• KEPCO Journal on Electric Power and Energy
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• 제7권2호
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• pp.285-293
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• 2021

The construction of underground structures such as power supply lines, communication lines, utility tunnels has significantly increased worldwide for improving urban aesthetics ensuring citizen safety, and efficient use of underground space. Those underground structures are usually constructed along with vertical cylindrical shafts to facilitate their construction and maintenance. When constructing a vertical shaft through the open-cut method, the walls are mostly designed to be flexible, allowing a certain level of displacement. The earth pressure applied to the flexible walls acts as an external force and its accurate estimation is essential for reasonable and economical structure design. The earth pressure applied to the flexible wall is closely interrelated to the displacement of the surrounding ground. This study simulated stepwise excavation for constructing a cylindrical vertical shaft through a centrifugal model experiment. One quadrant of the axisymmetric vertical shaft and the ground were modeled, and ground excavation was simulated by shrinking the vertical shaft. The deformation occurring on the entire ground during the excavation was continuously evaluated through digital image analysis. The digital image analysis evaluated complex ground deformation which varied with wall displacement, distance from the wall, and ground depth. When the ground deformation data accumulate through the method used in this study, they can be used for developing shaft wall models in future for analyzing the earth pressure acting on them.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제25권5호
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• pp.357-371
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• 2023

TBM을 이용한 전력구 공사에서 수직구는 TBM 장비 및 전력선의 진출입을 위해 필수적인 구조물이다. 수직구는 지반을 수직으로 관통하여 굴착하기 때문에 암반을 굴착하는 경우가 많다. 암반 지반은 대부분 발파나 할암 공법을 적용하여 굴착하므로 이때 발생하는 소음 및 진동, 도로 점유로 인해 민원이 발생하고 있다. 따라서 기존 공법의 대안으로 기계식 굴착장비를 이용한 수직구 굴착을 고려하였다. 다만, 현 기술 수준에서 수직구 굴착장비는 암반의 압축강도 약 120 MPa 이상에서는 굴착성능이 현저히 저하되어 고강도 암반 지반 적용에 한계가 있다. 본 연구에서는 암반에서 기계식 굴착 성능 개선을 위해 연마재 워터젯 기술을 굴착 보조공법으로 활용하는 방안에 대해 검토하였다. 연마재 워터젯 절삭성능에 대한 검증을 위해 암석 절삭실험을 수행하고, 실험결과로부터 이격거리, 이송속도, 수압 조절을 통해 지반조건 변화에 대응하여 굴착성능을 확보하는 것이 적절할 것으로 판단하였다. 또한, 일축압축강도와 RQD, 굴진율의 관계를 이용하여 연마재 워터젯을 이용한 인위적인 절리생성을 통해 굴착성능을 향상시키는 방안을 제시하였다. 본 연구결과는 향후 수직구 기계식 굴착장비 도입을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제20권4호
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• pp.717-729
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• 2018

연약지반 수직구 굴착 중에는 주변 지반의 하중으로 인한 굴착면의 히빙이 발생할 위험이 있기 때문에 굴착 설계 시 지반 안정성에 대한 고려가 필수적이다. 그러나 연약지반 히빙 안전율 산정은 2차원 산정식으로 수행하여야 하므로 수직구의 3차원 형상을 고려하지 못하는 문제가 있다. 본 연구에서는 수직구 굴착 시 히빙 안전율에 대한 선행 연구를 보완하여 3차원 효과를 반영하는 히빙에 대한 안전율 식을 제안하였으며, 해당 식이 기존 식에 비해 3차원 원형 수직구 굴착에서의 히빙 안정성을 더 적절하게 반영할 수 있음을 확인하였다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제38권1호
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• pp.35-45
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• 2022

개착공법으로 원형 수직구 건설 시, 가시설 흙막이 벽체는 일정 수준의 변위를 허용하는 연성벽체로 설계된다. 합리적이고 경제적인 연성벽체의 구조 설계를 위해서는 벽체에 작용하는 토압을 정확히 평가할 필요가 있다. 원형 수직구 벽체에 작용하는 토압은 주변 지반의 소성 변형과 밀접하게 연관되어 있으나, 이에 대한 연구는 부족한 상황이다. 본 연구는 원형 수직구의 단계 굴착을 원심모형시험을 통해 모사하고, 원심모형시험 중 촬영된 이미지에 이미지 해석 기법을 적용하여 원형 수직구 굴착 시 주변 지반에 발생하는 변형을 평가하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제12권2호
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• pp.129-144
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• 2010

원형수직터널에 작용하는 토압은 아칭효과로 인해 2차원 일반 흙막이벽에 작용하는 토압보다 작으므로 원형수직터널 설계 시 벽체에 작용하는 실질적인 토압의 예측이 필요하다. 본 논문은 두 개의 연속된 논문(Companion papers)의 두번째로서 원형수직터널 설계 시 건조한 사질토뿐만 아니라 c-$\phi$ 지반과 다층지반에서 적용 가능하도록 새롭게 제안된 토압식(김도훈 등, 2009)을 증명하기 위해 대형 모형실험을 수행하였다. 고안된 모형실험 장비는 단계별 굴착이 가능하도록 제작 벽체의 반경을 변화시켜가며 실험을 수행하였다. 또한 강사 방법으로 지반을 조성하기 전 건조한 시료에 물을 첨가하고 불포화사질토를 형성시켜 겉보기 점착력을 발현시킴으로써 c-$\phi$ 지반과 다층지반에서 실험을 진행하였다. 실험 결과로서, 단계별 굴착을 모사하였을 때, 아칭효과에 의해 굴착된 지반에서 굴착되지 않은 지반으로 하중이 전이가 일어나는 확인할 수 있었다. 또한, 동시에 굴착했을 때의 토압은 예측한 값에 비해 상당히 작게 나타났지만, 단계별로 굴착했을 때의 최종 토압은 동시 굴착 시의 토압에 비해 크게 나타나며 새롭게 제안된 토압식과 잘 일치하였고 c-$\phi$ 지반과 다층지반에서 수행한 실험의 결과도 겉보기 점착력의 효과로 인해 토압의 감소를 보이며 이론적인 값과 잘 일치하는 것으로 나타났다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제26권2호
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• pp.153-167
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• 2024

최근 도심지에 개발이 이루어지면서 지반침하가 증가하고 있으며, 그에 대한 원인 중 하나는 지하수위의 변화이다. 본 연구에서는 굴착깊이가 깊은 수직구 굴착공사의 한 예로 ｢◯◯◯◯ 복선전철 민간투자사업｣의 작업구를 대상으로 지하수위 저하량에 대한 현장계측 결과와 수치해석 결과를 비교 분석하였다. 이를 통하여 지하수위 저하에 대한 검토를 실시할 경우, 현장조건들이 충분히 반영될 수 있도록 지반조건을 분석하여 적용하여야 하며, 지하수위는 측정시기를 확인하여 적절한 수위를 적용하여야 시공 시 지하수위의 저하량과 유사한 예측 값을 도출해 낼 수 있음을 확인하였다.

• 지질공학
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• 제23권3호
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• pp.227-234
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• 2013

대규모 저수지에서 상수원 선택취수설비의 수직구 굴착시 저수지 및 주변 지층으로부터의 지하수 유입이 발생할 수 있어 그라우팅을 통한 차수가 요구된다. 본 연구에서는 소양강댐 우안의 선택취수설비 공사 중에 발생할 수 있는 지하수 유입량을 그라우팅 실시 여부에 따라 모사하고 시공 중의 실제 유입량과 비교하였다. 수직구에 그라우팅이 시공되지 않은 경우에는 445~754 $m^3/d$, 그라우팅이 시공된 경우에는 58~96 $m^3/d$의 지하수가 수직구내로 유입되는 것으로 예상되었으며, 실제 그라우팅을 거친 후 굴착 과정에서 배출된 지하수량을 측정한 결과 30~100 $m^3/d$의 범위를 보여 예측 수량과 유사한 것으로 나타났다. 수직구의 작업 안정성 확보 및 원활한 공정을 위해서는 수치모델을 활용한 그라우팅 효과의 사전 평가가 필요하며 이를 근거로 그라우팅 시공을 선행한 후 굴착이 진행되는 것이 필요하다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제38권6호
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• pp.29-39
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• 2022

도심지 원형 수직구 굴착 시 주변 지반의 침하는 포장 하부에 설치된 인프라시설의 안정성 뿐만 아니라 상부구조의 안정성에 큰 영향을 미친다. 배면지반의 침하량을 예측하는 방법은 지반조건, 벽체 변위, 해석 방법 등에 따라 달라지므로 근접시공 설계자는 합리적으로 침하량을 예측해야한다. 본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 활용하여 굴착심도별로 지하수의 침투에 따른 영향을 고려하기 위해 비정상류, 정상류, 지하수를 고려하지 않은 조건으로 배면지반의 침하와 벽체의 변위 그리고 토압분포를 검토하였다. 수치해석결과, 배면지반의 침하량과 침하영향범위는 비정상류 상태가 정상류 상태보다 크게 발생하였으나 벽체의 수평변위는 반대로 정상류 상태가 비정상류 상태보다 크게 나타났다. 침하량의 크기는 굴착 깊이에 따라 다르게 나타났으며 굴착 깊이 별로 토사층에서 가장 크고 풍화암층, 연암층 순으로 감소하였다. 또한 수압을 포함한 수평응력값을 기존의 Rankine 토압식과 비교했을 때 토사지반에서는 유사한 경향을 보이나 암반층에서는 수치해석 결과보다 작은 토압형태가 나타남을 확인 할 수 있었다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제13권1호
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• pp.173-194
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• 2017

Access shaft is of critical importance to the construction and operation of underground rock caverns. It usually has a relatively large cross-section and penetrates through fill materials, soil layers, and weathered rocks before reaching the caverns excavated in solid bedrock. In this paper, the design and construction of vertical shafts are reviewed in terms of diameter, depth, geological conditions, and support structure. Three shaft alternatives, namely alternative I: vertical shaft with spiral roads, alternative II: upper shaft with spiral roads & lower tunnels, alternative III: plain shaft, are proposed based on a simplified geological profile of the Jurong formation, Singapore. The advantages and limitations of the three types of shafts are discussed. The key issues relating to shaft design and construction, such as the shaft sinking, water control, support structure, are also discussed with a series of solutions provided, such as the sequential excavation, pre-grouting and diaphragm walls.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제20권1호
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• pp.183-195
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• 2018

최근 공동구 및 지하터널의 수요증가와 함께 수직구 굴착에 대한 연구의 필요성이 증가하고 있다. 공동구 연구단은 국토교통부 연구개발사업의 일환으로 '수직구 외주면 선행 굴착공법 및 장비'를 개발하였으며 현재 성능 검증 중에 있다. '수직구 외주면 선행 굴착공법'은 수직구 굴착 시 굴착면의 외주면을 먼저 굴착하고 굴착기 벽체를 관입시켜 연약지반의 히빙에 대한 지반의 안정성을 확보하는 공법이다. 이 연구에서는 원심모형실험을 통해 히빙을 모사하고 관내토의 유무에 따른 지반면의 히빙과 지반침하, 그리고 주변지반의 거동을 비교, 분석하였다. 분석 결과 관내토가 지반침하와 히빙의 발생을 충분히 억제하는 효과를 나타내는 것으로 파악되었으며, 수직구 외주면 선행 굴착공법이 히빙에 대한 지반의 안정성을 충분히 확보함을 확인할 수 있었다.