• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권6호
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• pp.553-581
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• 2022

TBM (Tunnel Boring Machine)이 터널 산업에 도입된 이후로 안전성과 친환경의 이점으로 TBM의 사용이 전 세계적으로 증가하였다. 암반 및 토사 지반을 굴착하는 TBM 터널에서의 주요 비용 중 하나는 손상되거나 마모된 커터의 교체로 볼 수 있다. 커터의 교체는 시간과 비용에 큰 영향을 끼치는 작업이며 TBM 가동률과 굴진율을 크게 감소시킬 수 있다. 따라서 커터의 수명을 정확하게 평가하는 것은 공기와 비용의 측면에서 매우 중요하다. 그러나 복합 지반을 포함하여 토사 구간, 암반구간에서 커터 마모에 대한 예측은 매우 복잡하고 명확하지 않다. 이에 따라 커터 마모에 대한 다양한 예측 모델이 개발 및 도입되었지만 이러한 불확실성으로 인해 가변적인 결과를 나타낸다. 본 연구에서는 커터 마모 예측 모델을 제시하기 보다는 커터 교체의 설계 및 시공 사례 연구를 소개하고 분석했다. 커터는 지반 조건, TBM 장비 및 운전의 영향을 많이 받으므로 불확실성과 한계를 감안하면 신뢰성 있는 예측 모델을 제안하는 것은 매우 어렵기 때문에 오히려 실제 사례를 분석하고 이에 대한 자료 공유가 더 실용적이다. 커터 교체에 대한 예측과 결과 간의 차이를 확인하고 심도 있게 분석하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제4권2호
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• pp.155-165
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• 2002

본 논문은 영동선 동백산역에서 도계역사이를 연결하는 장대터널 (솔안터널)의 시공사례에 대한 연구결과를 제시하였다. 본 터널은 완공시 길이 16.2Km로 국내최장터널이 된다. 본 터널 현장은 단층, 공동 및 함탄층으로 구성된 지질학적으로 복잡한 지역에 위치한다. 2번사갱 굴착을 위하여 사전에 전기비저항탐사 및 지하레이다탐사 등의 지구물리학적인 탐사방법이 단층, 공동 및 함탄층을 사전에 찾아내는데 활용되었으며, 이 방법은 상당한성과가 있었다. 이 물리탐사결과 및 현지 시추자료는 터널 보강설계를 개선하기 위한 자료로 활용되었다. 강관다단 그라우팅 방법은 단층 및 공동이 발달한 지역에서 좋은 보강 및 그라우팅효과를 발휘함이 입증되었다. 함탄층에서는 스웰렉스 록볼트와 공내 몰탈 그라우팅을 병행한 방법이 효과적임이 확인되었다.

• 한국지반공학회:학술대회논문집
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• 한국지반공학회 1998년도 지반조사위원회 봄 학술세미나
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• pp.47-60
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• 1998

본 고에서는 지반 조건의 불균질성 및 이방성에 기인하는 사전 지반 조사의 한계성, 혹은 충분치 못한 사전 지반 조사에 의해 터널 시공 중 발생되었던 터널 사고 사례들을 검토, 분석하고 지반 조사의 터럴 설계 및 시공에서의 활용에 대하여 고찰하였다. 본문에서는 암석(intact rock) 자체는 양호할지라도 암반 내에 존재하는 불연속 면들의 발달 상태 등 지질공학적 요인에 의하여 암반이 취약해지는 경우, 지반 내에 발달하는 불연속면의 사전 인지와 이에 대한 대책 공법 수립의 필요성, 충분하지 못한 사전 지반 조사에 의해 터널 상부에 존재하는 충적층을 사전에 예측하지 못하여 발생된 사고 사례들과 시공 중 지반 조사(막장 관찰, 갱내 선진시추 조사 등) 결과가 터널의 시공에 적용된 예와 특수한 지반조건에서의 터널 변형 사례등을 검토하였다. 결론적으로 터널 시공에 있어서 대상 지반의 지질공학적 특성을 충분히 파악할 수 있는 적절한 지반 조사를 충실히 이행하면 지반 관련 사고를 미연에 방지할 수 있고 경제적인 시공이 될 수 있을 것으로 판단하였다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제36권1호
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• pp.129-142
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• 2003

본 연구에서는 터널구간에서 예상되는 지하수의 유동에 관한 현상을 규명하기 위하여 지하수 유동시스템의 거동을 3차원으로 해석하였으며, 터널구간의 설계와 시공기법을 선정하는데 해석견과를 활용토록 하고, 건설기간 중에 지하수 유동과 관련한 시공상의 장애를 사전에 파악하여 대책을 수립하는데 필요한 정보로 활용할 수 있도록 하였다. 대상터널은 편도 2차선인 2개의 평행터널인 법기터널 구간으로써 시추조사 및 투수시험을 실시하여 MODFLOW 모델의 매개변수를 추정하였다. 추정된 매개변수를 이용하여 MODFLOW모델에 의해서 굴착터널 내부의 지하수 유동을 해석하고 이로부터의 계산치와 관측치를 비교한 결과 두 값이 거의 일치하였다. 또한 터널굴착에 따라 지하수 유출량을 비교해 보면, 터널시점부터 종점까지 지하수 총유출량은 0.0269㎥/day/$m^2$로 추정되었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권3호
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• pp.219-237
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• 2020

급속한 경제 발전과 도시 인구 증가는 기존의 인프라의 개선과 확대를 위한 지하 공간 활용의 필요성을 증가 시킨다. 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine)은 높은 굴진율과 최소한의 지반 교란이 필요한 지하 구조물 설계에 널리 이용되어 왔다. 허용 추력과 커터헤드 토크는 적절한 TBM 타입을 선택에 있어서, 중요한 설계 인자 이므로 TBM 공사 시에 적절히 산정되어야 한다. 하지만, 기존의 추력과 토크의 추정 모델은 오직 경험적인 인자와 TBM 직경에만 의존하고 있는 실정이다. 이는 최적의 추력 유압 시스템과 적절한 유압부품의 선택을 어렵게 한다. 본 연구에서는 4개의 추력 및 토크 계산 모델을 설명하고 정리하였으며, 각각의 모델들을 비교 및 논의하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제12권6호
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• pp.463-473
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• 2010

통계 관리도 기법을 활용한 터널 굴착면 전방 단층대 예측 기법을 제시하고 적용성을 검토하였다. 5개의 RMR 변수와 기초 RMR에 대한 $x-R_s$ 관리도를 작성하여 단층대로 접근함에 따른 각 변수의 변화 분석을 통해 이상 구간을 통계적인 기준에 의해 판정하였으며, 이러한 이상 구간을 단층대 구간으로 간주하였다. 관리도 평가 기법을 터널 시공현장에 적용한 결과, 선진수평시추 및 막장 관찰을 통해 확인된 3 개소의 단층대 구간은 관리도 판정에 의해 단층대가 출현하는 시점보다 각각 1~3 굴착면 이전에 인지되었으며, 거리로 환산하면 2.2 m, 5.0 m, 6.0 m 이전에 해당된다.

• 한국지반신소재학회논문집
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• 제10권4호
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• pp.61-70
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• 2011

본 연구에서는 TBM의 관입속도 예측에 대한 경험적 모델을 비교하기 위하여 현장사례를 이용하여 관입속도를 예측하였으며, 예측결과와 시공 시의 실측치를 비교 분석하여 합리적인 모델을 평가하였다. 관입속도 예측은 일축압축강도를 이용한 모델과 암석의 특성 및 TBM의 장비 특성을 고려한 모델로 적용하였다. 사례현장은 대부분 편마암으로 구성되어 있으며, 절리가 발달되어 약선대가 존재하기 때문에 암석의 일축압축강도가 불규칙적으로 나타났다. 일축압축강도를 이용한 예측결과에서 Graham(1976)의 모델은 낮은 강도의 경우, 비현실적인 예측결과가 나타나는 것으로 분석되었다. 평균 관입율을 이용한 각 모델들의 신뢰성을 분석한 결과, 암석의 특성 및 TBM 기계적 특성을 합리적으로 반영한 NTNU 모델(1998)이 가장 높은 것으로 확인되었다. 그러나 실측치와 비교한 결과에서는 일축압축강도를 바탕으로 예측하는 Tarkoy의 모델(1986)이 사례현장의 특성과 일치하는 것으로 분석되었다. 즉, TBM의 관입속도 예측 시에는 대상 암종, 지질특성 및 TBM의 장비 특성을 모두 고려하여 다양한 모델을 이용한 합리적인 예측이 수행되어야 한다.

• 터널과지하공간
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• 제23권6호
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• pp.480-492
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• 2013

비화산지대에서도 적용 가능한 인공저류층 생성방식의 지열발전기술의 등장으로 막대한 비용이 소요되는 대심도 시추공사를 효율적이고 경제적으로 수행하기 위한 연구개발의 필요성이 증대되고 있다. 그러나 시추공사는 수행과정에서 수많은 불확실한 사건이 발생하여 공기와 비용을 신뢰적으로 예측하기가 매우 어렵기 때문에 계획적이고 효율적으로 공사를 관리하기가 어려운 실정이다. 특히, 비트의 마모로 인해 이산적으로 발생하는 시추장비의 라운드 트립(round trip)은 심도가 깊어질수록 소요시간이 증가하여 공사 성능에 영향을 많이 끼치는 요소로서 발생시점과 깊이를 사전에 평가하여 최적화할 수 있는 기술이 필요하다. 본 연구에서는 비트의 마모상태를 총 8단계로 구분하여 마모단계별 라운드 트립이 발생되는 깊이와 시점을 분석할 수 있는 예측 알고리즘(TOSA)을 개발하였다. 시뮬레이션을 위한 단위구간을 분할할 수 있는 방법론을 제시하였으며, 구간별 시추속도 및 비트의 마모도 예측을 위한 방법으로 Bourgoyne and Young의 모델을 활용하였다. 마지막으로 사용자 편의성을 고려하여 개발된 알고리즘을 시스템화 하였다.

• 터널과지하공간
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• 제30권3호
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• pp.214-225
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• 2020

쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine) 터널 굴착 시 암반의 상태는 굴진 성능을 결정하는 중요한 요소 중 하나이다. 암석 강도는 지반조사 시 실내시험을 통해 얻을 수 있으나, 전체 TBM 굴진 구간에 대해 모두 알 수 없다. TBM 굴진 시 최적 Operation Parameter를 적용하기 위해서는 굴진 속도에 영향을 미치는 암석 강도를 파악하는 것이 매우 중요하다. 이에 본 연구에서는 TBM 굴착 중 생성되는 기계 데이터와 머신러닝(Machine Learning) 기법을 활용하여 암석 강도를 예측하고자 한다. 암석 강도를 예측하기 위해 여러 머신러닝 기법을 사용하여 비교하였고, 가장 예측 성능이 좋은 스태킹 모델을 최종 모델로 선택하였다. 암반 구간 Slurry 쉴드 TBM 굴진 사례에서 지반조사 및 시공 중 조사한 암석 강도와 강도를 획득한 위치에서의 TBM 굴착 데이터를 사용하였다. TBM 굴착 데이터는 Training과 Test용으로 8:2로 분할하였으며, 변수 선택(feature selection), 표준화(scaling), 이상치(outlier) 제거 등 전처리 과정을 수행하였다. 하이퍼파라미터 튜닝까지 마친 후, 스태킹 모델에 대해 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error, RMSE)와 결정 계수(R²)로 모델을 평가한 결과 각각 5.556과 0.943로 나타났으며, TBM 굴착 데이터로 암석 강도를 예측하는 모델로 유용할 것으로 판단된다.

• 터널과지하공간
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• 제28권6호
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• pp.513-527
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• 2018

TBM은 사전에 예측하지 못한 지반조건의 변화에 대한 대응력이 재래식 공법과 비교할 때 상대적으로 낮기 때문에, 설계단계에서 TBM의 사전 성능예측과 공사기간 산정을 위한 굴진율 예측이 매우 중요하다. 기존 연구에서 구축된 211개의 TBM 데이터베이스에 신규 데이터를 추가하여 TBM의 핵심 제작 사양인 최대 추력, 커터헤드 최대 토크 및 회전속도, 커터헤드 구동력 사이의 상관관계를 지반조건에 따라 분석하였다. 기존 연구들에서와 같이 TBM의 최대추력, 최대토크, 구동력과 같은 기본 제작사양을 추정하는 데 있어 TBM 외경은 매우 중요한 정보임을 확인할 수 있었다. 국외의 TBM 데이터베이스로부터 도출된 회귀식과 본 연구로부터 얻어진 회귀식을 비교한 결과, 최대추력의 경우는 유사한 경향을 보였으나, 대단면 TBM에서 본 연구의 회귀식에서 추정된 최대토크가 국외의 회귀식보다 더 높게 추정하는 경향이 나타났다.