Abstract
Shotcrete is an important primary support for tunnelling in rock. The quality control of shotcrete is a core issue in the safe construction and maintenance of tunnels. Although shotcrete may be applied well initially onto excavated rock surfaces, it is affected by blasting, rock deformation and shrinkage and can debond from the excavated surface, causing problems such as corrosion, buckling, fracturing and the creation of internal voids. This study suggests an effective non-destructive evaluation method of the tunnel shotcrete bonding state applied onto hard rocks using the impact-echo (IE) method and ground penetration radar (GPR). To verify previous numerical simulation results, experimental study carried out. Generally, the bonding state of shotcrete can be classified into void, debonded, and fully bonded. In the laboratory, three different bonding conditions were modeled. The signals obtained from the experimental IE tests were analyzed at the time domain, frequency domain, and time-frequency domain (i.e., the Short- Time Fourier transform). For all cases in the analyses, the experimental test results were in good agreement with the previous numerical simulation results, verifying this approach. Both the numerical and experimental results suggest that the bonding state of shotcrete can be evaluated through changes in the resonance frequency and geometric damping ratio in a frequency domain analysis, and through changes in the contour shape and correlation coefficient in a time-frequency analysis: as the bonding state worsens in hard rock condition, the autospectral density increases, the geometric damping ratio decreases, and the contour shape in the time-frequency domain has a long tail parallel to the time axis. The correlation coefficient can be effectively applied for a quantitative evaluation of bonding state of tunnel shotcrete. Finally, the bonding state of shotcrete can be successfully evaluated based on the process suggested in this study.
숏크리트는 터널에서 적용되는 요요한 주지보재이다. 숏크리트의 품질평가는 터널의 안전한 시공과 효과적인 운영을 위한 핵심 요소이다. 숏크리트가 암반에 적절히 타설되었다 하더라도, 막장 및 벤치부에서의 발파, 수축, 지반의 변형 등으로 인해 숏크리트 균열발생 및 배면공동 등의 문제를 야기한다. 본 논문에서는 비파괴 시험인 충격 반항 기법(Impact-Echo) 및 지하레이다 탐사(GPR)를 이용하여 경임에 타설된 숏크리트 배면의 접착상태를 평가하고자 하였다. 기존의 수치해석 연구에 대한 검증과 더불어 현장 적용성에 대한 검토를 위해 실험적 연구를 수행하였다. 숏크리트의 접착상태는 완전 접착, 접착력 상실 및 공동 조건으로 구분할 수 있다. 실내 실대형 시험체에 이 세 가지 숏크리트 접착상태를 조사하였다. 충격반향시험으로부터 획득된 신호는 시간영역, 주파수 영역, 및 시간-주파수 영역에서 각각 분석되었다. 능동적 신호 처리 기법인 Short-Time Fourier Transform(STFT)을 이용하여 숏크리트 배면의 접착상태를 효과적으로 예측할 수 있었으며, 그 결과는 기존의 수치해석 연구로부터 획득한 신호특성과 잘 부합하였다. 숏크리트 배면의 접착상태가 불량할수록 다음과 같은 특징들을 나타낸다. 즉, 주파수 영역에서 자기스펙트럼밀도가 커지며, 기하학적 감쇠비는 감소하고, 시간-주파수 영역에서 윤곽선은 시간축에 평행한 형상을 나타내며, 숏크리트 두께가 얇을수록 그 공진시간이 길어진다. 또한 본 연구에서 제시한 상관계수를 이용하여 숏크리트의 접착상태를 정량적으로 평가할 수 있다. 본 연구 결과를 바탕으로 숏크리트의 접착상태를 평가할 수 있는 평가 기법 및 평가 기준을 제안하였다.
