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해저 터널 굴착 중 전방 위험 지반 모니터링 기법의 적용성 평가
Assessment of Monitoring Items for Adverse Ground Conditions in Subsea Tunneling

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Authors
김현우
Advisor
전석원
Major
지구환경시스템공학부
Issue Date
2012-02
Publisher
서울대학교 대학원
Abstract
해저 터널은 불충분한 사전 지반 정보를 토대로 위험 지반의 존재 가능성이 높은 기반암을 무한정 유입될 수 있는 해수에 대비하며 굴착해야 하는 환경에서 건설된다. 이때 터널을 안전하고 효율적으로 시공하기 위해서는 굴착면의 안정성을 우선적으로 확보해야 하며 이를 위해 전방 지반 상태를 지속적으로 파악해야 한다. 선진시추 조사, 터널 내 탄성파 탐사 등 기존 전방 지반 조사 방법들은 해저 터널에서 유용성을 인정받았으나 일부 사례에서 탐지 능력에 한계를 보였다. 따라서 기존 전방 지반 탐지 기법과 함께 적용되었을 때 탐지 능력을 보다 향상시킬 수 있는 모니터링 기법을 추가적으로 도입할 필요가 있다. 예기치 않은 사고에 대한 대응방안이 제한적인 해저 터널 건설 환경에서 위험에 대한 정보의 가치는 시간 및 비용의 증가를 감안하여도 매우 높기 때문이다.
본 연구에서는 해저 터널 굴착 중 굴착면 전방에 위치한 위험 지반을 탐지할 수 있는 최적의 모니터링 기법을 선정하기 위해 주요 위험 지반에서의 터널 굴착 및 모니터링 과정을 유한요소해석 프로그램으로 모사하였으며 계층분석법에 따라 모니터링 기법들의 탐지 능력을 비교하였다. 먼저 해저 터널 건설 사례를 분석하여 해저 터널의 주요 특징을 파악하고 터널 건설 시 굴착 안정성에 중요한 영향을 미치는 인자들을 분석하였으며, 선정된 영향 인자를 토대로 굴착 과정에서 위험 상황이 발생할 수 있는 대표적 지반 형태를 구성하였다. 이러한 위험 지반이 전방에 존재할 때 후방 굴착 공간에 형성될 수 있는 잠재 위험 영역의 위치와 규모를 한계변형률 개념을 이용하여 파악한 결과, 전방에 계곡 형태 지반이 있거나 연약대가 굴착된 공간 쪽으로 기울어져 있을 때 선진시추 조사와 같은 기존 조사 기법으로 위험 지반이 탐지되기 전 이미 터널 천단부 또는 굴착면에 잠재 위험 영역이 형성됨을 확인하였다.
해저 터널의 굴착면 전방 지반 변화를 탐지하기 위한 모니터링 기법으로 변위 벡터 오리엔테이션, 계측 단면 중심 벡터, 선행변위, 유입 수량을 선택하였으며, 수치해석 결과를 토대로 모니터링 기법의 위험 지반 형태 구분 능력, 조기 경보 능력, 반응 능력에 대해 비교하였다. 전방 위험 지반의 형태에 따라 터널 굴착 시 주변 지반은 다른 거동을 보였으며 이러한 차이는 각 모니터링 기법의 변화 양상 차이로 나타났다. 각 모니터링 기법의 변화 양상을 범주화하고 해당 위험 지반 종류와 함께 제시하여 실제 측정 시 모니터링 결과의 변화 경향으로부터 위험 지반 형태를 파악할 수 있도록 하였다. 이와 같은 위험 지반 형태 구분 능력은 터널과 수직 교차하는 위험 지반에서 변위 벡터 오리엔테이션이 높게 평가되었으며 기울어져 있는 위험 지반에서는 경사방향에 상관없이 유입수량의 구분 능력이 높았다. 계곡 형태 지반은 두 기법의 구분 능력이 동일하였다. 누적합을 이용한 조기 경보 능력 비교에서는 변위 벡터 오리엔테이션이 계곡 형태 지반을 가장 일찍 탐지하였으며 기울어져 있는 위험 지반은 유입수량이 먼저 인지하였다. 터널과 수직 교차하는 위험 지반은 두 기법의 조기 경보 능력이 동일하게 평가되었다. 반응 능력은 모든 형태의 위험 지반에서 유입수량이 가장 높게 평가되었다.
최종적으로 모니터링 목적에 따라 형태 구분 능력, 조기 경보 능력, 반응 능력의 중요도가 다른 13개 시나리오에 대해 평가한 결과, 일상적으로 수행되는 굴착면 조사 시에 유입수량 측정을 포함시키고 동시에 후방 굴착 공간에서 변위 벡터 오리엔테이션을 측정하는 것이 모든 형태의 위험 지반에 대한 최적 모니터링 기법인 것으로 판단된다.
Subsea tunnels are constructed generally in the bedrock where the possibility of encountering adverse ground conditions is relatively high, based on limited geotechnical data, and the inflow of seawater has to be carefully controlled during tunneling. Because stability of tunnel face is a top priority in these circumstances, continuous monitoring of the ground conditions ahead of tunnel faces is indispensable for safe and efficient excavation. The existing investigation methods such as probe drilling and tunnel seismic prediction have worked effectively, but the methods had a weak point in performance and interpretation for some cases of instability in subsea tunnels. Hence, it is necessary to find the monitoring item that is able to provide supplementary and valuable information on the ground ahead of the tunnel face and reduce the uncertainty of investigation results, when used with probe drilling.
In the present study, a three-dimensional finite element analysis program was used to simulate the processes of tunnel excavation and monitoring in the ground models where there are adverse ground conditions ahead of the tunnel face. The analytic hierarchy process was used to select the optimum monitoring item. Firstly, main features of subsea tunnel were identified and the geotechnical factors affecting tunnel stability were selected from the case studies on the construction of subsea tunnels, and then six representative types of adverse ground condition were built with combinations of the factors.
It was found that potential unstable zones were formed in the excavated space by the influence of the adverse ground conditions ahead of the tunnel face, and the critical strain concept was applied to find out the location and size of the zones. When there were a depression or a weakness zone inclined against excavation direction, the potential unstable zone was already formed at a tunnel crown or a tunnel face before the adverse ground conditions were detected by probe drilling.
Four items were chosen, the displacement vector orientation, the monitoring center vector, the preceding displacement, and the water inflow, to monitor the ground condition ahead of the tunnel face, and they were compared in terms of the capability of categorizing, early warning, and response, based on the results of numerical simulation. The behavior of the rock mass surrounding the excavated space depended on the type of adverse ground condition, and thus the ground type could be classified by analyzing the tunnel monitoring results reflecting the differences in behavior. The typical changing patterns of four monitoring items were represented to enable the identification of the type of adverse ground condition in subsea tunneling. In the capability of categorizing ground type, the displacement vector orientation was most highly efficient monitoring item for a weakness zone perpendicular to the tunnel axis, and the water inflow was the best for weakness zones inclined to or against the excavation direction. The categorizing capability of the two items were similar in a depression. When the early-warning capability of four monitoring items were compared using cumulative sum control chart, the depression was detected at the earliest time by the displacement vector orientation, and the weakness zones inclined to or against the excavation direction were firstly detected by the water inflow. The early-warning capability of the two items were similar in the weakness zone perpendicular to the tunnel axis. In terms of the capacity of response, the water inflow was the best item for all the adverse ground conditions. Finally, when the monitoring items were compared in 13 cases where the priorities of criteria were different according to the purpose of monitoring, the combination of vector orientation and water inflow was assessed as the optimum monitoring item in all adverse ground conditions.
Language
kor
URI
http://hdl.handle.net/10371/156670

http://dcollection.snu.ac.kr:80/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000001989
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College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Energy Systems Engineering (에너지시스템공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._에너지시스템공학부)
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