Prediction of ground-condition ahead of tunnel face using electromagnetic wave - analytical study

전자기파를 이용한 터널전방 예측 -해석기법 중심으로

During tunnel construction, ground failures often occur due to existence of weak zones, such as faults, joints, and cavities, ahead of tunnel face. It is hard to detect effectively weak zones, which can lead underground structure to fail after excavation and before supporting, by using conventional characterization methods. In this study, an enhanced analytical method of predicting weak zones ahead of tunnel face is developed to overcome some problems in the conventional geophysical exploration methods. The analytical method is based on Coulomb's and Gauss' laws with considering the characteristics of electric fields subjected to rock mass. Using the developed method, closed form solutions are obtained to detect a spherical shaped zone and an oriented fault ahead of tunnel face respectively. The analytical results suggest that the presence of weak zones and their sizes, location, and states can be accurately predicted by combining a proper inversion process with resistance measured from several electrodes on the tunnel face. It appears that the skin depth or resistivity in rock mass is affected by the diameter of tunnel face, natural electric potential and noises induced by experimental measurement and spatial distribution of uncertain properties. The developed analytical solution is verified through experimental tests. About 1800 concrete blocks of 5cm by 5cm by 5cm in size are prepared and used to model a joint rock mass around tunnel face. Weak zones are simulated ahead of tunnel face with a material which has relatively higher conductivity than concrete blocks. Experimental results on the model test show a good agreement with analytical results.

터널 시공 도중이나 터널 굴착 직후 주지보재에 의한 보강 전에 터널막장 전방에 존재하는 연약암반 혹은 단층파쇄대로 인해 유발되는 터널막장의 붕괴사고가 빈번이 일어나고 있다. 기존의 지반탐사방법으로는 터널막장부근에 있는 연약암반이나 단층파쇄대를 찾기 어렵다. 본 연구에서는 이러한 문제점들을 극복하고 기존의 탐사방법들을 보완하기 위해 전자기파를 이용한 터널전방 예측방법을 제안하였다. 전기장의 특성을 고려한 Coulomb 및 Gauss 법칙을 이용하여 절리를 가지는 암반에서의 전기장을 해석하였다. 이를 바탕으로 터널막장 전방에 구형연약암반과 단층파쇄대가 존재하는 경우에 대하여 각각 전기장해석을 수행하여 이론식을 도출하였다. 또한 개발된 해석기법을 작용하여 터널 전방에 구형연약이역과 단층파쇄대가 존재하는 경우에 대하여 예제해석을 수행하였다. 해석결과는 터널 전방에 부착된 몇 개의 전극에서 측정된 암반의 저항으로부터 역함수기법을 이용하여 터널 전방에 존재하는 연약지역의 등가 크기, 위치 및 성질을 정확하게 예측할 수 있음을 보여주었다. 암반에서의 전기저항 가탐심도는 터널막장의 크기, 자연전위 및 기타 전기적 신호에 의해 영향을 받음을 알 수 있었다. 제시된 해석기법은 실내시험을 통하여 검증하였다. 가로, 세로, 높이가 각각 5cm인 콘크리트 블록 1800여 개를 가지고서 3방향 절리를 가진 암반상태를 구현하였고 터널 전방에 전기전도도가 콘크리트 블록보다 상대적으로 높은 물질을 이용하여 연약지반을 구현하였다. 모델링을 통한 실험결과는 해석결과와 거의 일치함을 보여주었다.