• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제25권4호
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• pp.305-330
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• 2023

쉴드TBM 터널은 NATM 터널과 달리 라이닝이 세그먼트로 분절되어 있다. 따라서 라이닝에 동일 하중이 발생되어도 NATM 터널 라이닝과 쉴드TBM 터널 라이닝의 응력 분포가 다르게 발생된다. 쉴드TBM 터널에서 라이닝에 발생되는 응력을 분석하는 대표적 방법은 연결부를 고려하지 않는 강성일체법과 링간 이음 및 세그먼트 연결을 고려하는 2링 빔스프링 모델이 있다. 본 연구는 라이닝 분절 Segmentaion을 고려한 Break-joint Mode 해석 방법이지만 세그먼트 라이닝 연결부의 구조적 역할을 고려하지 않고 마찰력 성분인 수직강성과 전단강성 만 도입된 쉘 인터페이스 요소를 이용한 모델링을 적용하여 진동하중 발생 시 라이닝의 응력 및 변위에 대한 응답결과를 분석했다. 토압 등 정적 하중에 대해 천 정부에서 가장 큰 응력이 발생되는 강성일체법과 달리 본 연구의 해석방법에 의해 발생된 세그먼트 라이닝 응력 분포는 세그먼트 연결부가 집중된 천정부 Key 세그먼트에서 가장 작은 응력이 발생하였고 연결부를 경계로 응력의 분포가 뚜렷이 구분되었다. 그리고 정적 해석 결과는 강성일체법에 발생된 라이닝 응력이 본 연구 방법에 의해 발생된 세그먼트 라이닝의 응력에 비해 최대 7배의 큰 응력이 발생되었다. 이러한 결과는 세그먼트 연결부를 고려한 기존의 2링 빔-스프링 모델의 응력분포 양상과 일치하는 결과다. 그러나 열차 진동하중에 대한 응력값은 Break-joint Mode로 해석한 본 연구방법의 응력이 강성일체법에 비해 더 큰 응력을 발생되었다. 이는 짧은 부재들의 조합으로 이루어진 세그먼트 Ring이 원주방향으로 일체로 되어 부재의 길이가 상대적으로 더 긴 강성일체법 결과에 비해 더 작은 응력이 발생되는 정역학적 개념과 상이한 결과다. 진동하중에 대해 Break-joint Mode에서 세그먼트 라이닝에 응력이 더 크게 발생된 원인은 부재의 고유주기, 감쇠비 등 동역학적 요인의 차이보다는 열차 진동하중에 대해 라이닝에 발생되는 변위의 차이에 기인하는 것으로 판단되지만 이에 대한 증명은 추후의 과제로 남겨두었다. 본 연구 방법의 Break-joint Mode를 이용하면 정지상태의 열차 하중에 의해 발생되는 라이닝의 응력과 변위값을 비교하여 쉴드TBM 터널의 충격계수(DIF)를 비교적 간단하게 추정할 수 있다. 본 연구는 쉴드TBM 터널의 Segmentaion을 고려한 3차원 모델링으로 추후 지진파 등 다양한 하중조건의 검토를 통해 기존 해석방법 결과와 비교하여 모델링의 추가적 신뢰성을 확보할 필요가 있다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제21권2호
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• pp.187-200
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• 2020

In the current work, a series of three-dimensional finite element analyses have been conducted to investigate the behaviour of pre-existing single piles in response to adjacent tunnelling by considering the tunnel face pressures and the relative locations of the pile tips with respect to the tunnel. Via numerical modelling, the effect of the face pressures on the pile behaviour has been analysed. In addition, the analyses have concentrated on the ground settlements, the pile head settlements and the shear stress transfer mechanism at the pile-soil interface. The settlements of the pile directly above the tunnel crown (with a vertical distance between the pile tip and the tunnel crown of 0.25D, where D is the tunnel diameter) with a face pressure of 50% of the in situ horizontal soil stress at the tunnel springline decreased by approximately 38% compared to the corresponding pile settlements with the minimum face pressure, namely, 25% of the in situ horizontal soil stress at the tunnel springline. Furthermore, the smaller the face pressure is, the larger the tunnelling-induced ground movements, the axial pile forces and the interface shear stresses. The ground settlements and the pile settlements were heavily affected by the face pressures and the positions of the pile tip with respect to the tunnel. When the piles were inside the tunnel influence zone, tensile forces were induced on piles, while compressive pile forces were expected to develop for piles that are outside the influence zone and on the boundary. In addition, the computed results have been compared with relevant previous studies that were reported in the literature. The behaviour of the piles that is triggered by adjacent tunnelling has been extensively examined and analysed by considering the several key features in substantial detail.

• 대한치과기공학회지
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• 제33권4호
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• pp.307-312
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• 2011

Purpose: The purpose of this study is a porous cube mechanical analysis for the dental implant. Methods: The porous cube with a side length of 10mm was designed for dental implant. To choose proper design, porous hexagon with a side 10mm which was drilled as a regular hexagon with diameter 0.8mm, 1.0mm, 1.2mm and a side 0.4mm, 0.5mm, 0.6mm each using Computer AUTO CAD(Autodesk, 2008). Each cube was carried out in the mechanical analysis. Results: The result of mechanical analysis was observed that the H0.8 was minimum stress 0.045068MPa, maximum stress 9.4565MPa and minimum strain $0.00389{\times}10^{-4}Mpa$, maximum strain $0.816{\times}10^{-4}Mpa$, the H1.0 minimum stress 0.001147MPa, maximum stress 9.099MPa and minimum strain $0.000099{\times}10^{-4}Mpa$, the maximum strain $0.784{\times}10^{-4}Mpa$, the H1.2 minimum stress 0.099393MPa, maximum stress 13.137MPa and minimum strain $0.0112{\times}10^{-4}Mpa$, maximum strain $1.13{\times}10^{-4}Mpa$. Conclusion: The mechanical analysis of porous hexahedron was that H1.0 is the best result. It will be applicable to the porous implants.

• 한국전산구조공학회:학술대회논문집
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• 한국전산구조공학회 2008년도 정기 학술대회
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• pp.624-629
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• 2008

When TBM excavates a tunnel, existing concrete lining segments are used as supporting structures for driving force. Axial stress on the lining segments are apt to be large in case of direct driving force. However, it drastically decline as it is farther and father from TBM and later, it tends to converge after a certain point. Such tendencies show similar results of finite element analysis. At the initial intervals, the values of finite element analysis are larger, while at the later intervals, the actual stress values are larger. It concludes that such tendencies are attributable to that the concrete lining segments have partially burst and cracked in the axial direction at the initial intervals. And differences of stresses at the later intervals are created by the changed plasticity of ground and the friction on the external sides of the lining segments.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권1호
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• pp.23-46
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• 2020

본 연구에서는 터널 근접 시공으로 인한 기 존재 단독말뚝의 공학적 거동을 파악하기 위하여 터널로부터 말뚝선단의 이격거리와 막장압의 변화를 고려한 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 수치해석에서는 터널 막장압을 고려하여 말뚝의 거동을 분석하였으며, 터널굴착으로 유발되는 지반침하, 말뚝두부침하, 말뚝축력 및 말뚝-지반 사이의 경계면에서 발생하는 전단응력을 고찰하였다. 말뚝이 터널 크라운(crown) 바로 상부에 위치하고 말뚝선단까지의 수직 이격거리가 0.25D (여기서, D는 터널직경)인 경우 초기 응력의 50%에 해당하는 막장압을 적용할 경우 25%의 막장압을 적용한 것과 비교한 결과 말뚝두부의 침하가 약 38% 감소하였다. 또한, 막장압의 크기가 작을수록 지반침하, 말뚝의 축력 및 말뚝-지반 사이에서 발생하는 전단응력이 증가하며, 말뚝이 터널굴착 영향권 밖에 존재할 경우 말뚝에는 압축력 형태의 축력이 발생하였다. 따라서 막장압의 크기 및 터널-말뚝선단의 상대위치는 지반 침하와 말뚝 침하에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 본 연구에서 수행된 연구결과의 경우 기존에 보고된 연구결과를 바탕으로 비교분석을 실시하였으며, 터널굴착으로 인한 말뚝의 거동을 심도 있게 분석하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제25권5호
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• pp.387-401
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• 2023

토압식(Earth Pressure Balanced, EPB) 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine) 공법은 진동과 소음이 적어 도심지 지하공간 시공에 적극적으로 활용되고 있다. 이때 첨가제 주입은 막장압 유지, 전단강도 감소, 커터의 마모량 최소화, 굴착토의 투수계수 감소 등 다양한 효과를 보인다. 이러한 기술을 쏘일 컨디셔닝이라 하며, 일반적으로 첨가제로 폼, 폴리머, 벤토나이트 슬러리 등을 적용한다. 본 연구에서는 국내 터널 현장에서 빈번하게 조우하는 화강풍화토 시료에 대해 폼과 폴리머를 첨가제로 적용하여 유동학적 특성을 평가하였다. 슬럼프 시험을 통해 작업성(Workability)을 평가하고, 동일한 시험 조건에 대해 실내 가압 베인전단 시험을 수행하여 유동학적 특성을 평가하였다. 이때 슬럼프 값이 높아 작업성이 떨어지는 경우, 폴리머를 추가 적용하여 폴리머 적용이 유동학적 특성에 미치는 영향을 검토하였다. 시험 결과, 폼 주입비(Foam Injection Ratio, FIR)가 증가함에 따라 슬럼프 값은 증가한 반면 토크, 첨두강도 및 항복응력, 겉보기 점도, 틱소트로피 면적은 감소하였다. 하지만, 폴리머 주입비(Polymer Injection Ratio, PIR)는 폼 주입비와 상반되는 결과를 확인하였다. 시험결과 비교를 통해 슬럼프 값과 항복응력 간의 상관관계를 제시하였다. 그리고 폼 만을 적용한 조건과 폼과 폴리머 모두 적용한 조건을 비교한 결과, 유사한 슬럼프 값을 보이더라도 폼과 폴리머 모두 적용한 조건에서 더 낮은 항복응력이 도출되었다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제17권3호
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• pp.677-683
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• 2016

도심지에서는 고도의 경제성장과 더불어 증가되는 교통량을 수용하기 위하여 도로와 철도 신설에 따른 지하터널 공사가 활발히 진행되고 있다. 지하공간 개발에서는 토사터널 구간이 많을 수 있고 이에 따른 막장 및 천단부 안정성을 고려한 여러 공법들이 개발 적용되고 있다. 그 중 최근에 적용예가 많은 공법으로 DSM(divided shield method)를 들 수 있는데, 이는 Messer Shield 공법에 근간을 두고 있으며, Messer Shield 공법의 장점을 흡수하고 문제점을 개선하여 안정성 및 시공성을 크게 개선한 비개착 특수터널 공법이다. 이 연구에서는 DSM 공법에서 터널 막장면 그라우팅이 터널의 시공성 향상에 미치는 영향을 대형 토조와 수치해석을 수행하여 검토하였다. 실제도로 크기의 1/2인에 해당하는 터널을 모사하기 위한 토조를 제작하여 실험 수행하였다. 또한 MIDAS GTS를 사용하여 수치해석 분석을 통해 DSM모사 토조의 지반 거동과 비교하였다. 터널 표면 침하와 안정성을 단계별 굴착을 통해 측정하였으며, 수치해석과 비교분석하였다. 연구 결과 그라우팅을 통한 막장 안정을 지표의 침하뿐만 아니라 터널 각 부재의 응력은 모두 안정성 범위에 들어가 있었으며, 이를 통하여 DSM 공법의 기술을 개선하고 터널의 안정성 및 시공성 향상을 기대할 수 있는 기초자료를 확보하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제17권4호
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• pp.429-440
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• 2015

본 연구에서는 배수형 쉴드터널 적용시 작용수압의 저감을 평가하기 위해 모형실험장치를 개발하여 배수 및 비배수 조건에서 작용수압 차이를 실험하였다. 모형실험 결과 배수 조건에서 간극수압 증가율이 감소하는 경향을 보였고, 비배수 조건에 비해 전응력이 더 작게 나타나 모형터널 내 지하수 유입에 의해 작용수압이 저감되는 것으로 나타났다. 현장계측 결과 쉴드터널 배면 지반 내 작용수압은 지하수위로 계산되는 수압($r_w{\cdot}H$)보다 약 11~22%정도 적게 나타났다. 모형실험 및 현장계측 결과에서 배수 및 비배수 조건의 이론적인 설계수압과 작용수압의 차이가 나타났는데, 배수형 쉴드터널 적용시 기존 설계수압보다 감소된 수압을 적용하는 것이 가능할 것으로 판단되며, 수압 감소를 통해 세그먼트 단면 축소도 가능할 것으로 판단된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제23권5호
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• pp.325-337
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• 2021

도로와 철도터널에서는 비상시 대피를 위한 시설이 필수적이며, 제연 및 화재 진압을 위한 설비와 승객의 피난 통로가 그것이다. 장대 병설터널에서는 횡갱을 배치하여 화재 발생 반대편 터널로 대피하도록 계획된다. 병설 쉴드터널에서는 횡갱의 시공을 위해 기 시공된 본선터널의 영구 구조물인 세그먼트 라이닝을 철거하여 원지반을 노출하여야 한다. 현대의 대부분의 쉴드TBM이 막장을 격벽으로 차단한 폐쇄형 쉴드TBM임을 감안할 때, 원지반이 노출되는 횡갱의 시공은 쉴드터널의 시공단계에서 위험도가 높은 과정 중 하나이다. 특히, 지하수위 아래의 토사 쉴드터널의 횡갱 시공에서는 세그먼트 철거 및 굴착 중 토사지반의 안정성 확보를 위한 차수 및 굴착공법에 대한 면밀한 검토가 요구된다. 본 사례 연구에서는 토사지반에서 대구경 강관추진을 활용한 횡갱 굴착 공법의 시공 중 유의사항을 소개하고 시공 후 계측결과를 분석하였다. 본 사례 연구에서 소개되는 횡갱 굴착공법은 그라우팅으로 보강된 토사지반에 대구경 강관 추진 후 내부 굴착하는 공법으로써, 두 가지 메커니즘에 의해 토사지반에서 굴착 중 막장의 안정성을 확보한다. 첫 번째는 대구경 강관을 추진하여 막장 전방 토사지반의 전주면을 강관에 의해 선 지보 한다. 두 번째는 대구경 강관 추진으로 내부로 압입된 토사의 Plugging 효과에 의해 막장 전면의 지지효과를 얻을 수 있다. 추진력에 의한 강관의 변형 및 강관의 관통 완료 후 응력발생 계측결과로부터 대구경 강관 추진에 의한 횡갱 굴착공법이 토사지반에서 충분한 시공성과 안정성을 확보함을 확인하였다. 본 사례 연구의 토사 쉴드터널의 횡갱 시공공법은 유사한 현장조건에서 널리 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제20권6호
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• pp.1003-1022
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• 2018

본 연구에서는 Shield TBM 터널굴착이 기 시공된 단독말뚝의 하부를 근접하여 통과할 경우 터널 막장압에 따른 말뚝의 공학적 거동을 파악하기 위해 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 이때 터널 막장압의 크기를 터널굴착 이전 springline 위치에서 수평토압의 25~100%로 변화시키면서 그 영향을 고찰하였다. 수치해석에서는 막장압의 변화에 따른 터널굴착으로 유발된 말뚝의 침하, 축력 및 전단응력을 고려하였다. 말뚝의 두부침하는 막장압의 크기를 가장 크게 적용한 조건이 막장압의 크기를 가장 작게 적용한 조건에 비해 약 44% 감소하여 발생하였다. 말뚝의 최대축력은 막장압의 크기를 가장 작게 적용한 조건에서 가장 크게 나타났으며, 이는 막장압의 크기를 가장 크게 고려한 조건에 대비하여 약 21% 큰 것으로 분석되었다. 터널굴착으로 인한 말뚝의 거동은 막장압의 변화에 따른 지반침하의 영향을 크게 받는 것을 알 수 있었으며, 막장압의 크기에 따른 말뚝 및 지반의 거동을 등고선을 이용하여 재분석하였다. 또한 모든 막장압 조건에 대하여 말뚝의 겉보기안전율이 1.0 이하로 산정되어 터널굴착이 인접말뚝에 유해한 영향을 끼치는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구를 통해 말뚝의 거동에 영향을 미치는 주요인자를 막장압의 변화에 따라 심도 있게 고찰하였다.