A study on the design of tunnel lining insulation based on measurement of temperature in tunnel

In case of tunnels in cold regions, a freeze of groundwater around tunnel may act as a barrier of tunnel drainage in winter, or may cause the inner extrusion of lining. In spite of that, a design of insulation for preventing the frost damage of tunnel lining has not been introduced in Korea, while foreign countries such as Norway and so on have a standard on insulation. In this study, a few freezing cases of road tunnels have been reviewed, and the results show that the freezing protection is necessary. In order to characterize the thermal distribution in the tunnel, following measurements have been performed at Hwa-ak tunnel; the temperature distribution by longitudinal lengths, the internal temperature of lining and the temperature distribution of the ground under pavement. From these measurements, the characteristics of the tunnel's internal temperature distribution due to temperature change in the air has been analyzed. Based on the measurement results on the temperature distribution at Hwa-ak tunnel, thermal flow tests on the rock specimen with and without insulation have been performed in the artificial climate chamber to investigate the performance of the insulation. Also, a number of 3D numerical analyses have been performed to propose appropriate insulation and insulation thicknesses for different conditions, which could prevent the frost damage of tunnel lining. As a result of the numerical analysis, air freezing index of 291$^{\circ}C{\cdot}$ Hr has been suggested as the threshold value for freezing criteria of groundwater behind the tunnel lining.

터널 온도계측을 통한 라이닝 단열 설계에 관한 연구

한랭지에 건설된 터널의 경우 터널 주변지반 지하수의 동결은 동절기 터널 배수 장애의 원인이 되며 라이닝을 내공 측으로 압출시키는 원인으로 작용하기도 한다. 노르웨이 등 해외에서는 이미 한랭지에 건설되는 터널의 동해방지를 위한 단열기준을 가지고 있으나 국내에서는 아직까지 터널 라이닝 동해방지를 위한 단열설계가 도입되어 있지 않은 실정이다. 본 연구에서는 국내 도로터널의 동결 사례를 고찰하여 터널 라이닝 동해방지 대책이 필요함을 파악하였다. 또한 터널 주위의 온도분포를 파악하기 위해 화악터널에서 터널 종단길이에 따른 온도분포, 라이닝 내부의 온도, 포장면 하부지반의 온도 분포를 계측하였으며 이로부터 외기 온도변화에 따른 터널 내부 온도 분포 특성을 분석하였다. 화악터널의 온도분포 계측 결과를 바탕으로 단열재의 성능시험을 위해 인공기후실에서 단열재 설치 유무에 따른 암석시편의 열유동 실험을 수행하였다. 또한 터널 라이닝 동해를 방지할 수 있는 적정 단열재 두께를 제안하기 위해 3 차원 수치해석을 실시하였다. 수치해석 결과로부터 터널배면 지하수 동결기준으로 동결지수를 약 291$^{\circ}C{\cdot}$ Hr로 제안하였다.