000~15,000 0.22 Ground grade 3 25.0 1,000~1,500 35 6,000~8,000 0.24 Ground grade 4 23.0 400~700 32 2,000~4,000 0.26 Ground grade 5 22.0 100~200 30 600~800 0.28 Table 4. Design parameters for numerical analysis Type of support Normal Shotcrete Early-high-strength shotcrete Elastic modulus (MPa) Unit weight (kn/m 3 ) Poisson s ratio ( ) Soft 5,000 24.0 0.20 Hard 15,000 24.0 0.20 Soft 11,755 24.0 0.20 Hard 21,461 24.0 0.20 Rockbolt 200,000 78.0 0.30 462

3 차원수치해석을이용한조기고강도숏크리트지보성능분석 요소로곡면구조를모델링할때에는요소간의각도가 10 를넘지않도록해야하므로최대한 mesh 의크기를작게설정하였다. 록볼트는축방향으로만힘을전달할수있는트러스요소 (Truss element) 로모델링하였다. 숏크리트에사용된물성치는 2.3장에서계산한탄성계수와일반적인단위중량, 포아송비를적용하였으며록볼트는철근 D25로모델링하였다 (Table 4). 3.1.3 표준지보패턴 Table 5에 터널의 2차선고속도로단면의지보패턴을나타내었다. 지보패턴 5의훠폴링은모사하지않았으며지보패턴 4, 5의강지보재는수치해석에반영하지않았다. 3.1.4 시공단계해석굴착과지보재의설치과정은터널시공에영향을주는중요한변수이므로이를단순화하여순차적인전시공과정을포함한해석을수행해야한다. Midas Fig. 2. Number of sections for analysis of construction stages GTS에서는시공단계별로구조계또는하중의변화를입력하여해석을수행한후앞단계의해석결과에누적하여해석을수행하는누적모델개념을사용하고있다. 시공단계해석을위하여터널이위치할지반및지보재를굴진장간격으로분할하였으며개별적으로 Table 5. Support patterns Characteristics P-1 P-2 P-3 P-4 P-5 Graphical representation RMR 100~81 80~61 60~41 40~21 less than 20 Q more than 40 40~10 10~1 1~0.1 less than 0.1 Excavation method Full face excavation Full face excavation Full face excavation Top heading Top heading Round Upper section 3.5 3.0 2.0 1.5 1.2 length (m) Lower section 3.5 3.0 2.0 3.0 1.2 Shotcrete (mm) 50 50 80 120 160 Length (m) 3.0 3.0 4.0 4.0 4.0 Longitudinal Rockbolt spacing (m) Random 3.0 2.0 1.5 1.2 Transverse spacing (m) Random 2.0 1.5 1.5 1.2 Steel sets - - - LG-50 20 30 LG-70 20 30 Concrete lining (mm) 300(P.C.) 300(P.C.) 300(P.C.) 300(P.C.) 400(R.C.) Auxiliary method - - - - Forepoling120, L=3.0m 463

김종욱ㆍ김정주ㆍ조영재ㆍ유한규 거동이가능하도록분리하여모사하였다 (Fig. 2). Table 6~9에지보패턴별시공단계를나타내었다. 지보순서는숏크리트의경화단계를고려하여해당 section마다 굴착 연성숏크리트 + 록볼트 강성숏크리트 단계로모사하였으며, 표준지보패턴에따라지보패턴 1과지보패턴 4의하반은 2회굴진후지보를하도록모사하였다. 지보패턴 4, 5의벤치의길이는숏벤치로터널굴착폭 (1 D) 만큼떨어뜨려지보패턴 4의경우 9막장 (13.5 m), 지보패턴 5의경우 12막장 (14.4 m) 의굴진거리가차이나도록모사하였다 (Table 6). 3.1.5 해석조건일반숏크리트와같은지보효과를발휘하는조기고강도숏크리트라이닝의두께를추정하기위해서조기고강도숏크리트라이닝의두께를일반숏크리트라이닝두께의 0.2배, 0.4배, 0.6배, 0.8배, 1.0배로설정하여 30가지의해석을수행하였다 (Table 7). 3.2 일반숏크리트와조기고강도숏크리트의타설두께별지보성능결과분석 천단변위를기준으로일반숏크리트와조기고강도숏크리트를비교한결과지보패턴 1, 2, 3의경우지반 의상태가양호한조건이기때문에변위의차이는 미소하였지만조기고강도숏크리트가일반숏크리트 에비해천단변위를더적게허용함을알수있다 (Fig. 3). 또한일반숏크리트와같은천단변위를허용하는 조기고강도숏크리트라이닝의두께를살펴보면지보 패턴 1, 2, 3, 4, 5에서두께비가각각 0.40, 0.50, 0.48, 0.60, 0.57에서같은천단변위의값을나타내었 으며그값은 Fig. 4, Table 8과같다. 숏크리트에서발생한합성응력 ( 축응력및휨응력 ) 을 Fig. 5에도시하였다. 조기고강도숏크리트가일반 숏크리트보다지반하중을더크게받게되어숏크리 트의작용응력이크게발생하며, 조기고강도숏크리 트라이닝의두께가얇아질수록숏크리트가받는응 Table 6. Construction stage (Ground grade 5) Classification Upper section Down section Construction stage 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 Excavation 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Soft S/C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Rockbolt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Hard S/C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Excavation 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Soft S/C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Rockbolt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Hard S/C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Table 7. Thickness of shotcrete simulated in Midas GTS Classification Thickness of shotcrete, (mm) Thickness of early-high-strength shotcrete, (mm) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Ground grade 1 50 10 20 30 40 50 Ground grade 2 50 10 20 30 40 50 Ground grade 3 80 16 32 48 64 80 Ground grade 4 120 24 48 72 96 120 Ground grade 5 160 32 64 96 128 160 464

3 차원수치해석을이용한조기고강도숏크리트지보성능분석 력이높아짐을알수있었다. 두께감소로인해숏크리트가받는응력이높아지면숏크리트의안정성에영향을미칠수도있으므로이를알아보기위하여해석에서도출된최대합성응력 을숏크리트의허용응력으로나누어비교하였다 (Fig. 6). 일반적으로숏크리트의허용응력은 28일압축강도의 0.4배로정의하므로일반숏크리트는 8.4 MPa, 조기고강도숏크리트는 16.44 MPa 로계산하였다. 그 Fig. 3. Crown displacement Fig. 5. Maximum combined stress Fig. 4. Shotcrete thicknesses of normal shotcrete and earlyhigh-strength shotcrete for same crown displacement Fig. 6. Maximum combined stress/allowable stress Table 8. Shotcrete thicknesses of normal shotcrete and early-high-strength shotcrete for same crown displacement Classification Normal shotcrete (mm) Early-high-strength shotcrete (mm) Ground grade 1 50 20 Ground grade 2 50 25 Ground grade 3 80 38 Ground grade 4 120 72 Ground grade 5 160 92 465

김종욱ㆍ김정주ㆍ조영재ㆍ유한규 러므로최대합성응력과허용응력의비율이 1.0 이하 인경우안정범위로판정한다. 가장불량한지반인 지보패턴 5 에서조기고강도숏크리트라이닝의두께 가 0.2 배일때최대합성응력 / 허용응력은 1.007 으로서 안정영역을벗어남을알수있다. 또한일반숏크리트와조기고강도숏크리트를같은두께로지보효과를비교한결과천단변위의억제효과와허용응력대비최대휨압축응력비의차가지반이 불량할수록차이가큰것으로나타났다. 즉조기고강 도숏크리트는지반이불리할수록상대적으로그효 과가증대되는것으로판단된다. 4. 강지보재가설치된일반숏크리트와조기고강도숏크리트의지보성능비교및분석 4.1 숏크리트와강지보재부재력평가방법 강지보재와숏크리트합성부재의하중지지력평가방법에는 (1) 숏크리트가축력과모멘트를모두부담 하는방법 (2) 숏크리트와강지보재가축력및모멘트 를분담하는방법 (3) 숏크리트는축력만을부담하고 강지보재가축력과모멘트를함께부담하는방법이 있다 (Moon et al., 2012). 이에대한부분은많은연구 자들에의하여활발히연구되고있으나아직완전히 규명되지않았으며지반하중형태에따라서달라질 것으로판단된다. 따라서본 4 장에서는합성부재의 지지력을고려할때숏크리트와강지보재모두축력 과모멘트를함께분담하는방법을사용하여강지보 재가설치된일반숏크리트를안전측으로고려하고 이를조기고강도숏크리트를비교하였다. 강지보재는연속적으로설치되지않는특성을고려 하여판요소가아닌 2 차원요소로일정간격을두어 모델링하는것이적합하다고판단된다. 따라서지보 재모델링시숏크리트와강지보재를모두축력과모 멘트를받는빔요소로모델링하였다. 또한이합성부 재와비교대상인조기고강도숏크리트또한같은빔 요소로모델링하였다. 사용된강지보재는지반등급 4에서 LG-50 20 30, 지반등급 5에서 LG-70 20 30 이며단면특성은 Table 9과같다. 4.2 강지보재가설치된일반숏크리트와조기고강도숏크리트의지보성능비교 일반숏크리트와강지보재가설치된일반숏크리트, 조기고강도숏크리트의지보성능을수치해석을 통하여비교하였다. 조기고강도숏크리트는 3 장에서 와같이일반숏크리트대비두께를 0.2배, 0.4배, 0.6배, 0.8배, 1.0배로바꾸어가며해석을수행하였다. 그리하여강지보재가설치된일반숏크리트와같은지보효과를발휘하는조기고강도숏크리트라이닝의두께를추정하고자하였다. 지보순서는숏크리트의 경화단계를고려하여 굴착 연성숏크리트 + 록볼 트 + 강지보재 강성숏크리트 단계로모사하였으 며, 시공단계메카니즘은 3장에나와있는내용과같다. 강지보재가설치된지보패턴 4, 5는상 하반분할 굴착이므로 3 장에서와같이벤치의길이는굴착폭 (1D) 으로설정하여숏벤치로모사하였다. 지보재별 천단변위를지보재두께에따라분류하여 Fig. 7(a), 8(a) 와같이그래프로도시하였으며시공단계별천단 변위침하특성을 Fig. 7(b), 8(b) 와같이도시하였다. Table 9. Characteristics of sections of lattice girder Types of sections Areas Moment of inertia (cm 4 ) Section modulus (cm 3 ) (cm 2 ) LG-50 20 30 13.6 193 106 38 21 LG-70 20 30 13.6 306 232 51 33 466

3 차원수치해석을이용한조기고강도숏크리트지보성능분석 (a) at different thickness ratios (b) at different construction stages Fig. 7. Crown displacement (ground grade 4) (a) at different thickness ratios (b) at different construction stages Fig. 8. Crown displacement (ground grade 5) 4.3 강지보재가설치된일반숏크리트와조기고강도숏크리트의지보성능비교분석결과 강지보재의역할은숏크리트의지보기능이발휘되기까지터널의안정성을확보하고지표침하등과다한변위를억제하는데있다. 그러나현재강지보재는 임시지보재로터널의안정성해석에반영되지않고 있다. 하지만이를수치해석에반영하여해석한결과 강지보재가설치된일반숏크리트가강지보재가설치 되지않은일반숏크리트보다변위억제효과가있는것으로나타났다. 조기고강도숏크리트를일반숏크리트라이닝과같은두께로설치하였을때, 조기고강도숏크리트는강지보재가설치된일반숏크리트를사용한것보다천단변위가지보패턴 4, 5에서각각 0.04 mm, 0.365 mm 정도작게발생하였다. 조기탄성계수가높은조기고강도숏크리트를사용함으로써터널굴착주변지반보다숏크리트가지반하중을지지하게되어천단 467

김종욱ㆍ김정주ㆍ조영재ㆍ유한규 변위가작게발생함을알수있었다. 조기고강도숏크리트라이닝의두께를줄여나가면서천단변위를분석해보았으며, 강지보재가설치된일반숏크리트와동일한천단변위를갖게하는조기고강도숏크리트라이닝의두께는지반등급 4, 5에서두께비가각각 0.666, 0.651인 79.92 mm, 104.16 mm로나타났다 (Fig. 9, Table 10). 수치해석결과로는조기고강도숏크리트는강지보재의숏크리트경화전지보효과를충분히대신할수있을것으로판단된다. 4.4 강지보재가설치된일반숏크리트와조기고강도숏크리트의공사원가비교 Fig. 9. Shotcrete thicknesses of normal shotcrete with steel sets and early-high-strength shotcrete for same crown displacement 다음은 1 차지보재의종류에따른공사원가를대략 Table 10. Shotcrete thicknesses of normal shotcrete with steel sets and early-high-strength shotcrete for same crown displacement Classification Normal shotcrete (mm) Early-high-strength shotcrete (mm) Ground grade 4 120 78 Ground grade 5 160 103 Table 11. Construction work expenses Material used Unit Construction work expenses (won) Normal shotcrete 1m 3 36,000 Early-high-strength shotcrete 1m 3 53,000 Lattice girder 1set 800,000 Table 12. Total amount of shotcrete used per meter Classification Type of shotcrete Ground grade 4 Ground grade 5 Circumference of tunnel (m) Thickness of support (m) Thickness of seal (m) Volume of shotcrete per meter (m 3 ) Normal shotcrete 24.78 0.12 0.05 4.213 Early-high-strength shotcrete 24.78 0.07992 0.05 3.219 Normal shotcrete 24.78 0.16 0.05 5.204 Early-high-strength shotcrete * 1 : Percentage of rebounded shotcrete 24.78 0.10336 0.05 3.800 Volume of shotcrete rebounded per meter(% *1 ) (m 3 ) 0.580 (12.1%) 0.257 (7.4%) 0.716 (12.1%) 0.304 (7.4%) Total amount of shotcrete per meter (m 3 ) 4.792 3.477 5.920 4.104 468

3 차원수치해석을이용한조기고강도숏크리트지보성능분석 Table 13. Comparison of construction work expenses per meter according to support members combination in ground grade 4 and 5 Material used Normal shotcrete with steel set Ground grade 4 Ground grade 5 Early-high-strength shotcrete Normal shotcrete with steel set Early-high-strength shotcrete Shotcrete (won) 172,530 184,265 213,125 217,510 Lattice girder (won) 533,333-666,667 - Sum (won) 705,863 184,265 879,792 217,510 적으로계산하였다. 공사원가는시공과정에서발생한재료비, 노무비, 경비의합계액을말하며, 일반숏크리트와조기고강도숏크리트, 격자지보재의공사원가를 Table 11에나타내었다. Table 12에는지보패턴별로해당하는터널둘레와숏크리트라이닝두께, 단위폭을곱하고시공시발생하는리바운드량을고려하여단위폭당숏크리트총사용량을계산하였다. 실링두께는공사현장마다다르나 5 cm로통일하여가정하였다. 또한조기고강도숏크리트의체적은지보성능비교분석결과를바탕으로일반숏크리트와같은천단변위를허용하는조기고강도숏크리트라이닝의두께를사용하여계산하였다. 리바운드량은 도로터널의숏크리트리바운드측정결과를참조하였으며일반숏크리트는 12.1%, 조기고강도숏크리트는 7.4% 로계산하였다. 강지보재가설치된일반숏크리트를사용하는경우와조기고강도숏크리트를사용하는경우로나누어공사원가를비교하였다 (Table 13). 조기고강도숏크리트라이닝의두께를일반숏크리트와동일한천단변위를갖는두께로설계하였을때, 조기고강도숏크리트를사용할경우공사원가가감소함을알수있었다. 5. 결론및제언 본논문에서는조기고강도숏크리트의지보성능을파악하기위해일본 Mineyama 터널의 Joetsu~Toyama 구간에사용된조기고강도숏크리트의재료를바탕으로수치해석을수행하였다. 지반등급 1~5의균질한지반에대하여조기고강도숏크리트의두께를바꾸어 가며수치해석을실시하여일반숏크리트와같은지보효과를발휘하는조기고강도숏크리트라이닝의두께를추정하였다. 또한숏크리트가경화될때까지지반을지지하기위하여설치하는강지보재를조기에강도발휘가가능한조기고강도숏크리트로대체할수있는가능성을판단하였다. 3차원수치해석을통해조기고강도숏크리트의지보효과를분석하여실제현장에서의적용가능성을높이고자하였으며다음과같은결론을얻을수있었다. 1. 지보패턴별로조기고강도숏크리트의두께를바꾸어가며천단변위를비교한결과일반숏크리트의 0.4~0.6배두께에해당할때같은변위를허용함을알수있었다. 일반숏크리트와조기고강도숏크리트를같은두께로지보효과를비교한결과, 천단변위의억제효과와허용응력대비최대휨압축응력비의차가지반조건이불리할수록차이가큰것으로나타났다. 즉조기고강도숏크리트는지반조건이불리할수록그효과가증대되는것으로판단된다. 2. 숏크리트의두께가얇아질수록숏크리트가받는휨압축응력은증가하는경향을보인다. 하지만조기고강도숏크리트는설계기준강도가높기때문에허용응력또한높다. 지보패턴별로조기고강도숏크리트의두께를바꾸어가며일반숏크리트와최대합성응력 / 허용응력을비교한결과지보패턴 5에서조기고강도숏크리트가일반숏크리트두께의 0.2배인경우를제외하고모두일반숏크리트보다높은안전율을보였다. 469

김종욱ㆍ김정주ㆍ조영재ㆍ유한규 3. 조기고강도숏크리트의두께를감소시키면서천단변위를분석한결과, 강지보재가설치된일반숏크리트와동일한천단변위를갖게하는조기고강도숏크리트의두께는지반등급 4와 5에서일반숏크리트대비조기고강도숏크리트의두께가각각 0.666배, 0.651배인 79.92 mm, 104.16 mm로나타났다. 수치해석결과, 조기고강도숏크리트는강지보재의숏크리트경화전지보효과를대신할수있을것으로판단되며경제성측면에서도유리할것으로판단된다. 본연구에서는조기고강도숏크리트의지보성능을수치해석적인방법에근거하여판단하였다. 하지만이는본검토대상단면에서만국한된결과이므로보다정확한실무적용을위해서는실제현장에서의계측결과의분석등을통한추가적인연구가필요할것으로판단된다. 또한강지보재는인장력에저항하는부재이므로강지보재대체연구시조기고강도숏크리트의인장저항력분석이필요하다고판단된다. References 1. Kanazawa, H., Nishi, T., Kiuchi, T., Nishizaki, S., Furuto, Y. (2007), The development of early-highstrength shotcrete and the evaluation of improved tunnel support system., Underground Space, the 4th Dimension of Metropolises, pp. 1361-1367. 2. Kanazawa, H., Nishi, T., Nonomura, M., Nishizaki, S. (2010), A study on rapid NATM tunnel driving by early-high-strength shotcrete support system., Japan Society of Civil Engineers, Vol. 66, No. 3, pp. 447-458. 3. Kim, S.H., Kim, K.L., Jeong, S.S., Choi, W.I., Lee, K.J., Lee, S.W. (2012), Estimation of the Ground Loads Acting on Concrete lining in NATM Tunnel., Korean Society for Railway, Vol. 2012, No. 5, pp. 415-420. 4. Korean Tunneling Association (2009), A manual of tunnel design criteria, CIR, Korea, pp. 122-131. 5. Lee, S.J., Moon, H.K. (2000), A study on the interaction between tunnel ground and shotcrete support considering time dependency., J. of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers, pp. 350-361. 6. Moon, S.H., Shin, Y.W., Kim, S.H., Yoo, H.K. (2012), A Study on Load Bearing Capacity of Composite Member with Steel Rib and Shotcrete in NATM Tunnel., J. of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 32, No. 5, pp. 221-229. 470

J of Korean Tunn Undergr Sp Assoc 16(5)471-485(2014) eissn: 2287-4747 http://dx.doi.org/10.9711/ktaj.2014.16.5.471 pissn: 2233-8292 지반구조물안전감시용미소파괴음계측시스템개발 천대성 1 ㆍ정용복 1 * ㆍ박의섭 1 1 정회원, 한국지질자원연구원 Development of acoustic emission monitoring system for the safety of geotechnical structures D.S. Cheon 1, Y.B. Jung 1 *, E.S. Park 1 1 Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources ABSTRACT: The monitoring method of geotechnical structures using acoustic emission(ae) and microseismicity(ms) is to detect the microscopic deformation and fracture behavior in the inner structures by measuring induced acoustics and vibrations. It can identify a pre-indication of failure by taking advantage of the characteristics that the amount and occurrence rates of AE and MS increase rapidly prior to large scale destruction of the target structures. The monitoring system consisting of high-quality sensors, high-speed data acquisition device and the operation program is required for the practical application of this method. Recently, the AE and MS monitoring systems have been localized. In particular, the developed operation software which can analyze and interpret the measured signals was demonstrated through a number of applications to domestic fields. This report introduces the configuration and features of developed monitoring system, then the challenges and future direction of AE monitoring in geotechnical structures are discussed. Keywords: Acoustic emission, Microseismic, Monitoring, Operation software, Early warning 초록 : 미소파괴음과미소진동을이용한지반구조물계측은구조물내부의미시적변형이나파괴거동을음향과진동으로계측하는방법으로, 계측대상의대규모파괴에앞서이들의발생량과발생빈도가급격히증가하는특성을활용하여파괴의사전징후를파악할수있다. 이방법의실제적용을위해서는고사양의센서, 고속의신호획득장치그리고운영프로그램으로구성된계측시스템이요구된다. 근래국내기술에의한현장계측용미소파괴음과미소진동계측시스템이개발되었다. 특히계측된신호를분석하고해석할수있는다양한기능의운영프로그램을개발하고선진외국제품과의상호비교를통해효용성을평가하였다. 본보고에서는개발된미소파괴음계측시스템의구성과특징등에대해소개하고, 향후해결과제와나아갈방향에대하여논의하였다. 주요어 : 미소파괴음, 미소진동, 계측, 운영프로그램, 조기경보 1. 서론 요즘산사태나지반침하와같은지반관련사고로이에대한국민적관심이증대되고있다. 지반구조물의파괴는대부분인간에게경제적, 사회적인피해뿐아니라신체적, 정신적인피해를유발한다. 특히대형 *Corresponding author: Y.B. Jung E-mail: ybjung@kigam.re.kr Received August 29, 2014; Revised September 16, 2014; Accepted September 18, 2014 구조물인터널, 지하공간구조물, 사면등은다른재난에비해그피해가더큰경우가대부분이다. 따라서파괴가발생하기전에이상징후를감지할수있다면이러한피해를경감시킬수있다. 이상징후의감지는계측을통한안전감시를수행함으로써실현될수있으며, 구조물의안전감시는감시대상의목적과특성그리고시기등에따라달라져야한다. 안전감시를위해사용되는기술을흔히계측이라표현할수있으며, 계측은인간의능력과계측기기의성능을조합해서공학적인정보를정확하게수집하여 Copyright c2014, Korean Tunnelling and Underground Space Association This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativescommons.org/license/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

천대성ㆍ정용복ㆍ박의섭 분석하는행위로정의할수있다 (KSMI, 2006). 토목건설분야에현재널리이용되는계측방법은변위, 지하수위, 응력등을이용한방법이다. 그러나이러한종래의계측방법은파괴의사전징후를감지하기에다소부족한부분이있어미소파괴음 (Acoustic Emission, AE) 이나미소진동 (MicroSeismicity 또는 MicroSeismic event, MS) 을이용한계측이선진외국을중심으로활용되고있으며, 근래들어국내에서도활용하기시작하였다 (Hong et al., 2006; Cheon et al., 2008; Cheon et al., 2011). 미소진동은미소지진음으로표현되기도하지만, 지진과구별하기위해서진동이라는용어를사용하는것이보다합리적으로인식되고있다 (Song et al., 2012). 또한미소진동은인위적인행위에의해유발되었다는한정적의미로유발진동 (induced-seismicity) 으로표현될수있다. 미소파괴음과미소진동은응력의재분배에의해균열이생성될때나오는순간적인에너지방출과동반되는탄성파로서, 주파수범위, 관심대상등에따라구분될수있다 (Cai et al., 2007). 두용어를분리하는기준으로일반적으로 10 khz가주로사용되며, 미소파괴음은 10 khz 이상의고주파를일컫는다. 그러나본보고에서미소파괴음은미소진동을포함하는포괄적인의미로사용하였다. 이들은대규모파괴에앞서발생량과발생빈도가급격히증가하는경향을보여파괴의사전징후를포착하는데이용될수있다. 또한설치된센서지점이외에도주변의일정범위를계측가능하기때문에다른방법에비해광범위한계측영역을갖는다. 계측범위는사용되는센서의주파수, 센서사양, 센서배치, 대상지역의지반특성등에따라달라진다. 계측된하나의파형으로부터횟수, 진폭, 지속시간등여러파라미터를추출할수있어하나의신호로부터다양한정보의획득이가능하다. 아울러발생지점과발생균열메커니즘의규명도가능하다. 미소파괴음을이용한기술은 1930년대전후광산에이용된이후최근에는셰일가스개발, 심부지열개 발, 이산화탄소지중저장등에도널리활용되고있다. 이기술을구현하기위해서는종래계측장비에비해고속의신호획득장치와운영프로그램, 고사양의센서등으로구성된계측시스템이요구된다. 선진외국의경우이미관련산업과목적에맞춰계측시스템을개발하여사용하고있다. 이에반해국내에서는뒤늦게한국지질자원연구원에서미소파괴음계측시스템을개발해오고있다. 본보고에서는개발이력, 특징, 향후과제등을중심으로국내기술로개발된미소파괴음계측시스템을소개하고자한다. 2. 미소파괴음계측시스템의국외개발현황 2.1 계측시스템의구성 미소파괴음계측시스템은계측의목적, 계측대상의특성, 사용조건등에따라달라지나, 일반적으로센서, 프리앰프, 신호획득장치, 운영프로그램으로구성된다 (Fig. 1). 계측시스템의각장치는다음과같은기능과특징을갖는다. AE 센서는주로압전물질로만들어지며실내용으로사용되는경우는프리앰프가내장되지않는경우가대부분이지만현장용의경우일반적으로프리앰프가내장되어있다. 암석이나콘크리트의경우 10 khz 에서 100 khz를통과대역으로사용하는반면금속은이보다더고주파까지통과대역을사용한다. 현장에서는감쇠를고려하여 15 khz 나 60 khz 가사용되는경우가많다. MS 센서의경우일방향가속도계나지오폰, 하이드로폰을사용하며계측범위에따라대역폭을달리사용한다. 센서에서측정된신호는프리앰프에의해증폭되어신호획득장치로전송된다. 신호획득장치는주파수필 터와메인앰프등을통해필터링작업이가능하며, A/D 컨버터나 DSP (Digital signal processor) 를통해 계측된신호를처리하여운영프로그램으로전달한다. 472

지반구조물안전감시용미소파괴음계측시스템개발 Fig. 2는미국 PAC사의신호획득장치인 PCI-DSP4의내부모식도를보여준다. 신호획득장치는제조사에따라다르나 PAC사제품의경우파형모듈이옵션으로존재하는경우가있으며, 파형모듈이없는경우는측정된신호파형을볼수없고다만발생된미소파괴음의횟수, 파라미터값등만을측정할수있다. 운영프 로그램은신호획득장치에서전달받은신호를실시간으로가시화시켜주며, 시간별발생횟수, 발생위치등의정보를제공한다. 미소파괴음계측시스템은신호취득속도가높고자료양이많을수있기때문에충분한하드디스크와빠른 CPU를사용하는것이좋다 (JANDT, 2008). Fig. 1. Examples of AE and MS monitoring system (www.pacndt.com, www.esgsolutions.com) Fig. 2. Example of DAQ board for AE signal detection 473

천대성ㆍ정용복ㆍ박의섭 2.2 국외개발현황전술한바와같이선진외국의경우는목적에맞게계측시스템을개발, 생산하고있다. AE 계측시스템의경우미국의 PAC사, 독일의 Vallen사등이, MS 계측시스템의경우캐나다의 ESG, 영국의 ASC 등이널리알려져있다. 본보고에서는지반분야에서국내에비교적잘알려진 PAC사와 ESG사의시스템에대하여소개한다. 두회사의공통된특징으로자체적으로센서와계측장치, 그리고운영프로그램을개발, 생산하고있다는점이다. PAC (Physical Acoustics Corporation) 사는 1968년창립된이후장비와운영프로그램을개발하고기계, 항공, 플랜트등많은분야의현장에 AE 계측을적용하고있다. 이회사는 MISTRAS 그룹의일원으로비파괴검사시험에관한업무도수행하고있다. 또한 AE와관련한자체교육프로그램을운영하고있으며, 근래에는 REACT 부서를만들어학교와산업체와의공동연구를담당하고있다. 제품생산분야는크게센서, 앰프, 신호획득장치, 운영프로그램등이있으며, 적용산업에따라다양한응용제품과보조장치등을생산하고있다. PAC 사는세계최고수준의아주다양한 AE 센서를생산하고있으며, 생산되는 AE 센서의 종류는일반용도용, 프리앰프내장형, 광대역, 차동형, 소형, 저주파수용, 고온용, 방수용등이있다 (Fig. 3(a)). 앰프의경우프리앰프, 포스트앰프, 안전용프리앰프, 전하형프리앰프등이있다 (Fig. 3(b)). 자료획득장치의경우 18 bit나 16 bit의 2 채널, 4채널, 8채널등의보드와이동형소형보드, 그리고 DSP를답재한보드등을생산하고있으며, 이들을결합하여 56채널, 80 채널등으로확장할수있다 (Fig. 3(c)). 운영프로그램에서도다양한제품군을생산하고있으며, AEwin TM, AEwinPost TM, NOESIS, PAC AE viewer, Moment Tensor 등이이에해당한다. AEwin TM 은대표적인운영프로그램으로실시간으로 AE 신호를획득하고, 필터링, AE 신호특징추출, 경보, 다중음원기능, 2D와 3D 가시화, 클러스터링, FFT 처리등을수행할수있다 (Fig. 4(a)). AEwinPost TM 는 AEwin의후처리프로그램으로서, AE 신호특징추출, 상세필터링, 자료통합등의기능이있으며자료획득장치가없는컴퓨터에서활용될수있도록개발되었다. NOESIS는보다향상된후처리프로그램으로서 AE 신호의고급필터링, 데이터통계, 클러스터, 패턴인식과인공신경망을이용한신호처리등이가능하다 (Fig. 4(b)). ESG사는캐나다토론토대학교의 Paul Young 교수의제자들을중심으로 1993년만들어진회사로서, (a) Sensor (b) Amplifier (c) DAQ board Fig. 3. Products of PAC company (www.pacndt.com) 474

지반구조물안전감시용미소파괴음계측시스템개발 PAC사와유사하게센서, 자료획득장치, 운영프로그램등을자체제작, 생산하고있다. 다른점으로는사업대상이미소진동이라는점과기술서비스에대한영역에도많은부분을할애하고있다는점이다. 생산되는센서는 4.5 Hz와 15 Hz의일방향과삼방향지오폰, 고정밀의일방향과삼방향가속도계, 그리고지오폰과가속도계를활용한다운홀배열센서등이다 (Fig. 5(a)). 자료획득장치로는 24 bit 와 32 bit의반영구적인 3종류의 DAQ 보드를제작하고있으며, Paladin Viper 제품은현재전세계적으로수백개소이상의광산과 석유가스전에서활용되고있다 (Fig. 5(b)). 특히 Paladin IV는최신의자료획득장치로서이더넷을통한동기화, 플러그앤플레이기능등의향상된성능을가지고있다. 운영프로그램으로는 1994년부터개발해온 HSS (Hyperion Seismic Software) 이있으며, 자료획득모듈인 HNAS, 파형가시화모듈인 WaveVis TM, 3차원가시화및해석프로그램인 SeisVis TM, 파괴모드해석용 SMTI TM, 스페특럼분석용등의프로그램이있다. Fig. 5(c) 는 HSS를이용하여광산에서계측된미소진동의위치와크기를보여주는화면이다. (a) Example screen of AEwin TM (b) Example screen of NOESIS Fig. 4. Operation software developed by PAC (www.pacndt.com) 475

천대성ㆍ정용복ㆍ박의섭 (a) Sensors (b) DAQ 32 bit Paladin IV (c) Example screen of HSS Fig. 5. Products and operation software of ESG (www.esgsolutions.com) 3. 미소파괴음시스템개발 3.1 개발이력국내지반분야에서 AE에관련된연구는 1980년대전후부터보고되었으나, 대부분실내실험에국한되어수행되었다 (Park, 1981; Ko, 1983). 이들연구는구조물의계측에관한실용적목적보다는작은크기의시료를활용한순수연구용이었다. 이후 2006년에한국지질자원연구원에서현장계측목적의 AE와 MS 계측시스템시작품을개발하였다. 초기제작된시스템은두종류로써 AE와 MS 계측에모두적용이가능한 PXI 형식 ( 측정및자동화시스템을위한견고한 PC 기반의플래폼 ) 의시스템과 MS 계측에만가능한시스템으로구성되었다 (Table 1). 이시스템은 AE 계측용에는미국 PAC사제품의압전센서를, MS 계측용에는캐나다 ESG사의일방향가속도센서를사용할수있도록제작되었다. 신호획득장치는 NI사제품을이용하였으며, 운영프로그램은 Labview 프로그램을이용하여제작되었다. 초기개발된운영프로그램은 Table 1. DAQ configuration of prototype AE and MS monitoring system (KIGAM, 2006) Configuration DAQ of prototype AE and MS monitoring system Max. sampling rate: 1 MHz PXI type 16Bit resolution up to 12 channels PXI-6120(NI corp.) DAQ of prototype MS monitoring system Max. sampling rate: 51.2 khz USB type 24 Bit resolution up to 12 channels cdaq-9172(ni corp.) Note High performance and high cost Relative low cost, only use for MS events 476

지반구조물안전감시용미소파괴음계측시스템개발 하나의모듈로구성되었으며, 설정된검출한계이상의신호가감지되는경우자료를저장하고신호의발생위치를추적할수있도록구성되었다. AE와 MS 계측시스템을국내에적용할때의어려움중하나는기술에대한인식부족과함께다른계측방법에비해 AE와 MS 계측장비가고가라는점이다. 이는 AE와 MS 신호가고주파의탄성파이기때문에고속의신호취득이가능한신호획득장치가필요하며, 일반적으로고속신호획득장치는고가이기때문이다. 또한고속신호를처리하는운영프로그램비용또한기존의계측운영프로그램에비해비싸다. 이러한문제점에도불구하고 AE와 MS 계측방법이주는여러장점으로인해선진외국에서는널리사용되고있다 (Cheon et al., 2008). 따라서시작품형태의계측시스템은비용절감을고려하여실험장치에범용 으로사용되는여러신호획득장치를검토하여선정하였다. 범용의신호획득장치가가지는한계점을극복하고국내현장여건을고려하여운영프로그램을자체제작하게되었다. 최초제작된운영프로그램은 CPU 와메모리를고려하여 AE 계측용운영프로그램 (AE scope) 와 MS 계측용운영프로그램 (MS scope) 로구분하였다. 개발된시스템에대한성능평가는실내실험과현장실험을통해이루어졌으며, 본보고에는 MS 계측에대해캐나다 ESG사의제품과기술이적용된여수유류비축기지의계측신호와비교, 검토한내용을제시하고있다. 여수유류비축기지에사용된장치는일방향가속도계인 A1030 센서와 6채널 24비트인 Paladin 신호획득장치, HSS 운영프로그램을사용하였다. 본연구원에서는가행광산에구축한지하연구실험실 (a) Seismic wave pattern by blasting using ESG monitoring system (b) Seismic wave pattern by estimated brittle failure using ESG monitoring system (c) Seismic wave pattern by blasting using self-developed monitoring system (d) Seismic wave pattern by hammering using self-developed monitoring system Fig. 6. Comparison of seismic wave patterns between ESG and KIGAM self-developed monitoring system 477

천대성ㆍ정용복ㆍ박의섭 (Underground research laboratory) 에일방향가속도계인 A1030센서와 cdaq-9172 로구성된신호획득장치, MS scope 운영프로그램을사용하였다. 여수유류비축기지의경우발파, 천공, 스케일링등다양한작업이수행되었고취성파괴로추정되는파형에대한계측도이루어졌다. 지하연구실험실에서는파형의비교를위해발파와취성파괴와파형이비슷할것으로추정되는해머타격이수행되었다. Fig. 6은두시스템에서계측된신호를비교한것이다. 발파작업에의한파형은뚜렷한주기적인특성이나경향을보이지않고, 일정시간동안지속적인파형을보인다. 신호의최대진폭은신호발생위치와센서사이의거리등여 러인자에의해달라지지만대략수 V로계측되어두시스템의계측결과가유사성을보임을알수있다. 취성파괴로추정되는측정파형은발생규모에따라최대진폭이차이가발생하지만계측초기의짧은시간에에너지가집중된후소멸되는패턴이해머타격과유사하다. Fig. 6의진폭은사용된센서가 30 V/g이기때문에진폭이 1 m/s 2 인경우약 3 V에해당한다. 성능평가와더불어개발된시스템을광산, 지하연구실험실, 터널, 사면등에적용을통해성능개선작업을수행하였다. 성능개선작업결과로부터 AE와 MS 계측시스템의신호획득장치를같이사용하지않고각각의특성에맞게사용하는것이경제적인측면이 Fig. 7. Development history of AE and MS monitoring hardware system Fig. 8. Development history of the AE and MS monitoring software system 478

지반구조물안전감시용미소파괴음계측시스템개발 나현장적용성등에서효율적이어서 Fig. 7과같이 AE 계측용과 MS 계측용으로분리하였다. 또한사용되는센서와신호획득장치의호환문제로인하여 MS 의경우추가적인장치가필요하였으며, 현장작업의편리성을위해산업용컴퓨터를이용하여일체화시키고, 소형화시켰다. AE 계측용역시센서연결부위의배치와전기회로등을검토하여저전력의소형장치로변환하였다. 운영프로그램의경우에있어서는 AE와 MS 모두같은탄성파이기때문에 AE scope와 MS scope로나누어져있던운영프로그램을 AEMS solution이라는명칭으로통합하였다. 다만통합에따른각각의헤더파일의구분과신호처리속도, 프로그램안정성, 메모리할당등을고려하여 Fig. 8과같이 7개의모듈로구성하였다. Observer 모듈에서신호의고속획득에중점을두었으며, 1D/2D/3D analyzer 모듈의경우후처리기능을주로수행하도록하였다. 현재는시스 템의안정적활용과보다소형화를위하여 crio 방식의하드웨어와이에연동할수있는운영프로그램을개발중에있다. crio 는 compactrio를줄여서일컫는용어로써재구성이가능한임베디드컨트롤및수집시스템을말한다. 3.2 하드웨어구성현재현장에서활용되고있는미소파괴음계측시스템의하드웨어구성은 Fig. 9와같으며, 사양은 Table 2에제시되었다. 센서는계측대상의규모, 목적등에따라 AE 센서또는 MS용일방향 / 삼방향가속도계를사용하며, 신호획득장치를포함한계측시스템은사용되는센서에따라 AE 계측용과 MS 계측용으로구분된다. 계측시스템의비용중많은부분을차지하는신호획득장치는 4채널이사용되기때문에채널수에따라최소 4 채널에서 12 채널까지확장이가능하다. Fig. 9. Configuration of Self-developed AE and MS system Table 2. Specification of AE and MS monitoring system Type Sensor Signal conditioner DAQ board Piezoelectric sensor 15 khz or Sensor w/ preamp. 60 khz DAQ board(iepe) provided (PAC corp.) Acoustic Emission(AE) monitoring system MicroSeismic (MS) monitoring system Directional (Uniaxial or Triaxial) accelerometer 50 Hz 5kHz (ESG corp.) Self-developed conditioner 4ch or 12ch per each 28 V power supply NI PCI-4462 204.8kHz sampling rate 24bit, up to 12 channel NI-9233 51.2 khz sampling rate 24bit, 12 channel 479

천대성ㆍ정용복ㆍ박의섭 최근개발중인시스템은동기화기능을강화하여 24 채널, 36채널등의확장이가능하도록구현하고있다. AE 계측용의경우초기시작품과달리 PCI-4462 신호획득장치를사용하며, MS 계측용의경우신호획득장치로 NI-9233이사용된다. NI-9233 을사용하기위하여 USB 형태의 cdaq NI-9172가추가적으로사용되며, NI-9172는 4슬롯 16채널까지확장이가능하다. 현장에전원이공급되지않는경우를대비하여배터리와같은전력공급장치를부가적으로사용한다. 현장에서계측된자료는무선통신이가능한경우에는무선통신방식으로, 그렇지않은경우에는유선방식을사용한다. 사면과같이지상에설치된경우에는무선통신을쉽게이용할수있으나, 터널과같은경우에는무선통신이용이하지않을수있다. 터널의경우유선방식인광케이블이나전력선통신등을설치하는것이안정적인신호를받을수있는장점이있다. 그러나광케이블의경우설치작업을위해서차량등과같은현장지원이필요하며, 케이블설치길이가수 km 이상인경우에는비용적인측면을고려하여야한다. 전력선통신은전력을공급하는전력선을매개로신호를수십내지수백 khz 이상의고주파신호에실어통신하는방법이다. 이방법의장점은기존에설치된전력선을이용하여별도의케이블설치작업을수행하지않아도된다는점이다. 다만전력선중간의변압기가있는경우변압기양단에추가적인모뎀의설치작업이필요하며, 신호의왜곡현상이발생할수있는것등이단점이다. 지하공간에사용되는무선통 신은지하공간의구조가복잡하지않은경우에사용가능하다. 곡률이크지않은선형의장대터널같은경우무선브릿지를이용하여수 km에대해통신이가능하다. 3.3 운영프로그램미소파괴음계측시스템의중요부분중하나로운영프로그램을꼽을수있는데, 이는측정된자료를현장상황이나목적등에따라적절하게재현해줄뿐아니라사용의편리성, 자료해석의정확도향상등에기여하기때문이다. 운영프로그램은앞서전술한바와같이 AE 계측용과 MS 계측용으로구분되어사용되던프로그램을하나의운영프로그램인 AEMS solution으로통합하였다. 개발된운영프로그램은 7개의모듈로구성되어있으며, 4개의모듈은원격지의현장계측용, 3개의모듈은사무실의서버용으로사용된다. 각모듈의담당기능은 Table 3과같다. AEMS solution은다양한기능을제공하고있으며, 대표적인기능을열거하면다음과같다. 실시간계측과원격계측 검출한계설정등각종환경설정 고속자료획득과저장 자료필터링과 FFT 분석 시간별자료처리와후처리 위험수준알람기능과 e-mail 발송기능 데이터리뷰 Table 3. Features of modules in AEMS solution software System Module Main Feature Field system (Local Data acquisition equipment) Office system (Server and Analysis equipment) Observer Data viewer Data sender Data receiver 1D analyzer 2D analyzer 3D analyser Signal measurement and storage Check and view of measured data Data transmission through FTP Data receiving through FTP Data analysis in an 1D condition Data analysis in a 2D condition Data analysis in a 3D condition 480

지반구조물안전감시용미소파괴음계측시스템개발 다양한방식의초동시간설정 차원 (1D, 2D, 3D) 에따른음원발생위치추적 AE 파라미터분석및내보내기 다양한방법의음원분석 파괴메커니즘분석 AEMS solution 은 7개전체모듈을관리하며, Fig. 10과같은환경설정을위한화면이제시된다. 환경설정화면은 5개탭으로구성되어있으며, Measurement 탭에서는계측시스템선정, 신호저장시간선정, 검출한계등기본변수를설정하며, Channels 탭에서는사용채널수와신호획득장치등을설정한다. Alarm & Excu 탭은위험수준기준과이메일전송등과관련되어있으며, Algorithm 1과 Algorithm 2는초동발췌방법, 음원해석방법, 감쇠특성등과관련되어있다. 환경설정내용은측정신호저장파일의헤더부분에기록되어개개의모듈에서공통적으로사용될수있도록연결자역할을한다. Observer 모듈은센서로부터신호를수집, 저장하는역할을수행하며, Fig. 10의 Tools 메뉴에서 Observer 를실행하거나, 환경설정화면하단의체크박스를이용하여자동으로실행시킬수있다. Observer 모듈은전체적인신호의크기를보여주는 Level Trend 탭, 현재의신호를보여주는 Time Signal 탭, 저장된신호를보여주는 Triggered Signal 탭, 계측된신호의시간에따른변화를보여주는 Hit Rate 탭, 그리고환경설정내용과프로그램정보를제공하는 Setup 탭과 About 탭이있다 (Fig. 11(a), (b)). Triggered Signal 탭의신호자료는검출한계 (trigger level) 을넘는신호가센서에도달하는경우에계측된자료이다. Data viewer 는현장에서 Observer 모듈을실행하지않고계측자료와 AE 파라미터등을볼수있도록개발된모듈이며, 계측자료는확장자가 CSV인파일로내보내기가가능하다. (a) Trend of signal screen (b) Triggered signal screen Fig. 10. Setup window of AEMS solution Fig. 11. Example screens in Observer module 481

천대성ㆍ정용복ㆍ박의섭 Fig. 12. Function of data sender and data receiver modules Data sender 모듈은 Observer 모듈이수집, 저장한데이터파일을 FTP 통신을이용하여원격지에있는서버컴퓨터로전송하는기능을수행하며, Data receiver 모듈 은 Data sender 모듈에서전송한파일을서버로수신하는역할을한다. AEMS solution 은여러지역의로컬계측시스템으로부터하나의서버로자료의전송이가능하도록설계되었다 (Fig. 12). Analyzer 모듈은현장에서계측된자료에대한보다상세한분석을위한모듈로서, 적용대상의특성과분석능률향상, 음원발생위치해석의정확도향상등을위해 1차원 (1D), 2차원 (2D), 3차원 (3D) analyzer로구분되어있다. 계측신호의구분은환경설정의 Source ID method 에서결정된정보를통해이루어진다. 1차원해석의경우복잡하지않은터널, 단층대나불연속면을통과하여설치된록볼트등을이용한경우, 또는웨이브가이드를이용한사면계측등에활용된다. 2차원해석은특정터널의단면등과같이평면을계측대 (a) Raw data screen (b) Manual picking screen (c) AIC picking screen (d) Multiple source analysis Fig. 13. Various picking methods in Analyser module and multiple analysis function 482

지반구조물안전감시용미소파괴음계측시스템개발 상으로한경우에활용된다. 3차원해석은 3차원적인센서배열을통해보다정밀한계측과음원위치결정, 파괴메커니즘분석등을수행할때활용된다. Analyzer 모듈은 Raw data 탭, Filtered Signal 탭, Simple 탭, Manual 탭, Picking window 탭, AIC 탭, Header 탭으로구성되어있다 (Fig. 13(a), (b), (c)). Raw data 탭은일정검출한계에의해저장된자료를보여주며, Filtered Signal 탭은사용자가일정주파수밴드를이용하여필터링한자료를보여준다. Simple 탭은초동발췌에있어일정검출한계를넘는지점을선택하는방식이며, Manual 탭은사용자가파형을검토하면서초동발췌시간을선택하는방식이다. Picking window와 AIC 탭은크기가다른두개의윈도우를이동시키면서두값의일정비율이넘는지점을초동발췌시간으로산정하는방식이며, AIC 알고리즘을이용하여초동발췌를하는탭이다. AIC 알고리즘에의한초동을발췌하는방법은 Maeda (1985) 가제시한방법에기초하였다. 이들을통해 1차원, 2차원, 3차원음원이각각계산되며, Tool 메뉴의 Multiple analysis 를수행하는경우, 모든방식으로계산된음원이제시 된다. 음원발생위치추적에사용되는방식은도달시간차를이용하는방식인 TDOA (Time Difference of Arrival) 방식이주로활용되고있으며, Analyzer 모듈역시기본적으로 TDOA 방식을제공한다. 이방식을사용할때는항상분석되는차원에하나이상의추가센서에서신호가측정되어야하며, 이렇게각각의센서에서측정된신호의도달시간차를사용하여계산한다. 그러나이방식은간혹음원결정을하지못하고발산하는경우가있어, 유전알고리즘의하나인 RCGA (Real Coded Genetic Algorithm) 을이용하여음원발생위치결정의신뢰성을향상시켰다. Fig. 14는본프로그램에사용되는 RCGA의프로세스를보여준다. 3차원에서결정된음원으로부터균열모드를결정할수있으며, 3D Analyzer 모듈에서 6개이상의센서에감지된신호에한해서이기능이구현되도록하였다. 균열모드의결정은 Polarity와 SiGMA 방식이사용되었다. Fig. 15는임의로생성한음원에대한균열모드분석화면을제시한것이다. Fig. 14. RCGA process in Analyzer module 483

천대성ㆍ정용복ㆍ박의섭 Fig. 15. Failure mode analysis 4. 맺음말 구조물의안전관리에대한인식과관심은지속적으로증가하고있으며, 특히지반구조물의재해는그규모와피해가크기때문에이에대한안전감시가매우중요하다. 이러한지반구조물의재해대응에관한방법중본보고에서는미소파괴음을이용한방법과이에관련된계측시스템의개발에대해서술하였다. 미소파괴음을이용한계측은지반구조물내부의미시적변형이나파괴거동을음향과진동을이용해계측하는방법으로종래의계측방법에비해파괴현상을사전에감지할수있는장점을가지고있다. 그러나전술한바와같이다소고가의계측시스템이요구되는기술적측면과계측의중요성에대한사회적공감대등의사회적측면이해결되어야하는과제로여겨진다. 특히계측시스템에있어다른선진외국에비해늦게개발, 적용되고있으며, 아직앞으로해결해야할과제들이남아있는것은사실이나국내독자기술로여러구조물에대한현장적용이이루어지고있는점은주목할만하다. 미소파괴음계측기술은센서, 자료획득장치, 운영프로그램으로구성된계측시스템과이를활용한분석, 해석기술로구분될수있다. 센서의경우아직 신뢰성이나내구성이충분히검증되고있지않지만국내업체에서개발이이루어지고있으며, 또한 MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) 를이용한개발을통해국내개발이가능할것으로보인다. 자체개발된운영프로그램은현장중심형으로개발되어지반구조물에적용하는데보다실용성을높였다. 해석과분석기술이있어서다양한방법을채택함으로써보다객관적인분석이가능하도록하였다. 또한운영프로그램은현재도지속적으로향상되어나가고있어미소파괴음기술을적용하는데있어중요한역할을수행할것으로여겨진다. 또한앞으로재해대응안전감시의목적을위해서는다양한지반구조물에대한계측과운영경험등을통한자료의지속적인축적과이를바탕으로한신뢰성이향상된관리기준등이마련되어야할것으로보인다. 미소파괴음의계측은미소파괴음자체의이벤트가발생하는것을예상할수는없으나미소파괴음이발생한원인을파악하고관련된위험성 (hazard) 를파악할수있어이와관련된위험도 (risk) 를관리할수있다. 또한위험성이있는미소파괴음이발생할것같은지반구조물의위치를규정할수있어이러한관점의안전감시개념을활용한다면지반구조물의재해대응에보다유용하게활용될수있을것으로기대된다. 484

지반구조물안전감시용미소파괴음계측시스템개발 감사의글 본연구는한국지질자원연구원주요사업인 지하 암반내열에너지저장을위한핵심기술개발 과제의 일환으로수행되었습니다. References 1. Cai, M., Kaiser, P.K., Morioka, H., Minami, M., Maejima, T., Tasaka, Y., Kurose, H. (2007), FLAC/ PFC coupled numerical simulation of AE in largescale underground excavation, Int. J. Rock Mech. and Mining Sci., Vol. 44, pp. 550-564. 2. Cheon, D.S., Park, E.S., Jung. Y.B., Park, C., Synn. J.H. (2008), Monitoring technique using acoustic emission and microseismic event, Tunnel & underground space, Vol. 18, pp. 1-9. 3. Cheon, D.S., Jung, Y.B., Park, E.S., Song, W.K., Jang, H.J. (2011), Evaluation of damage level for rock slopes using acoustic emission technique with waveguides, Vol. 121, pp. 75-88. 4. ESG, www.esgsolutions.com 5. Hong, J.S., Lee, H.S., Lee, D.H., Kim, H.Y., Choi, Y.T., Park, Y.J. (2006), Microseismic event monitoring of highly stressed rock mass around underground oil storage caverns, Tunnelling & Underground Space Technology, No. 214. 6. JANDT (2008), Acoustic emission(translated edition), goomibook, p. 446. 7. KIGAM (2006), A study on the safety monitoring techniques for underground space facilities, OAA- 2004004-2006(3), KIGAM, p. 406. 8. Ko, H.J. (1983), A study on A.E. source location of cylindrical specimen and plate with a circular hole under uniaxial compressive stress, Master thesis, Seoul National University, p. 48. 9. KSMI (2006), Theory and practice of safety monitoring on underground structure. goomibook, Seoul, p. 446. 10. Maeda, N. (1985), A method for reading and checking phase times in auto-processing system of seismic wave data, Jishi Vol. 38, pp. 365-379. 11. PAC, www.pacndt.com 12. Park, C.W. (1981), A study on acoustic emission during laboratory shear test in rock, Master thesis, Seoul National University, p. 87. 13. Song, Y.H., Park, M.H., Jeon, J.S., Lee, J.M, Cho, C.S., Lee, T.J. (2012), Construction of a microseismicity observation network borehole accelerometers for monitoring geothermal reservoir, Korean society of mineral energy resources engineers, Vol, 49, pp. 487-497. 485

J of Korean Tunn Undergr Sp Assoc 16(5)487-495(2014) eissn: 2287-4747 http://dx.doi.org/10.9711/ktaj.2014.16.5.487 pissn: 2233-8292 주방식지하구조물의설계방법고찰 Part I: 매개변수연구 이철호 1 ㆍ황제돈 2 ㆍ김은혜 3 ㆍ장수호 4 * 1 정회원, 한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실전임연구원 2 정회원, 에스코컨설턴트, 사장 3 정회원, 에스코컨설턴트, 대리 4 정회원, 한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실연구위원 Consideration on design procedure of room-and-pillar underground structure part I: parametric study Chulho Lee 1, Jedon Hwang 2, Eunhye Kim 3, Soo-Ho Chang 4 * 1 Research Specialist, Geotechnical Engineering Research Division, SOC Research Institute, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 2 President, ESCO Consultant & Engineers Co., Ltd. 3 Engineer, ESCO Consultant & Engineers Co., Ltd. 4 Research Fellow, Geotechnical Engineering Research Division, SOC Research Institute, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology ABSTRACT: In this study, in order to suggest the design method for supports in the room-and-pillar underground structure, the case study was carried out. In the case study, shape of rock pillar and room was mainly considered. From the analysis, a displacement at the roof, the maximum principle stress and plastic state were examined. To optimize variables in the case study, cases from the Seoul metro station were analyzed, then a target depth of the underground structure and ground conditions were determined. And the height of rock pillar and room were chosen from the assumed purpose of underground space, i.e. living/office and warehouse. Total cases of analysis was 180 cases including 3 types of ground condition, 5 types of rock pillar and 6 types of roof span. It is expected that results from analysis can be used to determine the installation of support in room-and-pillar underground structure with stability, utilization efficiency of underground space and applicability of vehicles. Keywords: Room and pillar method, Support, Numerical analysis, Design, Stability, Parametric study 초록 : 본연구에서는주방식지하구조물에서지보재설계를위한매개변수연구를수행하였다. 지보재설계에앞서설계에필요한암주와공간의형상별천단변위, 최대주응력, 소성영역에대한해석을수행하였다. 해석에사용할매개변수를최적화하기위해주방식지하구조물의대상심도와지반조건은기존지하철정거장건설사례를분석하여결정하였으며지하공간의활용목적에따라암주의형상과공간의형상을설정하여총 180 가지의경우를선택하였다. 매개변수해석을통해획득한결과는향후지하구조의안정성과공간활용성, 시공장비의적용성을고려하여지보재설계와설치여부를판단할수있는근거자료로활용될수있을것으로판단된다. 주요어 : 주방식공법, 지보재, 수치해석, 설계, 안정, 매개변수연구 1. 서론 주방식공법 (Room and pillar method) 은광산분야 *Corresponding author: Soo-Ho Chang E-mail: sooho@kict.re.kr Received September 2, 2014; Revised September 19, 2014; Accepted September 22, 2014 에서시작된공법으로서수평또는거의수평으로매장되어있는광물을채굴할목적으로적용되는공법이다 (Hartman and Mutmansky, 2002; Dariling, 2011). 주방식공법이적용된광산에서는여러굴착면에서동시에작업이이루어지는방식으로진행되기때문에생산성과효율성이높은공법으로알려져있다. 또한채광작업의생산성과효율을높이기위해 Copyright c2014, Korean Tunnelling and Underground Space Association This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativescommons.org/license/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

이철호ㆍ황제돈ㆍ김은혜ㆍ장수호 필요에따라서남겨놓았던암주를채굴하기도한다. 이러한공법은넓은지역에걸쳐수평하게분포하는광물을채굴하는데에이상적인공법으로서미국등을중심으로사용되어왔다 (Lee et al., 2013a). 미국캔자스 (Kansas) 에서는 1960년대부터기존의석회암광산을주방식공법을활용하여확장하고물류센터, 우편물집중국, 사무실등의대규모상업지하공간 (Subtropolis) 으로활용하고있다 (Carmody and Sterling, 1993; Lee et al., 2013a). 이러한주방식지하구조물에서구조물의안정성을고려한설계법은자원개발분야에서의설계법과는성격이다르다. 기존자원개발에서의주방식채광은채광기간동안단기적인암주의안정성을유지할수있을정도의암주설계를통해최대한많은채광량을확보하는것이주안점이라면공간확보측면에서의주방식굴착공법은중장기적인공간구조물의안정성확보에더욱주안점을두어천장부와암주부가연계된하나의통합구조물로써설계가이루어져야한다는점이다르다고할수있다. 주방식공법에서설계된암주의규격은추후에변경되지않으며, 천장부설계와암주부설계가단계적으로분리되어수행되지않으므로, 하나의연계구조체로써구조적안전성을확보하는설계가이루어져야한다. 따라서, 공간확보차원의주방식굴착에서는전체주방식구조물이상재하중을중장기적으로지지할수있어야하고암주사이에형성된공간의천장부 (roof) 와각각의암주가안정성을유지하여공간활용에문제가없어야한다 (Lee et al., 2013b). 기존주방식채광공법에서암주의설계는암주의강도와암주의응력상태를고려하여안전율을산정하는경험적인방법으로연구가진행되어왔다 (Hedley & Grant, 1972; Hardy & Agapito, 1982; Kimmelmann et al, 1984; Potvin et al, 1989; Krauland & Soder, 1987; Lunder & Pakalnis, 1997; Sheorey et al, 2000). 이러한방법들은현장의초기응력상태와암주와기반암사이의경계조건등을고려하기어려운단점이있다. 또한, 천장부 (roof) 안정성검토에는암반의 경험적인등급분류를통한필요지보재량산정이유효하고수치해석방법을이용하여불연속면의영향을고려하는방법을택하고있다 (Esterhuizen et al., 2011). 또한, 미국 NIOSH (Esterhuizen et al., 2011) 에서제시한주방식광산설계가이드라인에서는천장부설계에대해기존주방식또는연속채광방식의광산에서붕괴사례나안정사례등을수집하여간단한차트형태로천장부설계가이드라인을제시하는데그치고있다. 주방식지하구조의안정성에영향을미치는요소는심도, 공간의형상, 지반조건등이있으며, 모든요소를고려한안정성해석에는한계가있기때문에본연구에서는매개변수를최적화할수있는세부항목을우선검토하였다. 연구에고려된항목은시공성및이용자접근성을고려한심도, 지하구조물이적용가능한지반의물성, 지하구조물용도에따른굴착높이, 암주와공간의형상이다. 각각의조건에대한안정성검토는수치해석을통해수행되었으며해석을통해주방식지하구조의천단변위, 최대주응력, 소성영역을검토하였다. 본연구의결과는설계에서고려해야할공간의형상을결정하는기초자료로활용될수있으며이를통해구조적안정성검토를수행하여지보설치여부를판단할수있는자료로활용될수있다. 2. 설계대상조건검토 2.1 대상심도및지반조건도심지지하구조물건설을위한주방식공법을검토하기위해서울지하철 1~3기에건설된지하철정거장의건설심도를분석하였다. Fig. 1은연구에서고려한서울지하철노선별적용심도를나타낸다. 서울지하철의경우 1기지하철을시점으로현재 3기지하철 (9호선) 을시공하고일부구간은운용을하고있다. 건설시기가늦은 2~3기지하철은기존의 1기지하철 488

주방식지하구조물의설계방법고찰 Part I: 매개변수연구 Fig. 1. Depth of Seoul subway stations from Line 1 to Line 9 물이계획될경우, 주어진상재하중을지지하기위해서는암주의폭이상대적으로커져야하므로공간활용성이불량해지고지보재사용량이늘어날수있어경제성과안정성확보에있어불리하게작용된다. 따라서, 본연구에서는서울시도시철도에적용된지반물성중보통암및경암의지반정수를조사하여 Table 1과같이 3가지경우로지반물성을선정하고해석에적용하였다. 이나자동차도로등의기시공된지하시설물의시공간섭을피하기위해시공심도가상대적으로깊어졌다. 그림에서나타나듯이, 1~3기서울지하철정거장중약 90% 이상이 30 m 이하의적용심도를보이며, 1기지하철의모든정거장은 30 m 이하에건설되었다. 따라서, 본연구에서는주방식지하구조물의심도를 30 m로적용하여기존지하시설물및지하철과의시공간섭을최소화할수있는심도이고주방식지하구조물의사용자접근성이양호할것으로판단하였다. 하지만, 부지선정에대한제약이있을경우주방식지하구조의적용심도는현장에따라달라질수있으며이때에는상재하중에대한고려가설계과정에서우선시되어야할것이다. 이는지하구조물의안정성검토의기준이되는것이상재하중이고상재하중에따라설계가능한암주의형상과공간의형상이달라지고지보재의사용여부가결정되기때문이다. 주방식지하구조물은인간이직접적으로주거하거나상업시설물등으로활용이되어야하기때문에장기적인안정성확보가중요하다. 또한, 주방식지하구조물은암주에의해상재하중을지지하는구조이므로주방식지하구조물을연약한지반에계획하기는어렵다. 상대적으로연약한지반에주방식지하구조 2.2 지하공간의굴착높이도시지하공간의용도, 기능및형태는지하철과같이광역적이고대규모네트워크를구성하는것에서부터일반건축물의지하층을이용하는데에이르기까지다양한형태로사용이가능하다. 지하공간의용도는지하에수용되는대상과그곳에서이루어지는기능의조합으로분류될수있다. 지하공간에수용되는주요대상이사람일경우, 거주나생산, 사무, 교육, 문화와같은공간이가능하고물품일경우, 에너지나폐기물, 보존자료, 창고등의공간이가능하다. 또한교통이나상하수도, 전기, 가스와같은공급시설이나정보의저장을목적으로하는지하대규모데이터저장시설도고려가가능하다. 지하공간의기능에따라서는대상의활동을처리하는기능으로써물류센터나역사, 터미널등을고려할수있고운송을위한도로나케이블, 운송파이프, 도로등이고려가가능하다. 저장의기능을위한공간으로는공원이나피난소, 창고, 묘지, 주차장, 정보저장센터등이고려가가능할것이다. 주방식지하구조의가장큰장점은운용중에도공간의확장이가능하다는점이다. 따라서, 선형적인 Table 1. Material Properties depends on type of rock Type Deformation Modulus (MPa) Poisson s ratio Unit Weight (kn/m 3 ) Cohesion (MPa) Friction Angle ( ) 1 18,000 0.22 26 1.5 45 2 9,000 0.23 25 1.2 42 3 5,400 0.25 24 0.9 40 489

이철호ㆍ황제돈ㆍ김은혜ㆍ장수호 Table 2. Excavation height at different purpose of underground space Living / Office Warehouse Height of room 3.0 m 6.0 m 지하구조물인교통이나공급처리등에적용하기보다는인간이활동하는각종건축공간 ( 주거및사무 ) 및 피난광장, 물품을위한물류센터및창고, 정보시설물 을위한데이터저장센터등에적용하기에유리한 형태라고할수있다. 본연구에서는대표적으로주거 및사무, 정보처리센터등으로이용가능한지하 구조물과물류센터, 창고등으로이용가능한지하구 조물로구분하여 Table 2 와같이굴착높이를적용하 였다. 2.3 암주및공간의형상 채광에적용되는주방식공법에서는작업시암주 의안정성을확보하기위하여암주의폭 (W) 과높이 (H) 의비율 (W/H) 에따른암주의거동이중요하게 여겨진다. 암주의폭이작으면상재하중에대한단위 면적당암주의하중분담이증가하기때문에암주의 안정성이저하되고진행성파괴, 좌굴등의위험이 지반조건과토피고등다양한조건에따라발생할 우려가있다. 미국캔자스시티에건설된주방식지하 구조물인 Subtropolis 의암주형상은평균적으로폭이 6 m, 높이가 5 m 로 W/H 의비가 1 보다크다. 주방식 지하구조에서암주의폭이크면암주의안정성측면 에서유리하지만공간활용측면에서는불리해진다. 반대로암주의폭이작아지면공간활용측면에서는 유리하지만안정성측면에서불리해진다. 따라서설 계에서는안정성확보와공간활용성측면에서모두 만족하는적절한암주형상에대한검토가필요하므 로본연구에서는앞서검토한암주의높이 ( 굴착높이 3.0 m 와 6.0 m) 에따른암주의폭을 0.5 H~3.0 H 로 변화시켜굴착시암주형상비 (W/H) 에따른암주의 거동특성과안전율변화추이를분성하고적정폭을 검토하였다. 주방식지하구조에서공간 (room) 의높이와폭은 실제사용공간으로서매우주요한의미를가진다. 본연구에서제안하는공간의높이 3 m( 주거 / 사무 공간 ) 와 6.0 m( 물류 / 창고형공간 ) 에대해평면적인 공간확장개념인공간의폭을변화시켜주방식지하 구조의거동특성을검토하였다. 공간의폭을점차증 가시키면공간상부에작용하는아칭효과의감소로 암주에전이되는하중이증가하게되고천장부에서는 변위가증가되어인장균열이발달하여안정성에문제가 발생할수있다. 미국 NIOSH 가이드라인 (Esterhuizen et al., 2011) 에서는천장부너비 (roof span) 에대해 여러광산의자료들을수집한사례연구를통해적절 한너비를 Fig. 2와같은차트형태로제시하고있다. 그림에서 Stability Number의해당룸의너비 (Entry span) 에서안정하게유지된개수를의미한다. 가이드 라인에서는폭이 10~15 m 일때, 지보재사용을통해 대부분의광산에서안정된시공이가능하다고보고하 고있다. 주방식지하구조에서공간의폭이증가하면공간 활용측면에서유리하지만암주및천장부안정성 측면에서불리해진다. 반대의경우에는안정성측면 에서유리해지지만공간활용성측면에서는불리해진 Fig. 2. Stability chart showing stone mine case histories (Esterhuizen et al., 2011) 490

주방식지하구조물의설계방법고찰 Part I: 매개변수연구 Table 3. ratio of the Living and Office case (H=3.0 m) at different W/H ratio W/H 3.0 2.0 1.5 1.0 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 W=9.0m S=3.0m W=6.0m S=3.0m W=4.5m S=3.0m W=3.0m S=3.0m W=1.5m S=3.0m W=9.0m S=6.0m W=6.0m S=6.0m W=4.5m S=6.0m W=3.0m S=6.0m W=1.5m S=6.0m W=9.0m S=9.0m W=6.0m S=9.0m W=4.5m S=9.0m W=3.0m S=9.0m W=1.5m S=9.0m W=9.0m S=12.0m W=6.0m S=12.0m W=4.5m S=12.0m W=3.0m S=12.0m W=1.5m S=12.0m W=9.0m S=15.0m W=6.0m S=15.0m W=4.5m S=15.0m W=3.0m S=15.0m W=1.5m S=15.0m W=9.0m S=18.0m W=6.0m S=18.0m W=4.5m S=18.0m W=3.0m S=18.0m W=1.5m S=18.0m Table 4. ratio of the Warehouse case (H=6.0 m) at different W/H ratio W/H 3.0 2.0 1.5 1.0 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 W=18.0m S=6.0m W=12.0m S=6.0m W=9.0m S=6.0m W=6.0m S=6.0m W=3.0m S=6.0m W=18.0m S=12.0m W=12.0m S=12.0m W=9.0m S=12.0m W=6.0m S=12.0m W=3.0m S=12.0m W=18.0m S=18.0m W=12.0m S=18.0m W=9.0m S=18.0m W=6.0m S=18.0m W=3.0m S=18.0m W=18.0m S=24.0m W=12.0m S=24.0m W=9.0m S=24.0m W=6.0m S=24.0m W=3.0m S=24.0m W=18.0m S=30.0m W=12.0m S=30.0m W=9.0m S=30.0m W=6.0m S=30.0m W=3.0m S=30.0m W=18.0m S=36.0m W=12.0m S=36.0m W=9.0m S=36.0m W=6.0m S=36.0m W=3.0m S=36.0m 다. 본연구에서는적절한공간의형상검토를위해연구에서고려된암주의높이 (3.0 m와 6.0 m) 에따른공간의폭을 1.0 H~6.0 H로변화시키면서굴착시공간형상비 () 에따른특성을분석하고적절한공간의폭을검토하였다. 연구에서고려한공간활용목적에따른검토대상은다음 Table 3과 4와같다. 3. 수치해석 주방식지하구조의설계조건별안정성검토는수치해석을통해수행되었다. 해석에사용된프로그램은유한차분법을이용한 FLAC2D 이다. Fig. 3은해석에사용된수치해석모델의개략도와격자를나타낸다. 그림에서 S는룸의너비, W는암주의너비, H는 암주의높이그리고 Z는심도를나타낸다. 연구에서고려한지반물성을고려하여지반조건은 Mohr- Coulomb 파괴기준을사용하였으며측압계수는 1.0 을적용하였다. 토피고는 30 m로설정하였으며굴착높이는지하공간활용목적에따라 3.0 m와 6.0 m를적용하였다. 굴착으로인한영향을고려하여좌 / 우측경계는공간형상에따라 4D이상확대하여해석을적용하였다. 해석에적용된지반조건, 암주의형상, 공간의형상에관한조건은 Table 5에정리하였다. 해석은연구에서고려된지반조건으로 3가지, 굴착높이 2가지, 암주의형상조건 5가지, 공간의형상조건 6가지로총 180가지의경우에대해해석을수행하였다. 해석에서는천장부천단변위, 최대주응력의크기, 소성영역발생지점을검토하였으며개념적인 491

이철호ㆍ황제돈ㆍ김은혜ㆍ장수호 Fig. 3. Schematics and mesh of numerical model Table 5. Cases considered in numerical analysis Shape Factor Condition No. of case Depth (m) 30 1 Ground condition (kpa) 18,000 9,000 5,400 3 Height (m) 3.0 6.0 2 Width Pillar 0.5 1.0 1.5 2.0 3.0 5 (m) Room 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 6 Total 180 접근을통해설계최적화를위한매개변수연구로수행되었다. 4. 결과 Fig. 4와 5는암주와공간의형상에따른천단변위를대표적으로 =3.0인경우와 W/H=2.0 인경우에서공간의높이가 3.0 m와 6.0 m에대한해석결과를나타낸다. 암주의형상및공간의형상에따른천단변위는지반조건이양호할수록, 암주의폭이증가할수록감소하고공간의폭이증가할수록증가하는경향 을보인다. 이는암주의상태가양호하고상재하중에대한하중분담이낮아질수록공간의안정성이증가하는것이며가장불량한조건인암주의폭이가장작고공간의높이가큰경우약 4.5 mm 발생하였다. 암주의높이가 3.0 m일때지반조건이가장불량한조건에서나타난천단변위는암주의높이가 6.0 m인경우에서지반조건이가장양호한조건과유사하게나타났다. 또한, 주어진지반조건에의한천단변위의크기가공간의높이에따른변위의증가가상대적으로큰것으로나타났다. 암주의형상에따른암주의높이별천단변위는암주높이가 6.0 m일때가장 Fig. 4. Displacement at the roof depending on width of rock pillar (=3.0) Fig. 5. Displacement at the roof depending on roof span (W/H=2.0) 492

주방식지하구조물의설계방법고찰 Part I: 매개변수연구 큰것으로나타났으나, 공간의형상에따른천단변위는공간의폭이동일할경우암주의높이에따른변화는거의없는것으로나타났다. Fig. 6과 7은암주와공간의형상에따른최대주응력을대표적으로 =3.0 인경우와 W/H=2.0인경우에서공간의높이가 3.0 m와 6.0 m에대한해석결과를나타낸다. 암주형상및공간의형상에따른최대주응력은지반조건이양호할수록공간의폭이증가할수록증가하고, 암주의폭이증가할수록감소하는경향을보였으나지반조건에따른영향은암주의폭과공간의너비에대한영향보다상대적으로작았다. 암주의형상에따른암주높이별최대주응력은암주높이가 6.0 m일때가장큰것으로나타났으며공간의형상에따른암주높이별최대주응력은공간의폭이 동일할경우에암주높이가 3.0 m일때가장큰값으로나타났다. Table 6과 7은대표적으로공간의높이가 3.0 m이고지반조건이가장유리한경우와공간의높이가 6.0 m이고지반조건이가장불량한조건에서암주와공간의형상에따른소성영역분포를나타낸다. Table 5의조건에서는 W/H가 1.0~3.0인구간에서는소성영역이발생하지않았으나 W/H가가장낮은 0.5인구간에서암주부분에소성영역이발생하였다. Table 6의조건에서는모든영역에서소성구간이발생하였으며암주의폭이감소하고공간의폭이증가할수록소성영역이크게발생하였다. 특히 =6.0이고 W/H=0.5 인경우 ( 가장안정성이취약한경우 ) 소성영역이가장크게발생하였다. 천단변위와최대주응력해석결과 Fig. 6. The maximum principal stress at different width of rock pillar (=3.0) Fig. 7. The maximum principal stress at different roof span (W/H=2.0) Table 6. Plastic propagation of Living and Office case at different W/H and ratio W/H =1.0 =2.0 =3.0 =4.0 =5.0 =6.0 3.0 2.0 1.5 1.0 0.5 493

이철호ㆍ황제돈ㆍ김은혜ㆍ장수호 Table 7. Plastic area propagation of Warehouse case at different W/H and ratio W/H =1.0 =2.0 =3.0 =4.0 =5.0 =6.0 3.0 2.0 1.5 1.0 0.5 에서와같이암주의폭이작고공간의폭이큰경우구조적으로가장불안정한것을알수있다. 5. 결론 본연구에서는수치해석을통하여지하구조물에주방식공법을적용하기위한매개변수연구를수행하였다. 서울도시지하철정거장의시공사례를분석하여시공성및이용자접근성을고려한주방식지하구조의대상심도는 30 m로결정하였으며대상지반의조건은 3가지를선택하였다. 지하구조물의활용목적에따른굴착높이는지하공간의건설목적에따라크게 2가지로분류하여해석조건으로총 180가지의경우를고려하였다. 연구결과를요약하면다음과같다. 1. 주어진지반조건에대한해석결과, 전체적으로천단변위의크기는공간의높이와폭이증가할수록증가하는것으로나타났다. 특히, 암주의형상에따른암주의높이별천단변위는암주높이가 6.0 m일때가장큰것으로나타났으나, 공간의형상에따른천단변위는공간의폭이동일할경우암주의높이에따른변화는거의없는것으로나타났다. 2. 암주형상및공간의형상에따른최대주응력은지반조건이양호할수록공간의폭이증가할수록 증가하고, 암주의폭이증가할수록감소하는경향을보인다. 암주의형상에따른암주높이별최대주응력은암주높이가 6.0 m일때가장큰것으로나타났으며공간의형상에따른암주높이별최대주응력은공간의폭이동일할경우에암주높이가 3.0 m일때가장큰값으로나타났다. 3. 암주와공간의형상에따른소성영역은암주의폭이작고공간이폭이넓은경우와같이구조적으로불안정한경우 (=6.0, W/H=0.5) 에가장크게발생하였으며형상에따라소성영역의크기가다르게나타났다. 4. 해석에서나타난천단변위, 최대주응력, 소성영역은설계시지보설치여부를판단하는기준으로사용될수있으며공간의활용목적과건설대상지반의크기에따라공간의형상을선택할때설계자가고려할수있는지하구조의형상을판단할수있는근거로사용될수있다. 따라서, 주어진지하건설부지의크기와암주형상에따른공간활용효율성과구조적안정성, 지하굴착시가용한시공장비의적용성등을감안하여지보재설치여부를판단할수있을것이다. 감사의글 본연구는한국건설기술연구원의주요사업인 운용중공간확장이가능한지하굴착및안정화기술 494

주방식지하구조물의설계방법고찰 Part I: 매개변수연구 개발 의연구비지원에의해수행되었습니다. References 1. Carmody, J., Sterling, R. (1993), Underground Space Design - A guide to Subsurface Utilization and Design for People in Underground Spaces, International Thomson Publishing company, p. 110. 2. Darling, P. (2011), Mining Engineering handbook, Society for Mining, Metallurgy and Exploration, INC.(SME), 3 rd Edition. 3. Esterhuizen, G.S., Dolinar, D.R., Ellenberger, J.L, Prosser, L.J. (2011), Pillar and roof span design guidelines for underground stone mines, Department Of Health And Human Services, NIOSH, IC 9526. 4. Hardy, P., Agapito, J.F.T. (1982), Induced horizontal stress method of pillar design in oil shale, XV Oil Shale Symp. Colorado School of Mines, Golden, Colorado. 5. Hartman, H.L., Mutmansky, J.M. (2002), Introductory Mining Engineering, 2 nd edtion, Wiley, New Jersey. 6. Hedley, D.G.F., Grant, F. (1972), Stope-and-pillar design for the Elliot Lake Uranium Mines, Bull. Can. Inst. Min. Metallurg. Vol. 63, pp. 37-44. 7. Kimmelmann, M.R., Hyde, B., Madgwick, R.J. (1984), The use of computer applications at BCL limited in planning pillar extraction and design of mining layouts, In: Proc., ISMR Symp. Design and Performance of Underground Excavations. Brit. Geotech. Soc., London, pp. 53-63. 8. Krauland, N., Soder, P.E. (1987), Determinating pillar strength from pillar failure observations, Eng. Min. J. Vol. 8, pp. 34-40. 9. Lee, C., Chang, S.-H., Shin, H.-S. (2013a), A numerical study on evaluation of unsupported pillar strength in the room and pillar method, J. of Korean Tunn Undergr Sp Assoc, Vol. 15, No. 4, pp. 443-453 (in Korean). 10. Lee, C., Chang, S.-H, Shin, H.-S. (2013b), A study on conceptual evaluation of structural stability of room-and-pillar underground space, J. of Korean Tunn Undergr Sp Assoc, Vol. 15, No. 6, pp. 585-597 (in Korean). 11. Lunder, P.J., Pakalnis, R. (1997), Determination of the strength of hard-rock mine pillars, Bull. Can. Inst. Min. Metall. Vol. 90, pp. 51-59. 12. Potvin, Y., Hudyma, M.R., Miller, H.D.S. (1989), Design guidelines for open stope support, Bull. Can. Min. Metall. Vol. 82, pp. 53-62. 13. Sheorey, P.R., Loui, J.P., Singh, K.B., Singh, S. K. (2000), Ground subsidence observations and a modified influence function method for complete subsidence prediction, Int. J. Rock Mech. Min. Sci. Vol. 37, pp. 801-818. 495

J of Korean Tunn Undergr Sp Assoc 16(5)497-506(2014) eissn: 2287-4747 http://dx.doi.org/10.9711/ktaj.2014.16.5.497 pissn: 2233-8292 주방식지하구조물의설계방법고찰 Part II: 지보설계필요단면검토 이철호 1 ㆍ허진석 2 ㆍ현영환 3 ㆍ장수호 4 * 1 정회원, 한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실전임연구원 2 정회원, 에스코컨설턴트, 부장 3 정회원, 에스코컨설턴트, 차장 4 정회원, 한국건설기술연구원 SOC성능연구소 Geo-인프라연구실연구위원 Consideration on design procedure of room-and-pillar underground structure part II: selection of shape to design supports Chulho Lee 1, Jinsuk Hur 2, Younghwan Hyun 3, Soo-Ho Chang 4 * 1 Research Specialist, Geotechnical Engineering Research Division, SOC Research Institute, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology 2 Senior Supervising Engineer, ESCO Consultant & Engineers Co., Ltd. 3 Senior Engineer, ESCO Consultant & Engineers Co., Ltd. 4 Research Fellow, Geotechnical Engineering Research Division, SOC Research Institute, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology ABSTRACT: In this study, analysis results described in the companion paper was used to determine shapes of room-and-pillar underground structure. To select optimized shapes, structural stability, space applicability and vehicle applicability were considered. In the structural stability step, ratio between strength and stress of the pillar and the critical strain at the roof span were adopted. The space applicability was used to retain the sufficient space of underground structure as its purpose is for human activity. The vehicle applicability was used to consider a radius for rotation of construction equipments in the room-and-pillar underground structure. From the given procedure in this study, proper shapes of rock pillar and room can be selected to design supports at the pillar and roof. Keywords: Room-and-pillar method, Design, Stability, Support 초록 : 본연구에서는동반논문에서수행한해석결과를이용하여주방식지하구조물의안정성, 공간활용성, 시공장비적용성을검토하였다. 지하구조물안정성은강도응력비와한계변형률개념을도입하여적용하였으며공간활용성은주어진단면에대한공간의비율로활용률을판단하였고시공장비적용성은굴착공사에서사용되는대표장비를선정하고장비의회전반경을고려하였다. 제안된일련의과정을통해모두조건을만족하는지하구조물형상을선정할수있었으며선정된단면에대한지보재설계가가능할것으로나타났다. 주요어 : 주방식공법, 설계, 안정성, 지보재 1. 서론 주방식지하구조물에서구조물의안정성을고려한설계법은채광효율과관련한자원개발분야에서의 *Corresponding author: Soo-Ho Chang E-mail: sooho@kict.re.kr Received September 2, 2014; Revised September 19, 2014; Accepted September 22, 2014 설계법과는성격이다르다. 공간확보차원의주방식공법에서는전체주방식구조물이상재하중을중장기적으로지지할수있어야하고암주사이에형성된공간의천장부 (roof) 와각각의암주가안정성을유지하여공간활용에문제가없어야한다 (Lee et al., 2013b). 또한, 지하공간은시공목적에맞도록활용면적을고려해야하며요구되는활용면적에따라암주와룸 (room) 의형상은구조적으로도안정성을확보해야한다. Copyright c2014, Korean Tunnelling and Underground Space Association This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativescommons.org/license/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

이철호ㆍ허진석ㆍ현영환ㆍ장수호 기존채광분야에서주방식지하구조의안정성을 평가하는방법은주로암주의강도에기반한안전율 검토를기본으로하고있다. 비록지반에존재하는균열 이나단층을계수로도입한사례도있으나 (Esterhuizen et al., 2011) 암주의강도를산정하는방법상의차이이 며상재하중에대한암주의안전율을산정하는점은 같다. 그리고지보재의경우필요에따라부분적인 숏크리트나천장부록볼트를기존사례를통해경험 적으로사용하고있다. 주방식지하구조물건설시사용공간의장기적인안정성을확보하기위해암주부와함께룸의천장부가연계된하나의통합구조물로서설계가이루어져야한다 (Lee et al., 2013a). 따라서, 상재하중과지하공간 굴착에따라전이된하중에대해암주가충분한안전율 을가지고지지하여야하고, 장기적인사용공간으로서 룸은낙반, 붕락등과같은파괴거동뿐만아니라과다 한변형에대해서도충분히안정성을확보하여야한다. 이처럼룸의안정성확보는암주의안정성확보와함께매우중요한요소로서설계단계에서부터시공중, 사용 중단계까지철저하게관리하여사용자가안전하게 지하공간을사용할수있게건설해야한다. 본연구에서는동반논문에서제시한지하구조형상에대해지하구조의안정성을응력강도비와한계변형률로평가하고허용된형상에대해지하공간활용성, 구조적안정성, 시공장비적용성을감안하여지보재 패턴설계를위한검토방법을제시하였다. 지하공간 의활용성은형상과활용목적에따른활용면적으로 검토하였으며시공장비적용성은기본장비제원을 사용하여진출입이가능한형상을검토하였다. 2. 주방식지하구조지보설계검토방법 2.1 암주안정성평가 Fig. 1. Relationship between strength and stress of pillar 응력강도비개념을사용하였다. Fig. 1 은암주의강도 에따른응력상태를표현한그림이다. 암주의응력강 도비가암주전체의안전율을대표하지는않으나, 진 행성파괴 (progressive failure) 나응력전이 (stress transfer progress) 를고려하여암주중앙단면에서의평균응 력강도비가 1.0 이하일때암주전체가불안해지는 것이라고판단할수있다 (Hoek and Brown, 1980). 응력강도비는다양한구속압력 ( ) 에대하여소성 파괴의시작을다음 Eq.(1) 과같이표현할수있는 Mohr-Coulomb 파괴기준에의해규명된다고가정하 면다음과같다. (1) 암반의일축압축강도 은다음 Eq.(2) 와같이 정의된다. cos sin (2) 또한, 에대한 의선의기울기 는다음 Eq. (3) 과같다. 본연구에서는암주의안정성을평가하는방법으로 sin sin (3) 498

주방식지하구조물의설계방법고찰 Part II: 지보설계필요단면검토 여기서, 은파괴시의축방향응력, 는구속응력, 는암반의점착강도, 는암반의마찰각이다. 2.2 한계변형률주방식공법을통해지하공간굴착시룸천장부의응력은인접한암주로전이되고룸천장부에서는이완대가형성된다. 룸의천장부안정성은룸의폭과천장부지반의강성, 절리등의영향을받게된다. 주방식광산에서는광산의붕괴사례를통해천장부상부의불연속면등을고려하여연약대와구분되어일체거동을보이는두께로천장부두께를제시하고있는데, 천장부의두께가 1.2 m 이하인경우에는대체적으로보강이필요했고, 2 m 이상인경우안정하게유지되었다고보고하였다 (Esterhuizen et al., 2011). 본연구에서는불연속연약대를구분하여적용하기곤란하므로터널현장에서적용되고있는한계변형률 (critical strain) 개념을도입하여룸의천장부안정성을검토하였다. Sakurai (1982) 에의해처음제안된한계변형률을적용한검토방법은시공중터널굴착에따른천단및내공변위와터널크기 ( 직경또는반경 ) 를통해변형률을산정하고지반의한계변형률로구한기준치와비교하여안정성을평가하게된다. 한계변형률은토질및암석시편에대한실내실험의 결과를토대로정립된개념으로일축압축강도시험결과인응력- 변형률관계로부터산정되며초기탄성영역의거동특성과파괴시의일축압축강도를이용하여정의되고, 일반적으로파괴변형률 (ε f) 보다는작은값을나타낸다. 여기서룸의변형률은룸의천단변위와룸높이의비로표현된다. 한계변형률을적용하여룸천장부안정성을검토하기위해서룸주변지반의한계변형률평가가필요하다. Sakurai (1995, 1997) 는한계변형률- 지반변형계수와한계변형률-일축압축강도에대해제안하였는데, 본연구에서는지반변형계수에따른한계변형률기준 (Sakurai, 1995) 을이용하여룸천장부안정성을평가하였다. 한계변형률기준에서 Level I은지반이안정상태에있지만이완영역의발생한계에달하기때문에굴착에주의를요하는단계이고, Level II는이완영역이발생하여추가지보시공이이루어져야하는단계이며, Lever III은안전의문제와시공의곤란이예상되어굴착을정지하고굴착방법혹은지보공법의변경을요하는단계이다 (Korean Tunnelling and Underground Space Association, 2004). 그러나 Level I은이완영역의발생한계도달로굴착에주의를요하는단계이며지속적으로사용자가생활, 주거, 사무, 창고등으로사용해야하는주방식지하공간은장기적인안전율확보가필요하므로 Level I보다보수적으로 Level 0을 Critical strain at each step -Level 0 : logε c=-0.25loge-1.96 -LevelⅠ : logε c=-0.25loge-1.59 -LevelⅡ : logε c=-0.25loge-1.22 -LevelⅢ : logε c=-0.25loge-0.85 Level 0 is evaluated from the difference between Level I and Level II (0.37). Fig. 2. Relationship between critical strain and deformation coefficient (Sakurai, 1995) 499

이철호ㆍ허진석ㆍ현영환ㆍ장수호 제안하고룸의변형률이 Level 0 이하가되는암주및룸형상비를검토하였다. Level 0은하한값 (Level I) 과중간값 (Level II) 의변형률차 (0.37) 를준용하여적용하였다. 암주및룸형상비, 지반조건에따른천단부변형률은동반논문에서수행한수치해석결과를이용하였다. 며, 지하구조물 ( 지하철정거장등 ) 의공간활용률은 90% 정도확보되는것으로나타났다. 본연구에서는주방식지하공간이장기적으로사용되며토피고가높은점과룸의높이가높은공간임을감안하여공간활용률평가기준을안전측으로룸면적비가 85% 이상확보되는암주및룸형상비로검토하였다. 2.3 지하공간활용성 2.4 시공장비의적용성 주방식지하공간의적용위치는지상공간의이용한계를나타내어 3차원적공간개발의필요성이확대되고있는대도시중심으로발전할가능성이크다. 도심지의한정된공간에서개발되는지하구조물은공간활용이최적화되는구조물형상비를고려해야만한다. 따라서부지면적에따른암주및룸형상비를고려한공간활용면적을검토하여최적의공간활용이가능한암주및룸형상비검토가필요하다. 주방식지하구조의공간활용성은부지면적, 암주높이, 암주형상비, 룸형상비를고려하여산정하였으며지하공간의활용률은다음 Fig. 3과 Eq. (4) 에서와같이정의한다. 여기서 n은주어진단면에대한암주의개수이다. 주방식지하구조는암주및룸형상비에따라시공장비가매우다양하게검토될수있다. 룸형상비가클경우공사용차량의교행성및회전반경등에영향을많이받지않겠지만룸형상비가작을경우는장비적용에대한제약이많이따른다. 주방식지하구조의형상비에따른장비조합검토가필요하지만본절에서는지보패턴검토대상선정을위한검토이므로여러시공장비중대표적으로덤프트럭을적용하여 Space applicability (S a ) = (4) 지하공간활용률기준산정을위해기존구조물에 대하여공간활용률을검토한결과지상주거 / 사무공 간에서는대부분 95% 이상의활용률이확보되었으 Fig. 3. Schematics of room-and-pillar underground structure Fig. 4. Concept of vehicle radius for rotating 500