• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권1호
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• pp.109-128
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• 2022

시설물안전법에 의한 터널의 정밀안전진단은 세부지침에 의거하여 수행되나, 현재의 TBM터널 세그먼트라이닝 평가체계에는 유압잭 사용의 장비특성, 세그먼트를 고려한 외관조사, 건전도를 위한 비파괴 시험방법 등의 결함특성을 반영하지 못하는 한계를 지닌다. 시설물정보관리시스템에 등재된 TBM터널은 1% 미만이지만 다중이용시설 및 국가 중요시설의 사용을 감안하여 많은 유지관리가 필요하다. 발파로 굴착하며 터널 축을 따라 6~12 m의 라이닝을 연속하여 현장 타설하는 NATM터널과 비교하여 TBM터널은 디스크커터와 커터비트가 달린 원형의 회전판을 회전하여 굴진하며 공장 제작된 폭 1.2~1.4 m 세그먼트를 조립하여 구조체를 형성한다. TBM터널에 대한 정확한 평가를 위해서는 설계, 시공, 운용단계의 특징이 고려되어야 한다. 11개 구간에서 운용중인 국내 지하철 TBM터널의 결함특성을 유형별로 분석하였으며 TBM터널 세그먼트라이닝의 공통된 결함 특성 이외에 특수한 결함에 대해서는 해외 논문 연구내용을 발췌하여 이해를 돕고자 하였다. 균열과 누수는 위치 및 형상에 따라 7가지 유형으로 구분하였으며, 박락 및 파손과 부식에 대해서는 3가지 유형으로 구분하여 분석하였다. 향후 설계, 시공의 피드백과 유지관리에 도움이 되고자 한다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권1호
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• pp.57-78
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• 2022

TBM의 굴착효율을 높이는 가장 중요한 인자인 디스크커터와 커터비트는 커터헤드 설계 및 시공 시 핵심요소로 지반조건에 맞는 디스크커터의 배치, 간격, 개수, 크기, 재질 등은 TBM 공사의 성패를 좌우한다. 또한, 디스크커터는 대표적인 소모성 부품으로 교체횟수에 대한 정확한 예측이 수반되지 않으면, 공사비는 물론 공사에 막대한 지장을 초래 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 대구경 이수식 쉴드TBM 현장에 대하여 설계 시 산정된 디스크커터의 교체횟수와 실제 시공 시 발생한 디스크커터의 마모깊이 및 교체위치에 대하여 현장데이터를 분석하여 비교·연구하였다. 정량적인 비교를 위하여 일정한 굴진데이터를 나타내는 구간에서 지반에 따라 풍화토/풍화암, 연암, 경암으로 나누어 구분하였으며, 디스크커터의 위치에 따라 동심원의 궤적이 다르므로 위치에 따라 비교분석 하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권2호
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• pp.217-230
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• 2022

쉴드TBM (Tunnel Boring Machine) 터널 시공에 있어 막장압 관리는 막장면 붕괴, 지반침하 등을 방지하여 막장 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 담당한다. 특히, 챔버 내부의 굴착토로 막장압을 조절하는 토압식 쉴드TBM의 경우, 이수식 쉴드TBM에 비해 막장압의 관리가 어렵다. 본 연구에서는 국내 토압식 쉴드TBM 터널 시공 현장의 지반조건 및 굴진특성 데이터를 분석하여, 토압식 쉴드TBM 터널의 세그먼트 링별 막장압 예측모델을 제시하였다. 예측모델의 입력특성으로 7가지를 선정하였으며, 912개의 학습 데이터 세트(Training data set)와 228개의 시험 데이터 세트(Test data set)를 확보하였다. 최적의 토압식 쉴드TBM 막장압 예측모델 선정을 위하여 KNN (K-Nearest Neighbors), SVM (Support Vector Machine), RF (Random Forest), XGB (eXtreme Gradient Boosting) 모델의 하이퍼파라미터(Hyperparameter)를 최적화하여 예측성능을 비교한 결과, RF 모델이 7.35 kPa의 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error, RMSE)로 가장 우수한 성능을 나타냈다. 추가적으로, RF 모델의 특성 중요도(Feature importance) 분석을 수행한 결과, 입력특성 중 수압의 영향도가 0.38로 가장 높았으며, 전반적으로 지반조건이 굴진특성보다 높은 중요도를 보여주었다.

• 한국지반신소재학회논문집
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• 제22권3호
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• pp.87-95
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• 2023

최근 원도심을 대상으로 한 재개발이 이루어짐에 따라 구조물의 대형화 및 초고층화로 인한 인접 위치에서의 시공 필요성이 높아지고 있다. 하지만 밀집화된 도심지에서의 굴착공사는 다양한 원인에 의해 지반 문제가 유발되기 때문에 이를 최소화할 수 있는 재료 및 공법의 활용이 요구되고 있다. 일반적인 흙막이공법으로는 시멘트를 사용하여 지하연속벽, CIP공법 등 다양한 방법이 적용되고 있다. 그러나 흙막이공법의 시공을 위해서는 많은 양의 시멘트가 사용되기 때문에 온실가스 배출량을 획기적으로 감축시키기 위해서는 새로운 시멘트 대체 재료의 개발을 위한 연구가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 고로슬래그 미분말과 탈황석고 및 고칼슘 플라이애시의 알칼리 자극 반응에 따른 경화반응을 활용하여 SCW공법에 적용하고자 하였다. 연구결과, 개발 고화재를 사용한 고화토의 경우, 재령 28일 압축강도는 OPC 대비 96.2 ~ 106.3%를 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 압축강도 증가율은 사질토의 경우 2.06, 점성토의 경우 2.41로 OPC의 1.85 보다 높은 값을 나타내어 장기강도 측면에서 유리한 것으로 분석되었다. 그리고 환경성 측면에서 중금속 용출은 없고, 온실가스 발생량을 획기적으로 감소시킬 수 있어 추가적인 검토가 이루어진다면 SCW공법으로 적용이 가능할 것으로 판단된다.

• 한국지반신소재학회논문집
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• 제22권1호
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• pp.9-23
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• 2023

본 연구에서는 연직교반혼합처리공법으로 시공되는 원지반 시멘트고화처리 연속벽체 방식의 자립식 흙막이 공법의 국내·외 설계법을 조사하고, 다양한 배수 및 시공 조건을 고려한 수치해석 결과와 비교 분석하여 각 설계법 및 해석법의 특징 등을 제시하였다. 본 연구 결과 동일한 설계조건에 대해 방법 1(전응력 해석)의 경우 가장 높은 안정성을 평가하는 것으로 나타났고, 개량체 내부에서 발생되는 응력의 경우 방법 2와 방법 3(유효응력 해석)이 유사한 결과를 도출하였다. 그리고 수치해석 시 적용한 토질 및 배수 조건에 따라 최종 흙막이 벽체의 내부응력과 수평변위가 영향을 받았다. 또한, 본 연구에서는 수치해석 등으로 검증을 병행하는 설계에서는 이론토압을 적용하는 방법 1, 수치해석적 검증을 생략하는 일반적인 설계에서는 보수적인 결과를 제공하는 방법 2 또는 방법 3, 수치해석만으로 설계하는 경우 굴착면에서의 인장응력과 개량체 선단과 원지반간의 경계면 응력 등을 고려할 것을 제시하였다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제25권4호
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• pp.19-29
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• 2009

본 연구에서는 실제 붕괴가 발생한 토류벽을 대상으로 해석 기법에 따른 시공단계별 거동특성을 분석하기 위하여, 단계별 굴착에 따른 토류벽의 변위, 휨모멘트, 토압분포, 예상 활동 파괴면을 수치해석을 통해 분석하였다. 특히 수치해석에 사용되는 해석기법으로, 벽계와 지반의 상호작용이 고려되는 전단강도 감소기법과 상호작용을 고려하지 않는 탄소성 해석으로 나누어 해석기법에 따른 벽체의 거동 차이를 비교 하였다. 본 연구결과, 벽체의 휨모멘트와 토압은 해석기법에 따른 차이가 크지 않았지만, 지표 근처에서의 벽체 변위는 큰 차이를 나타냈다. 또한 실측 데이터와의 비교결과 탄소성 해석을 통한 해석 결과가 전단강도 감소기법을 통한 해석 결과보다 전체적으로 변위 및 파괴면 예측에서 과소 평가 되는 것으로 나타났다. 따라서, 전단강도 감소기법을 통한 유한요소 해석은 벽체의 시공 안정성 및 붕괴 후 원인 분석 등의 좀 더 세밀한 검토가 필요한 작업에서 유용하게 사용할 수 있으며, 탄소성 해석기법은 1차적인 설계 정도에 사용하여야 할 것으로 판단된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제26권3호
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• pp.169-189
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• 2024

본 연구에서는 Shield TBM 터널 근접 시공으로 인한 기 존재하는 단독말뚝 및 군말뚝의 공학적 거동을 파악하기 위해 다양한 보강조건을 고려한 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 수치해석에서는 말뚝 절단, 지반보강 및 기초판 보강을 고려하여 말뚝의 거동을 분석하였으며, 터널굴착으로 유발되는 지반침하, 말뚝두부 침하, 말뚝의 축력 및 말뚝-지반 사이 경계면에서 발생하는 전단응력을 고찰하였다. 말뚝선단이 풍화암에 지지되는 모든 말뚝에서는 전단응력의 분포가 비슷한 경향을 보였으며, 말뚝선단이 절단되는 말뚝의 경우 말뚝의 상대적 위치에 따라 인장력 혹은 압축력이 동시에 발생하는 것으로 나타났다. 또한, 말뚝선단이 풍화암에 지지된 경우 약 70%가 주면마찰력에 지지되며, 나머지 약 30%가 말뚝선단에 지지되는 것으로 분석되었다. 추가적으로 보강을 고려하지 않은 말뚝의 경우 그라우팅 보강을 실시한 말뚝에 비해 최종침하가 약 70% 크게 발생하였다. 말뚝선단 절단 및 보강조건 유무에 따라 지반 침하와 말뚝 침하가 큰 영향을 받는 것으로 조사되었으며, 본 연구를 통해 말뚝절단, 지반보강 및 기초판 보강 조건에 따른 단독말뚝 및 군말뚝의 거동에 영향을 미치는 주요인자를 심도있게 고찰하였다.

• KEPCO Journal on Electric Power and Energy
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• 제6권3호
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• pp.305-313
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• 2020

전력송전을 위한 터널식 전력구는 점차 시공실적이 증가하고 있는 추세이며, 해저 및 대심도 등 시공환경이 어려운 구간의 건설도 증가하고 있다. 이에 소단면 쉴드TBM의 효율적 운영을 위해 굴진율 및 설계모델이 필요하다. 그러나, 제한된 지반조사 회수 및 굴착면 맵핑으로 인하여 암반특성과 굴진데이터를 정확히 매칭시켜 상호간 상관관계 및 굴진율 모델을 도출하는데 어려움이 있다. 이에 소단면 쉴드TBM에 적합한 굴진율 및 설계모델을 제시하기 위하여 커터헤드의 직경이 3.56 m인 실험용 EPB 쉴드TBM을 제작하고, 총 부피 87.5 ㎥인 인공암반 내에서 총 19번의 실대형 굴진실험을 수행하였다. 본 실험은 70MPa의 균질한 암반강도에서 수행되었기 때문에 운전변수인 추력과 커터헤드의 RPM에 따른 굴진율과 기계데이터간 상관관계를 효율적으로 분석할 수 있으며, 실제 굴착메커니즘과 동일하기 때문에 도출된 압입깊이와 토크값은 활용성이 높다. 본 연구를 통해 디스크커터 당 연직력과 압입깊이의 상관관계 및 연직력과 회전력의 상관관계를 도출하였다. 이러한 상관관계들을 이용하여 70 MPa급 암반에 대해 굴진율 예측과 TBM 설계가 가능할 것으로 판단한다. 또한, 인공암반의 RQD가 100%로 현장적용에 대한 한계점에 대해 FPI의 개념을 도입하여 굴진율 모델의 활용성을 증대시키고자 하였다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제15권12호
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• pp.117-128
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• 2014

일반적으로 기존 터널이나 공동 등에 근접하여 터널을 시공하는 경우에 기존 공동과 터널간의 간섭이 발생하며 이로 인한 영향을 최소화하기 위하여 이격거리를 터널의 폭 이상으로 유지하도록 일부시방서 등에 권고안이 제시되어 있는 상태이다. 이와같이 공동이나 구조물 등에 근접한 터널은 지반 상태 및 공동의 크기, 보조공법 등을 고려하여 결정하여야 하며, 지반이 연약한 상태에서는 근접도에 따라 민감한 반응을 나타내고 변형량도 크게 나타나므로 지반조건을 고려한 터널계획이 이루어져야 한다. 설계단계에서 공동이 터널의 안정성에 미치는 영향을 검토하기 위해 현장측정, 수치해석, 모형시험 등의 방법이 고려될 수 있으며, 이 중에서 모형시험(Scaled model test)은 결과를 가시적으로 나타낼 수 있을 뿐 아니라, 수치해석과 비교를 통해 거동을 보다 상세하고 현실적으로 예측 가능하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 공동에 인접하여 터널 굴착이 이루어지는 경우, 계획단계에서 실제 거동을 예측하기 위한 모형시험 방법과 시험 시 고려사항들에 대해 고찰하고 실제 시험 결과와 수치해석 결과의 비교를 통해 제안된 기법의 적정성을 평가하였다. 또한 터널 굴착 시 터널 주변에 분포하는 공동의 이격거리에 따른 영향이 적절히 반영되는지 여부를 파악하기 위해 공동과 터널간 이격거리를 0.25D, 0.50D, 1.00D, Network 상태 분포 시로 가정한 일련의 모형시험을 수행하였으며, 공동이 없는 조건과 비교하여 제안된 방법의 적정성을 확인하였다. 추가적으로 축소모형시험 결과의 타당성 검증을 위한 목적으로 시험조건을 반영한 수치해석을 수행하였으며, 수치해석 결과와 모형시험 결과의 비교 검증을 수행하였다. 모형시험 및 수치해석 결과 이격거리 1.0D는 공동과 터널이 독립적인 거동을 보이는 한계거리로 평가되었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제20권3호
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• pp.543-560
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• 2018

도심지 지하공간의 개발과 운행선 하부를 저토피로 입체 교차화하는 시설 증가에 따라 비개착식 공법의 수요는 점차 증가추세에 있으나 대다수의 공법은 중대구경 강관을 압입하여 루프를 형성하고 내부를 굴착하는 파이프루프(Pipe roof) 계열의 공법이 주로 적용되고 있다. 강관 압입 시 발생되는 이완영역 및 하중은 여러 인자의 영향을 받게 되나 가장 큰 요소는 압입하는 강관의 크기에 좌우되며 이는 강관 루프 내 지중구조물에 작용하는 하중의 크기로 볼 수 있다. 지반의 교란 및 이완하중 발생을 최소화시키기 위해 개발된 SEM공법(Super Equilibrium Method)은 기존의 중대구경 강관 대신 ${\Phi}114mm$ 내외의 소구경 강관을 사용한다. 이 소구경 강관을 SEM파일로 명명하였으며 강관의 선 압입 및 그라우팅 보강을 실시한 후 지반의 침하나 융기 없이 지반 내 횡단구조물을 유압잭을 이용하여 압입하게 된다. 이와 같이 SEM공법의 구성 중 지보역할을 하는 SEM파일은 선단부 굴착 시 지반의 붕락을 방지하고 상재하중을 지지하기 위한 길이 5 m 내외의 Fore poling 파일이며 이 파일의 배치간격, 시공연장, 부재의 강성 등을 산정하기 위해서는 이완영역의 적절한 산정이 필수적이다. 본 논문은 SEM공법의 최적설계를 위하여 SEM파일 압입 시 발생되는 이완하중 산정 값을 비교분석하였다. 이완영역 산정에 근거한 주요 이론식 및 경험식들의 영향인자를 고려하여 분석하고 FEM analysis (유한요소 해석)를 수행하여 SEM파일에 적합한 이완하중 산정을 검토하였다. 또한 실제 SEM파일 압입 및 굴착 시 발생되는 지반이완을 확인하기 위해 강관압입 축소모형실험을 수행하였으며 토피고/강관(H/D)에 따른 지표침하 및 지반이완을 정량적으로 검토하였다.