KR100959193B1 - 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법 및 그 장치에 관한 것으로, 기본적으로 터널이 굴착되는 주변지반의 역학적 물성치와 터널구조체의 기하학적 크기형상과 현장에서의 변위계측정보를 상호 비교·평가함으로써, 터널에 대한 정량적 안정성 평가를 실시하는 것이다.
이러한 본 발명에서의 계측관리 기준치는 궁극적으로, 터널주변지반의 역학적 물성치인 지반강도와 터널정보인 구조체의 기하학적 크기 등과 함께 활용하여, 터널굴착시 허용가능한 최대변위의 한계선을 구체적으로 제한함으로써, 기존의 지질공학적 정성적 평가 방법에 비해, 역학적 물성치를 토대로 한 정량적 평가 방법이며, 현장에서 쉽고 간편하게 사용가능한 계측관리 기준이 될 수 있다. 따라서, 본 발명을 활용함으로써, 굴착중인 터널에 대한 신속하고 정량적인 안정성 평가는 물론, 터널지보재에 대한 경제성 판단에도 활용되어, 경제적 터널시공도 달성할 수 있게 된다.
터널안정성, 터널계측, 한계변형률, 계측관리기준, 역해석, 인공신경망
Description
본 발명은 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 기본적으로 터널이 굴착되는 주변지반의 역학적 물성치와 터널구조체의 기하학적 크기형상과 현장에서의 변위계측정보를 상호 비교평가함으로써, 터널에 대한 정량적 안정성 평가를 실시할 수 있는 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법 및 그 장치에 관한 것이다.
터널을 시공하는 경우에 있어서, 구조체로서의 터널에 대한 안정성을 평가하기 위해서는 터널구조체에 대해 직접적으로 변형이나 응력을 계측할 필요가 있다. 그러나 터널구조체는 지반굴착으로 인해 지반과의 상호거동의 영향을 직접적으로 받기 때문에, 주변 지반에 대한 평가도 동시에 실시할 필요가 있다. 이렇듯이 터널의 안정성을 평가하기 위해서는 구조체에 발생한 응력을 조사하거나, 굴착에 의해 응력해방이 발생한 주변지반의 변위를 조사하여 평가하는 방법을 취하고 있다. 이때, 구조체의 응력을 계측하기 위해서는 고가의 계측장비를 매설하여야만 가능하기 때문에, 시간적·경제적 제약이 크다고 할 수 있다. 이에 비하여 굴착지반에 대한 변위계측은 응력계측에 비해 신속하고 경제적으로 수행될 수 있는 장점이 있다.
대부분의 터널현장에서는 굴착과 더불어 변위 및 응력과 관련된 계측을 실시하도록 규정하고 있으며, 각 현장마다 일정한 기준치를 설정하여, 계측결과가 그 기준치 이내이면 안정성을 유지한다고 판단하는 것이 일반적이다. 하지만, 이러한 계측관리 기준치는 국가별, 기관별 그리고 현장별로 서로 다른 기준치를 사용하고 있으며, 그 근거에 대한 뚜렷한 지침이 없는 실정이기 때문에, 시공 중 계측 결과를 활용한 안정성 평가가 효과적으로 이루어지고 있지 못하고 있으며, 심지어, 계측업무를 소홀히 취급하고 있는 것이 현 실정이다.
그러나 터널시공현장에서의 변위값은, 계측지점의 지질조건하에서 터널굴착과 관련된 지보 및 굴착조건 등의 상호 영향을 수치적으로 표현해주고 있는 매우 의미 있는 정보로서, 이를 제대로 분석·평가함에 따라, 굴착중인 터널의 안정성 판단은 물론, 타설된 지보재에 대한 지보효과를 정량적으로 평가하여 경제적 터널 시공을 유도할 수 있는 핵심으로 활용될 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 기본적으로 터널이 굴착되는 주변지반의 역학적 물성치와 터널구조체의 기하학적 크기형상과 현장에서의 변위계측정보를 상호 비교평가함으로써, 터널에 대한 정량적 안정성 평가를 실시할 수 있도록 한 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법은, 굴착된 터널 내부 및 터널 주변에 설치된 변위계측용 계측수단들을 이용하여서 굴착지반에 대한 변위정보를 계측하는 현장계측단계; 계측된 상기 변위정보를 이용하여 변형률을 산정하기 위한 변형률산정단계; 굴착중인 터널에서 산정된 변형률을 한계변형률 경계도표에 실시간으로 도시하여 터널의 안정성 및 단면보강 여부를 판단하는 터널안정성 평가단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법의 다른 특징은, 상기 변형률산정단계는, 현장에서 계측한 변위를 이용하여 터널의 크기나 두 계측지점간의 거리로 나누어서 변형률을 구하는 계측변위이용법과, 현장에서 계측한 변위를 역정식화 해석프로그램에 입력하여 FEM 탄성체 수치해석적 방법으로 변형률을 산정하는 해석모델이용법과, 터널시공과 관련된 다양한 정보인 터널정보 ·지반정보·지보정보를 활용하여 인공신경망 기법을 이용하여 변형률을 산정하는 인공신경망이용법 중, 어느 하나 이상의 방법을 이용하여 이루어진다.
본 발명 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법의 다른 특징은, 시공현장에서 계측된 계측변위를 활용하여 변형률을 산정하는 계측변위이용법은, 천단변위를 굴착된 단면적에 해당하는 등가반경으로 나누어서 구한 변형률, 내공변위를 두 지점간의 거리로 나누어서 구한 변형률, 서로 다른 두 지점의 수평경사계 또는 지중변위계에서 구한 변위차를 두 지점간의 거리로 나누어서 구한 변형률, 광파측량기·레이져스캐너 장비·디지털 사진측량 장비 중 어느 하나 이상의 장비에 의해 반사타켓·광파용 프리즘·무타켓굴착표면에서의 변위차를 구하여 이를 굴착된 단면적에 해당하는 등가반경으로 나누어 구하는 변형률 중, 어느 하나 이상의 변형률 산정 방법에 의해 이루어진다.
본 발명 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법의 또 다른 특징은, 역정식화기법(Inverse formulation method)을 이용한 해석모델이용법은, 터널 굴착면에 대한 계측변위값을 입력하고, 지반·단면·지보 모델링에 의해 FEM 탄성체 수치해석기법을 이용하여, 주변지반의 응력상태를 추정하며, 추정된 응력상태를 이용하여 탄성체 수치해석을 다시 수행하여 주변지반의 압축변형률 분포를 계산하고, 계산된 압축변형률값들 중에서 최대압축변형률을 결정하여서 이루어진다.
본 발명 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법의 또 다른 특징은, 상기 인공신경망이용법은, 터널종류·형상·높이·폭·굴착심도·굴착방법·굴착공법으로 이루어진 터널정보와, 지층구성과 깊이·암석·암반의 일축압축강도·한계변형률·파괴변형률·인장강도·단위중량·비중·포아송비·흡수율·탄성계수(실내·실외시험)·P파·S파·점착력·내부마찰각·N치·투수계수·RQD·RMR·Q치로 이루어진 지반정보와, 록볼트(Rockbolt)길이·간격·직경·숏크리트(Shotcrete)종류·두께·강재보재종류·규격·간격·보조지보재종류·규격·간격·타설시기·경과시간으로 이루어진 지보정보를 이용하며, 변위계측정보가 없는 경우에 해당굴착지점에 대한 변형률을 일반화된 인공신경망 기법을 활용하여, 기존사례에 의한 데이터베이스를 통해 변형률을 산정한다.
본 발명 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법의 또 다른 특징은, 한계변형률 경계도표를 이용한 터널안정성 평가단계는, 한계변형률 경계도표 상의 상·하한 경계선을 최대 변위허용 폭으로 설정하고, 계측변위이용법, 해석모델이용법, 인공신경망이용법에 의해 산정된 각종 변형률과 비교하여 터널의 터널안정성을 평가하며, 터널안정성 평가 결과, 안정성을 확보한 경우에는 다음 막장으로 이동하여 터널공사가 종료될 때까지 터널굴착을 계속 진행하고, 터널안정성 평가 결과, 안정성을 확보하지 못하는 경우에는 단면보강에 대한 검토를 실시한 후, 지보재를 추가로 타설하여 변형을 중지시키도록 한다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단장치는, 변위계측결과를 활용하여 변형률을 산정하고 산정된 변형률로 안정성을 평가하기 위해, 굴착 터널의 시공현장에서 굴착지반에 대한 변위계측정보를 획득하는 변위계측수단; 굴착되지 않은 지반속에 미리 설치된 지중변 위계를 이용하여서, 굴착이 진행되어 나가면서 발생하는 사전, 사후 지중변위를 계측하는 지중변위 계측수단; 굴착되지 않은 지반속에 미리 설치된 수평경사계를 이용하여서 터널막장의 전방위변위를 계측하는 막장전방변위 계측수단; 상기 변위계측수단, 지중변위 계측수단, 막장전방변위 계측수단을 통해 얻어진 현장에서의 각종 변위정보가 입력되어서 터널안정성을 평가하는 컴퓨터; 상기 변위계측수단, 지중변위 계측수단, 막장전방변위 계측수단으로부터 얻은 정보를 상기 컴퓨터에 전송하는 입력 및 송신수단;으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단장치의 다른 특징은, 상기 변위계측수단은, 굴착된 터널 내부 및 터널 주변에 설치되어서 굴착지반에 대한 변위정보를 계측하기 위한 레벨측량기, 내공변위계, 광파측량기, 레이져스캐너 장비, 디지털 사진측량장비 중 어느 하나 이상으로 이루어진다.
터널시공현장에서 굴착시 계측된 변위정보는, 계측지점의 지질조건하에서 터널구조체와 지반조건, 굴착조건 등의 상호영향을 수치적으로 표현해주고 있는 매우 의미 있는 정보로서, 이를 제대로 분석·평가함에 따라, 굴착중인 터널의 안정성 판단을 역학적 근거를 토대로 신속하고 정량적으로 수행할 수 있다. 이러한 관점에서 본 발명은, 시공 중인 터널에서 각종 변위계측수단을 통해 얻어지는 변위정보를 활용하여, 한계변형률 개념에 의해 터널구조체의 안정성을 실시간, 정량적으로 평가할 수 있게 해준다. 한계변형률은 터널이 굴착되는 주변지반의 역학적 물성치 가운데 하나로서, 터널시공시 변위관리 기준에 대한 통일적·일관적 지침을 제시한다.
이러한 본 발명은, 지반의 역학적 특성으로, 굴착지반에 대한 암석의 일축압축시험에서 초기접선탄성계수에 대한 파괴시의 일축압축강도의 비로 정의되는 역학적 물성치인 한계변형률을 이용하여 터널시공현장에서의 통일적 관리기준치로 활용하는 것이다. 또한 이때의 관리기준치인 한계변형률과 비교하기 위한 시공현장에서의 변형률로는, 다음의 3가지 방법 중 어느 하나 이상에 의해서 구한 변형률을 활용하여, 굴착터널의 안정성을 평가하게 된다. 첫째, 터널시공현장에서 계측된 계측변위를 활용하여 구한 변형률, 둘째, 역정식화기법(Inverse formulation method)을 이용하여 개발된 해석프로그램에 굴착면에서의 계측변위를 입력하여 결정된 최대압축변형률, 셋째, 구체적인 변위계측정보가 없는 경우에는 터널정보·지반정보·지보정보를 활용한 인공신경망 기법에 의해 산출된 변형률 중 어느 하나 이상의 방법에 의해 구한 변형률을 한계변형률 경계 도표에 실시간으로 도시하여, 터널의 안정성을 평가하게 된다.
본 발명에서는 터널시공현장에서의 계측관리기준치 설정을 위하여 터널이 시공되는 곳이라면 어디에서나 통일적이고 일관된 기준으로 활용가능하고, 이를 위해서 터널굴착 주변지반에 대한 역학적 물성치인 한계변형률을 새롭게 활용하고 있으며, 이를 이용하여 한계변형률 경계도표도 함께 제시하고 있다. 한계변형률 경계도표는 터널굴착 주변지반의 강도와 터널구조물의 기하학적 크기형상 등을 활용하여, 터널굴착시 허용가능한 최대변위의 한계선을 구체적으로 제시한다. 따라서, 기존의 지질공학적 정성적 평가 방법에 비해, 역학적 물성치를 토대로 한 정량적 평가 방 법이며, 현장에서 쉽고 간편하게 사용가능한 계측관리 기준이 될 수 있다. 그러므로, 본 발명을 활용함으로써 굴착중인 터널에 대한 신속하고 정량적인 안정성 평가는 물론, 터널지보재에 대한 경제성 판단에도 활용되어, 경제적 터널시공도 달성할 수 있게 된다.
본 발명 중 현장계측 단계는, 굴착된 터널 내부 및 터널주변(종방향 및 횡방향)에 설치된 변위계측용 계측기(천단핀, 내공핀, 지중변위계, 수평경사계, 반사타켓, 광파용 프리즘, 무타켓굴착표면을 이용한 레벨측량기, 내공변위계, 광파측량기, 레이져스캐너 장비, 디지털 사진측량장비)를 이용하여 굴착변위를 측정하는 것이다.
본 발명 중 현장계측 단계에는, 측정된 정보를 분석용 컴퓨터로 분류 및 취합하는 송수신 수단이 구비된다.
본 발명 중 변형률 산정단계는, 다음의 세 가지 방법 중 어느 하나 이상의 방법 즉, 시공현장에서 계측된 계측변위를 활용하는 방법, 역정식화기법(Inverse formulation method)을 이용하여 개발된 해석프로그램 활용하는 방법, 계측정보가 없는 경우에는 터널정보·지반정보·지보정보를 활용한 인공신경망 기법을 활용하는 방법을 포함한다.
여기서, 시공현장에서 계측된 계측변위를 활용하여 변형률을 산정하기 위해서는, 첫째, 천단변위를 굴착된 단면적에 해당하는 등가반경으로 나누어서 구한 변형률, 둘째, 내공변위를 두 지점간의 거리로 나누어서 구한 변형률, 셋째, 서로 다른 두 지점의 수평경사계 또는 지중변위계에서 구한 변위차를 두 지점간의 거리로 나누어서 구한 변형률, 넷째, 광파측량기·레이져스캐너 장비·디지털 사진측량 장비에 의해 반사타켓·광파용 프리즘·무타켓굴착표면에서의 변위차를 구하여 이를 굴착된 단면적에 해당하는 등가반경으로 나누어 구한 변형률을 각각 포함한다.
본 발명 중 역정식화기법(Inverse formulation method)을 이용하여 개발된 해석프로그램 활용하는 방법은, 터널 굴착면에 대한 계측변위값을 입력하고, 지반·단면·지보 모델링에 의해 FEM 탄성체 수치해석기법을 이용하여, 주변지반의 응력상태를 추정한다. 추정된 응력상태를 이용하여 탄성체 수치해석을 다시 수행하여 주변지반의 압축변형률 분포를 계산하고, 그 중에서 최대압축변형률을 결정하게 된다. 본 해석프로그램은 탄성론을 활용하기 때문에 소형 컴퓨터에서도 매우 짧은 시간에 변형률을 산정할 수 있어 현장에서 신속하게 평가하는데 어려움이 없다.
또한 변형률 산정단계 중, 계측정보가 없는 경우에는, 터널정보·지반정보·지보정보를 활용한 인공신경망 기법을 활용하여 변형률을 산정한다. 터널정보로는, 터널종류·형상·높이·폭·굴착심도·굴착방법·굴착공법이며, 지반정보로는, 지층구성과 깊이·암석·암반의 일축압축강도·한계변형률·파괴변형률·인장강도·단위중량·비중·포아송비·흡수율·탄성계수(실내·실외시험)·P파·S파·점착력·내부마찰각·N치·투수계수·RQD·RMR·Q치이며, 지보정보로는, 록볼트의 길이·간격·직경·숏크리트의 종류·두께·강재보재종류·규격·간격·보조지보재종류·규격·간격·타설시기·경과시간이다. 이러한 정보를 이용하여 변위계측정보가 없는 경우에 해당굴착지점에 대한 변형률을 일반화된 인공신경망 기법을 활용하여, 기존사례에 의한 데이터베이스에서 추론하게 된다.
여기서 N치는, 지반의 상태를 수치적으로 표시하기 위한 하나의 방법이며, 주로 지반의 강도를 타격횟수로 표현한다. 암질지수(RQD)의, 'RQD'는, Rock Quality Designation의 약자로써 암반의 상태를 수치적으로 표시하기 위한 하나의 방법이며, 시추보링시 획득되는 암석 코아의 상태를 나타내는 것이다. 또한, 암반의 특성치(RMR값, Q치)의 'RMR'은, Rock Mass Rating의 약자이며, Q치와 함께, 암반의 상태를 수치적으로 표시하기 위한 하나의 방법이다.
여기서 N치는, 지반의 상태를 수치적으로 표시하기 위한 하나의 방법이며, 주로 지반의 강도를 타격횟수로 표현한다. 암질지수(RQD)의, 'RQD'는, Rock Quality Designation의 약자로써 암반의 상태를 수치적으로 표시하기 위한 하나의 방법이며, 시추보링시 획득되는 암석 코아의 상태를 나타내는 것이다. 또한, 암반의 특성치(RMR값, Q치)의 'RMR'은, Rock Mass Rating의 약자이며, Q치와 함께, 암반의 상태를 수치적으로 표시하기 위한 하나의 방법이다.
본 발명 중 터널안정성 평가단계는, 준비된 한계변형률 경계도표상에 상기에서 결정된 변형률을 실시간으로 도시하여 한계변형률의 상·하한 경계치와 비교한다. 하한 경계치를 넘어서는 순간부터 안정성 확보에 경계를 기울어야 하며, 변위가 지속적으로 증가하여 상한 경계치로 근접하게 되면, 지보재를 보강하여 변형을 중지시켜야 하고, 최대 변위허용은 상한 경계치까지로 설정한다. 이러한 시공관리를 통하여 굴착중인 터널에 대해 변위개념을 도입하여 신속하고 정량적인 안정성 평가가 가능해진다.
본 발명의 구체적 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명으로 더욱 명확해 질 것이다.
도 1은 본 발명 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가 판단기법이 구현되는 전체적인 순서도이고, 도 2는 본 발명을 구현하기 위해, 터널시공현장에서 계측변위를 구하기 위한 계측 개략도이며, 도 3은 본 발명을 구현하기 위해, 터널시공현장에서 구한 계측변위를 활용하여 터널주변 지반에 대한 변형률을 산정하기 위한 해석모델 활용도이다. 도 4는 본 발명을 구현하기 위해, 터널정보·지반정보·지보정보를 활용하여 인공신경망 기법에 의해 주변지반의 변형률을 산정하기 위한 인공신경망 활용도이고, 도 5는 본 발명에서 터널안정성 평가의 통일적인 시공관리 지침으로 활용하는 지반에 대한 한계변형률 경계도표이며, 도 6은 본 발명에서 정의하고 있는 지반의 한계변형률 개념도이다.
본 발명 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법의 전체적 인 흐름도는 도 1에 도시한 바와 같이 현장계측단계(100), 변형률산정단계(200), 터널안정성 평가단계(300)로 대별된다.
현장계측단계(100)에서는, 터널굴착(101)과 더불어 터널시공현장에서는 굴착지반에 대한 변위계측(102)을 실시하게 된다. 계측변위는 계측기의 종류·설치방법·설치시기, 계측기와 막장과의 거리, 지반의 굴착단면적·굴착방법 등에 대해 종합적으로 검토하게 되며, 변형률 산정(200)을 위해 계측변위에 대한 평가(103)를 실시하게 된다.
이러한 현장계측단계(100)에서 사용되는 변위계측수단(10)으로는 레벨측량기, 내공변위계, 광파측량기, 레이져스캐너 장비, 디지털 사진측량장비가 있으며, 현장의 상황에 따라 하나 또는 복수의 장비를 사용할 수 있다. 이러한 변위계측수단(10)에 의해 굴착 터널(1)의 시공현장에서 굴착지반에 대한 변위계측정보(102)를 획득하며, 이와 같이 얻어진 변위계측결과를 활용하여 변형률을 산정하고 산정된 변형률로 안정성을 평가한다.
현장계측단계(100)에서 사용되는 지중변위 계측수단(11) 및 막장전방변위 계측수단(12)은, 계측장비를 말한다. 이러한 지중변위 계측수단(11) 및 막장전방변위 계측수단(12)은 굴착되지 않은 지반 속에 미리 설치되어서, 굴착이 진행되어 나가면서 발생하는 사전, 사후 변위를 모두 계측한다. 이러한 지중변위 계측수단(11) 및 막장전방변위 계측수단(12)은 지반속에 설치되어야 하기 때문에, 관을 시추한 뒤에 그 속에 삽입되며, 결과적으로 그 지점의 변위를 계측한다.
이러한 현장계측단계(100)에서는, 천단핀, 내공핀, 지중변위계, 수평경사계, 반사타켓, 광파용 프리즘 등의 변위계측용 계측기가 사용되며, 이러한 기기들은 모두 이 기기들이 설치된 지점의 변위를 계측하기 위한 계측지점의 타켓들이다. 따라서 레벨측량기, 내공변위계, 광파측량기 등을 이용하여서 그 지점의 변위, 곧 침하량을 측정하는데 사용된다.
변형률 산정단계(200)에서는, 현장에서 계측한 변위(102)를 이용하여 터널(1)의 크기나 두 계측지점 간의 거리로 나누어서 구하는 방법인 계측변위이용법(201), 현장에서 계측한 변위(102)를 역정식화 해석프로그램에 입력하여 FEM 탄성체 수치해석적 방법으로 변형률을 산정하는 해석모델이용법(202), 터널시공과 관련된 다양한 정보인 터널정보·지반정보·지보정보를 활용하여 인공신경망 기법을 이용하여 변형률을 산정하는 인공신경망이용법(203)으로 구성되어 있다.
여기서 유한요소수치해석기법(FEM)의, 'FEM'은, Finite Element Method의 약자로써 컴퓨터를 이용한 수치해석기법의 일종이다. 따라서 유한요소수치해석기법(FEM)이란, 컴퓨터를 이용하여 힘과 변위의 관계를 설정하여, 대상물체 즉 지반을 잘게 나누어 해석한다는 의미이며, 일반 공학적인 분야에서 폭넓게 활용하는 용어이다.
여기서 유한요소수치해석기법(FEM)의, 'FEM'은, Finite Element Method의 약자로써 컴퓨터를 이용한 수치해석기법의 일종이다. 따라서 유한요소수치해석기법(FEM)이란, 컴퓨터를 이용하여 힘과 변위의 관계를 설정하여, 대상물체 즉 지반을 잘게 나누어 해석한다는 의미이며, 일반 공학적인 분야에서 폭넓게 활용하는 용어이다.
터널안정성 평가단계(300)에서는, 시공현장 활용을 위한 한계변형률 경계도표(301)를 이용하여, 계측변위이용법(201), 해석모델이용법(202), 인공신경망이용법(203)에 의해 산정된 각종 변형률과 비교(302)하여 터널(1)의 안정성을 평가(303)하게 된다. 터널안정성 평가 결과, 안정성을 확보하지 못하는 경우에는 단면보강(304)에 대한 검토를 실시한 후 지보재를 추가로 타설(305)하는 과정을 거친다. 반면, 터널안정성을 확보한 것으로 판단된 경우에는, 다음 막장으로 이동(306)하여 터널굴착을 계속 진행하게 된다. 이러한 일련의 안정성 평가 과정은 터널공사 가 종료(307)될 때까지 반복 수행한다.
도 2는 현장계측을 실시하는 현장계측단계(100)에 대한 상세 방법을 나타낸 것으로서, 굴착 터널(1)에 대하여 시공현장에서의 변위계측수단(10)인 레벨측량기, 내공변위계, 광파측량기, 레이져스캐너 장비, 디지털 사진측량장비로부터, 굴착지반에 대한 변위계측정보(102)를 획득하게 된다. 굴착에 의한 변위를 획득하는 또 다른 계측수단으로는, 터널주변지반에 설치한 지중변위 계측수단(11)과 터널막장의 전방변위를 계측하기 위해 수평경사계에 의한 막장전방변위 계측수단(12)도 포함하고 있다. 이렇게 얻어진 현장에서의 각종 변위정보는 유무선 통신에 의한 입력 및 송신수단(13)을 통해 분석용 컴퓨터(14)로 전송되어, 터널안정성 평가에 활용되게 된다.
도 3은 현장에서 얻어진 각종 변위정보를 이용하여, 터널굴착 주변지반에 대한 변형률을 산정하기 위한 해석모델이용법(202)에 대한 상세 흐름도를 나타낸 것이다. 해석프로그램에 입력되는 입력용 변위정보(210)로는 현장에서 계측된 해석프로그램 입력용 변위정보(15)이며, 터널굴착주변 지반에 대한 지반모델링(220), 터널단면에 대한 단면모델링(230), 지보재(16)에 대한 지보모델링(240)을 각각 수행하게 된다. 그 후 해석프로그램을 이용하여 FEM 탄성체 수치해석을 수행하게 되며, 해석결과로는 주변지반에 대한 응력(17)이 출력(250)되게 되며, 이를 이용하여 터널 주변지반에 대한 압축변형률 분포(18)를 계산(260)하고, 최종적으로는 한계변형 률 경계도표 상에서 도시하여 비교하기 위한 최대압축변형률을 산정(270)하게 된다.
여기서 FEM 탄성체 수치해석 기법 중, 'FEM'은, Finite Element Method의 약자로써 컴퓨터를 이용한 유한요소해석기법을 말한다. '탄성체'는, 지반을 탄성체로 보며, '수치해석' 기법은, 응력-변형과의 관계를 풀기 위한 하나의 방법을 말한다.
따라서 FEM 탄성체 수치해석이란, 컴퓨터를 이용하여 힘과 변위의 관계를 탄성관계로 설정하여, 대상물체 즉 지반을 잘게 나누어 해석한다는 의미이며, 일반 공학적인 분야에서 폭넓게 활용하는 용어이다.
한편, 역정식화를 이용한 프로그램은, 이미 본 출원의 발명자가 개발한 것으로써, 이를 논문과 프로그램으로 등록한 바 있다. (프로그램등록 : 2007-01-123-003505, 명칭 : F-BAP, 등록년월일 : 2007. 07. 10일, 프로그램 저작자 : 박시현, 신용석)
역정식화를 이용한 프로그램의 개요는 아래의 표와 같다.
도 4는 굴착주변 지반에 대한 변형률을 산정하는 또 다른 방법인 인공신경망 이용법(203)을 나타낸 것이다. 인공신경망 기법에서 활용될 수 있는 각종 정보로는 터널정보·지반정보·지보정보로 요약되며, 이에 대한 세부내용은 도표에 정리되어 있다. 인공신경망 이용방법은 시공현장에서 변위계측정보가 확보되지 못한 경우에 터널구조체, 지반, 지보재의 관련자료를 활용하여 기존의 활용사례를 토대로 확보된 경험적 변형률을 결정하는 것으로서, 기존데이터의 신뢰성 확보 및 관련자료에 대한 데이터베이스가 구축될 필요가 있다.
이러한 인공신경망 기법도 FEM 탄성수치해석법과 같이 변형률을 결정하기 위한 하나의 수단(tool)을 의미한다. FEM 기법에서는 힘-변위의 관계를 이용하여 변형률을 산정하는 것과 같이, 인공신경망 기법에서는 터널정보·지반정보·지보정보를 이용하여서 기존의 자료를 토대로 해당 현장 위치에서의 변형률을 결정하는 수단이다. 인공신경망 기법의 활용은, 변형률을 구한 다음 한계변형률 개념으로 평가하는 것이다.
도 5는 한계변형률 개념을 이용하여 굴착중인 터널에 대한 안정성을 판단하기 위한 한계변위의 경계선을 나타낸 것이다. 본 도표에서는 지반의 가장 일반적인 정보인 지반 강도를 이용하여 한계변형률을 평가하고 있기 때문에, 터널이 시공되는 다양한 현장에 대해 통일적인 기준으로서 활용이 가능하다. 또한 본 도표는 2004년 영국터널협회에서 제안된 것이나, 이미, 국내지반에 대한 활용성이 검증된 것이며, 본 발명에서는 기존도표를 그대로 활용하기로 한다. 한계변형률 경계도표를 시공 실무에 활용하기 위하여 지반강도에 따라 5종 즉, 점토·토사·풍화암·연 암·경암 지반으로 구분하였다. 터널안정성을 판단함에 있어서는 상·하한 경계선을 활용하게 되며, 그 중간값을 취하여 중한 경계선을 추가로 활용하는 것도 가능하다. 현장에서 안정성 평가시에는, 하한 경계선을 넘어서는 순간부터 터널안정성에 경계를 기울어야 하며, 변위가 지속적으로 증가하여 상한 경계선으로 근접하게 되면, 지보재를 보강하여 변형을 중지시켜야 하며, 최대 변위허용은 상한 경계선까지로 설정한다.
이러한 터널안정성 평가단계(300)에서, 시공현장 활용을 위한 한계변형률 경계도표(301)와 산출된 각종 변형률을 비교하는 방법은 다음과 같다.
변형률은 하나의 수치적인 값으로 나타난다. 예를 들면, 변형률은 0.49, 1.25 등과 같은 수치로 결정된다. 이 변형률을 결정한 바로 그 위치에서의 일축압축강도를 파악한 다음, 한계변형률 도표상에 플로트(plot)한다. 그러면 플로트된 점이 두 개의 경계선에 대해 아래에 찍히는지 그 위에 찍히는지가 파악된다.
플로트된 점이 하한 경계선보다 아래이면 무조건 안전하고, 하한경계를 넘어서면 요주의이며, 상한경계선에 가까워질수록 위함하다. 이를 현장에서 곧바로 활용하여 안전성을 평가할 수 있다.
도 6은 본 발명에서 터널시공관리의 통일적 기준치로 제시되고 있는 한계변형률의 개념도를 나타낸 것이다. 한계변형률은, 지반의 역학적 물성치 가운데 하나이며, 굴착지반에 대한 코아 샘플의 일축압축시험에서 초기접선탄성계수에 대한 파괴시의 일축압축강도의 비로 정의된다. 한계변형률은 파괴변형률보다 언제나 작은 값을 지니게 되어, 이를 활용하는 경우에는 공학적으로 보수적인 평가가 가능하다. 도 5의 한계변형률 경계도표에서 상·하한 경계선은 일축압축시험에 의한 한계변형률을 의미하기도 한다.
도 1은 본 발명 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가 판단기법이 구현되는 전체적인 순서도
도 2는 본 발명을 구현하기 위해, 터널시공현장에서 계측변위를 구하기 위한 계측 개략도
도 3은 본 발명을 구현하기 위해, 터널시공현장에서 구한 계측변위를 활용하여 터널주변 지반에 대한 변형률을 산정하기 위한 해석모델 활용도
도 4는 본 발명을 구현하기 위해, 터널정보·지반정보·지보정보를 활용하여 인공신경망 기법에 의해 주변지반의 변형률을 산정하기 위한 인공신경망 활용도
도 5는 본 발명에서 터널안정성 평가의 통일적인 시공관리 지침으로 활용하는 지반에 대한 한계변형률 경계도표
도 6은 본 발명에서 정의하고 있는 지반의 한계변형률 개념도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 터널 10 : 변위계측수단
11 : 지중변위 계측수단 12 : 막장전방변위 계측수단
13 : 입력 및 송신수단 14 : 분석용 컴퓨터
15 : 해석프로그램 입력용 변위 정보 16 : 모델링된 지보재
17 : 출력된 터널주변 지반응력 18 : 지반의 압축변형률 분포
Claims (8)
- 터널 굴착(101) 내부 및 터널(1) 주변에 설치된 변위계측기를 이용하여서 굴착지반에 대한 변위정보를 계측(102)하는 현장계측단계(100);계측된 상기 변위정보를 이용하여 변형률을 산정하기 위한 변형률산정단계(200);굴착중인 터널에서 산정된 변형률을 한계변형률 경계도표(301)에 실시간으로 도시하여 터널의 안정성 및 단면보강 여부를 판단하는 터널안정성 평가단계(300);로 이루어진 것을 특징으로 하는 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법.
- 제1항에 있어서, 상기 변형률산정단계(200)는,현장에서 계측한 변위(102)를 이용하여 터널의 크기나 두 계측지점 간의 거리로 나누어서 변형률을 구하는 계측변위이용법(201)과,현장에서 계측한 변위(102)를 역정식화 해석프로그램에 입력하여 유한요소수치해석기법(FEM)으로 변형률을 산정하는 해석모델이용법(202)과,터널시공과 관련된 다양한 정보인 터널정보·지반정보·지보정보를 활용하여 인공신경망 기법을 이용하여 변형률을 산정하는 인공신경망이용법(203) 중,어느 하나 이상의 방법을 이용하여 이루어진 것을 특징으로 하는 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법.
- 제2항에 있어서, 시공현장에서 계측된 계측변위를 활용하여 변형률을 산정하는 계측변위이용법(201)은,천단변위를 굴착된 단면적에 해당하는 등가반경으로 나누어서 구한 변형률,내공변위를 두 지점간의 거리로 나누어서 구한 변형률,서로 다른 두 지점의 수평경사계 또는 지중변위계에서 구한 변위차를 두 지점간의 거리로 나누어서 구한 변형률,광파측량기·레이져스캐너 장비·디지털 사진측량 장비 중 어느 하나 이상의 장비에 의해 반사타켓·광파용 프리즘·무타켓굴착표면에서의 변위차를 구하여 이를 굴착된 단면적에 해당하는 등가반경으로 나누어 구하는 변형률 중,어느 하나 이상의 변형률 산정 방법에 의해 이루어진 것을 특징으로 하는 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법.
- 제2항에 있어서, 역정식화기법을 이용한 해석모델이용법(202)은,터널 굴착면에 대한 계측변위값을 입력(210)하고,지반 모델링(220), 단면 모델링(230), 지보 모델링(240)에 의해 유한요소수치해석기법(FEM)을 이용하여, 주변지반의 응력상태를 추정(250)하며,추정된 응력상태를 이용하여 탄성체 수치해석을 다시 수행하여 주변지반의 압축변형률 분포(18)를 계산(260)하고,계산된 압축변형률값들 중에서 최대압축변형률을 결정(270)하여서 이루어진 것을 특징으로 하는 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법.
- 제2항에 있어서, 상기 인공신경망이용법(203)은,터널종류·형상·높이·폭·굴착심도·굴착방법·굴착공법으로 이루어진 터널정보와,지층구성·깊이, 암석·암반의 일축압축강도·한계변형률·파괴변형률·인장강도·단위중량·비중·포아송비·흡수율·탄성계수(실내·실외시험)·P파·S파·점착력·내부마찰각·N치(타격횟수로 표현한 지반강도지수)·투수계수·암질지수(RQD)·암반의 특성치(RMR·Q치)로 이루어진 지반정보와,록볼트의 길이·간격·직경·숏크리트의 종류·두께, 강재보재종류·규격·간격, 보조지보재의 종류·규격·간격·타설시기·경과시간으로 이루어진 지보정보를 이용하며,변위계측정보가 없는 경우에 해당굴착지점에 대한 변형률을 일반화된 인공신경망 기법을 활용하여, 기존사례에 의한 데이터베이스를 통해 변형률을 산정하는 것을 특징으로 하는 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법.
- 제1항에 있어서, 한계변형률 경계도표(301)를 이용한 터널안정성 평가단계(300)는,한계변형률 경계도표(301) 상의 상·하한 경계선을 최대 변위허용 폭으로 설정하고,계측변위이용법(201), 해석모델이용법(202), 인공신경망이용법(203)에 의해 산정된 각종 변형률과 비교(302)하여 터널의 터널안정성을 평가(303)하며,터널안정성 평가(303) 결과, 안정성을 확보한 경우에는 다음 막장으로 이동(306)하여 터널공사가 종료(307)될 때까지 터널굴착을 계속 진행하고,터널안정성 평가(303) 결과, 안정성을 확보하지 못하는 경우에는 단면보강(304)에 대한 검토를 실시한 후, 지보재를 추가로 타설(305)하여 변형을 중지시키도록 하는 것을 특징으로 하는 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단방법.
- 변위계측결과를 활용하여 변형률을 산정하고 산정된 변형률로 안정성을 평가하기 위해, 굴착 터널의 시공현장에서 굴착지반에 대한 변위계측정보(102)를 획득하는 변위계측수단(10);굴착되지 않은 지반속에 미리 설치된 지중변위계를 이용하여서, 굴착이 진행되어 나가면서 발생하는 사전, 사후 지중변위를 계측하는 지중변위 계측수단(11);굴착되지 않은 지반속에 미리 설치된 수평경사계를 이용하여서 터널막장의 전방위변위를 계측하는 막장전방변위 계측수단(12);상기 변위계측수단(10), 지중변위 계측수단(11), 막장전방변위 계측수단(12)을 통해 얻어진 현장에서의 각종 변위정보가 입력되어서 터널안정성을 평가하는 컴퓨터(14);상기 변위계측수단(10), 지중변위 계측수단(11), 막장전방변위 계측수단(12) 으로부터 얻은 정보를 상기 컴퓨터(14)에 전송하는 입력 및 송신수단(13);으로 이루어진 것을 특징으로 하는 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단장치.
- 제7항에 있어서, 상기 변위계측수단(10)은,굴착된 터널 내부 및 터널(1) 주변에 설치되어서 굴착지반에 대한 변위정보를 계측(102)하기 위한 레벨측량기, 내공변위계, 광파측량기, 레이져스캐너 장비, 디지털 사진측량장비 중 어느 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 시공 중 터널에 대한 실시간, 정량적 안정성 평가판단장치.
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