터널시공과 지하수의 상호작용이 터널의 거동에 미치는 영향

유충식,김선빈,배규진,신휴성,Yoo, Chung-sik,Kim, Sun-bin,Bae, gyu-jin,Shin, hyu-sung 한국터널지하공간학회 2005 터널기술 Vol.7 No.2

본 논문에서는 터널굴착과 지히수의 상호작용이 터널의 거동에 미치는 영향에 대한 내용을 다루었다. 이를 위해 먼저 터널 굴착으로 인해 지하수유동이 발생하는 구간에서의 설계주안점을 고찰하였으며 서울지역의 지하철 건설시 접하는 일반적인 지반조건에 시공되는 가상의 터널조건에 대해 응력-간극수압 연계해석을 이용한 매개변수 연구를 수행하였다. 매개변수 연구 결과를 토대로 지하수 유동에 따른 막장거통 및 지표변위 특성을 고찰하였으며 터널-지히수 상호작용 관점에서 지반/라이닝 투수성에 따른 솟크리트 라이닝 응력 발생 경향을 고찰하였다. 검토결과 터널-지히수 상호작용은 지표침하량 및 변위를 증가시키며 솟크리트 라이닝 축력을 증가시키는 것으로 나타났다. 아울러 솟크리트 축력은 지반과 솟크리트 라이닝의 상대적 투수성에 좌우되는 것으로 나타났다. 본 연구결과를 종합하여 설계시 고려하여야 할 주안점을 제시하였다. This paper presents the effect of tunneling and groundwater interaction on tunnel behavior. As part of this study, design issuses for tunneling situations similar to that considered in this study are first identified. A parametric study is then conducted on tunneling situations frequently encountered in Seoul area using a 3D stress-pore presure coupled finite-element model with emphasis on the effects of ground and lining permeabilities. The results indicate that tunneling in water bearing ground results in a deeper and wider settlement trough, increased axial thrusts in shotcrete lining than those without the groundwater. Also revealed is that the axial thrusts in shotcrete lining are governed by the relative permeability between the ground and the lining. Design implications of the findings from this study are discussed.

불연속암반내 시공되는 터널의 유한요소모델링

유충식,김종석,이호,이광명,Yoo, Chung-Sik,Kim, Chong-Seok,Lee, Ho,Lee, Kwang-Myoung 한국지반공학회 1999 한국지반공학회논문집 Vol.15 No.4

본 논문에서는 불연속암반내 시공되는 터널의 유한요소해석에 있어서 절리요소를 이용한 불연속면의 모델링에 관한 내용을 다루었다. 불연속 암반터널의 모델링이 가능한 유한요소해석 프로그램의 개발을 위해 기존의 유한요소해석 프로그램 GEOFE2D에 불연속면의 모델링이 가능한 절점변위 절리요소를 적용하고 모형실험 및 기존의 상용프로그램과의 비교를 통해 그 타당성을 검증하였다. 또한 검증된 GEOFE2D를 이용하여 불연속면이 터널의 거동에 미치는 영향을 고찰하기 위해 불연속면이 터널을 관통하는 경우에 대한 해석을 수행하고, 그 과정에서 불연속면과 숏크리트 라이닝 교차부에서의 변위 적합조건을 만족시킬 수 있는 불연속면 모델링 기법을 제시하였다. 한편, 해석결과를 분석한 결과 불연속면은 터널 주변의 응력-변형률 상태에 현저한 영향을 미치며, 특히 불연속면이 관통하는 부위에서의 숏크리트 라이닝 축력 및 휨 모멘트가 현저히 증가하는 것으로 나타났다. 따라서, 불연속면을 포함하는 터널의 거동해석시에는 불연속면에 대한 보다 상세한 모델링이 수반되어야 실제 거동에 보다 근접하는 해석결과를 도출시킬 수 있을 것으로 판단된다. This paper deals with the application of joint element in the finite element modeling of discontinuities encountered during rock tunneling. A nodal displacement joint element was implemented in a two dimensional finite element program GEOFE2D. The applicability of the joint element for modeling of discontinuities and the numerical stability of the implemented algorithm were examined by comparing the results of reduced small scale model tests as well as commercially available FEM program. The GEOFE2D was then used to analyze a tunnel crossed by a major discontinuity for the purpose of understanding the effect of discontinuity on the tunnel behavior. In addition, a modeling technique for the junction of discontinuity and shotcrete lining was presented. The results of analysis indicated that the stress-strain field around the tunnel is significantly altered by the presence of discontinuity, and that the stresses in the shotcrete lining considerably increase at the junction of the shotcrete lining and the discontinuity. It is therefore concluded that the major discontinuities must be carefully modeled in the finite element analysis of a tunneling problem in order to obtain more reliable results close to actual tunnel behavior.

인공신경망 기반의 TBM 터널 세그먼트 라이닝 부재력 평가

유충식,최정혁,Yoo, Chung-Sik,Choi, Jung-Hyuk 한국터널지하공간학회 2014 한국터널지하공간학회논문집 Vol.16 No.1

본 논문에서는 TBM 터널의 세그먼트 라이닝 설계 자동화 기술 개발의 일환으로 인공신경망기법을 이용한 세그먼트 라이닝 부재력 산정기법 개발에 관한 내용을 다루었다. 부재력 평가가 가능한 인공신경망을 개발하기 위해 먼저 다양한 설계조건을 도출하고 이에 대해 2-Ring Beam 모델을 이용한 유한요소해석을 수행하여 인공신경망 학습에 필요한 설계조건별 부재력에 관한 DB를 구축하였다. 구축된 DB를 활용하여 인공신경망의 최적화 과정을 통해 최대 부재력 및 분포도를 예측할 수 있는 인공신경망을 구축하였다. 검토 결과 구축된 인공신경망은 유한요소해석과 동일한 정밀도의 부재력 산정 기능을 확보하는 것으로 검토되었으며 따라서 TBM 세그먼트 라이닝 설계시 필요한 부재력 평가를 위한 효율적인 수단으로 활용될 수 있는 것으로 판단된다. This paper presents development of artificial neural network(ANN) based prediction method for section forces of TBM tunnel segment lining in an effort to develop an automatized design technique. A series of design cases were first developed and subsequently analyzed using the two-ring beam finite element model. The results were then used to form a database for use as training and validation data sets for ANN development. Using the database, optimized ANNs were developed that can readily be used to predict maximum sectional forces and their distributions. It is shown that the compute maximum section forces and their distributions by the developed ANNs are almost identical to the computed by the two-ring beam finite element model, implying that the developed ANNs can be used as design tools which expedite routine design calculation process. The results of this study indicate that the neural network model can be effectively used as a reliable and simple predictive tool for the prediction of segment sectional forces for design.

지하수가 터널굴착에 미치는 영향에 관한 3차원 연계해석

유충식,Yoo, Chung-Sik 한국터널지하공간학회 2003 터널기술 Vol.5 No.2

본 논문에서는 3차원 연계해석을 통해 지하수가 터널굴착에 미치는 영향을 고찰하였다. 먼저 국외사례를 토대로 높은 지하수위의 조건에서 터널시공시 발생하는 여러 가지 문제점을 짚어보았다. 아울러서 3차원 응력-간극수압 연계해석을 수행하고 그 결과를 토대로 라이닝 작용하중 및 유발응력, 막장안정성, 지표침하 등을 고찰하였다. 해석 결과 지하수가 터널굴착에 미치는 영향은 연계해석을 통해서 만이 이해가 가능하며 전응력해석을 수행할 경우 지하수의 영향을 과소 평가할 수 있는 것으로 나타났다. 한편, 본 해석에서 얻어지는 결과를 실무적 측면에서 다각도로 고찰하였다. This paper presents the effect of groundwater on tunnel performance. Fundamental issues in tunneling under high groundwater table together with an illustrative example are discussed. The effect of groundwater on tunnel excavation was examined using a 3D stress-pore pressure coupled finite-element analysis. The results of the 3D coupled analysis were then compared with those of a total stress analysis. Examined items included earth and pore pressures around lining, and lining stresses. Also the examined include face movement and ground surface movements. The results indicated that the effect of groundwater on tunnel excavation can only be captured through a fully coupled analysis. Implementations of the findings from this study are discussed in great detail.

IT 기반의 터널 최적 설계를 위한 시스템 개발

유충식,김선빈,유광호,Yoo, Chung-Sik,Kim, Sun-Bin,Yoo, Kwang-Ho 한국터널지하공간학회 2008 한국터널지하공간학회논문집 Vol.10 No.2

본 논문에서는 IT 기술을 이용한 터널 자동화 설계 시스템 개발에 관한 내용을 다루었다. 먼저 개발 시스템에 대한 개념 및 개발 과정과 시스템을 구성하는 각 요소기술 및 개별 모듈 개발에 관한 내용을 기술하였다. 본 시스템의 요소기술인 ANN-기반의 터널 저동 예측 기술에 대해 그 개념과 ANN 학습과정 및 검증과정을 기술하였다 ANN-기반의 터널거동 예측은 FEM 및 FDM 등 연속체 기반의 해석을 토대로 구축한 DB를 ANN을 통해 일반화 한 후 개발된 엔진을 세부모듈에 접목시켜 별도의 해석 없이 유사 단면 혹은 현장에 적용이 가능하도록 하였다. 본 논문에서는 구체적인 개발과정과 향후 적용방향에 대해 구체적인 내용을 기술하였다. This paper concerns the development of a knowledge-based tunnel design system within the framework of artificial neural networks (ANNs). The system is aimed at expediting a routine tunnel design works such as determination of support patterns and stability analysis of selected support patterns. A number of sub-modules for determination of support patterns and stability assessment were developed and implemented to the system. It is shown that the ANNs trained with the results of 2D and 3D numerical analyses can be generalized with a reasonable accuracy, and that the ANN based tunnel design concept is a robust tool for tunnel design optimization. The details of the system architecture and the ANNs development are discussed in this paper.

쉴드 터널 세그먼트 라이닝의 부재력 산정법 비교연구

유충식,전훈민,Yoo, Chung-Sik,Jeon, Hun-Min 한국터널지하공간학회 2012 한국터널지하공간학회논문집 Vol.14 No.3

본 논문에서는 쉴드 터널 세그먼트 라이닝의 부재력을 산정하는 방법에 대한 비교연구를 다루었다. 현재 쉴드 터널 라이닝의 부재력 산정에는 이론해에 근거한 산정식을 적용하고 있다. 쉴드 터널 시공 시 사용되는 콘크리트 세그먼트는 동일한 강성으로 이루어진 구조물이 아닌 이음부를 가지는 구조물이므로 모든 요소를 고려하여야 하나 현재의 설계 실무에서는 세그먼트라이닝의 구조해석 모델이나 설계하중 및 세그먼트 이음부의 영향 등에 대한 정확한 검증 없이 과거의 국내외의 설계 자료를 관행적으로 적용해왔다. 따라서 본 연구에서는 국내외에서 현재 사용하고 있는 쉴드 터널 세그먼트 해석 및 설계 모델 중 관용계산방법과 Duddeck & Erdmann 모델을 이론식으로 해석을 수행하여 비교 하였고 수치해석에 의한 설계모델 중 보-스프링 모델과 연속체모델의 해석을 수행하여 상호 비교를 통해 세그먼트 라이닝의 설계에 적합한 구조모델을 검토하였다. The segment lining which consists of segments and joints are main component of shield tunnel. There are a number of methods that are being used in design which compute the sectional forces of a ring of segment lining. The traditional design methods which do not consider the effect of joints have been commonly used for design procedure without a specific verification of structural analysis. This paper presents the result of a comparative study for analytical and numerical models of the shield tunnel segment lining. For the traditional methods, the elastic equation method and the Duddeck & Erdmann method were considered. The ring-beam and the continuum analysis model were also considered as the numerical model.

모형실험에 의한 수평보강재로 보강된 터널 막장의 거동 분석

유충식,신현강,Yoo, Chung-sik,Shin, Hyun-Kang 한국터널지하공간학회 2000 터널기술 Vol.2 No.2

This paper presents the results of a parametric study on the behavior of tunnel face reinforced with horizontal pipes. A series of reduced-scale model tests was carried out to in an attempt to verify previously performed three-dimensional numerical modeling and to investigate effects of reinforcement layout on the tunnel face deformation behavior. The results of model tests indicate that the tunnel face deformation can significantly reduced by pre-reinforcing the tunnel face with longitudinal members and thus enhancing the tunnel stability. In addition, the model tests results compare fairly well with those from the previously performed three-dimensional finite element analysis. Therefore, a properly calibrated three dimensional model may effectively be used in the study of tunnel face reinforcing technique. 본 논문에서는 수평보강재로 보강된 터널 막장의 거동에 대한 매개변수 연구를 다루었다. 매개변수 연구에서는 축소모형실험을 수행하였으며 실험 결과를 이용하여 보강막장의 거동을 고찰하였다. 실험결과 터널 막장은 수평보강재로 보강함에 따라 변형이 억제되어 안정성이 증대되는 경향을 보였으며, 이러한 결과는 3차원 유한요소해석 결과와 정성적인 면에서 좋은 일치를 보였다. 따라서 막장 수평보강 공법은 막장의 안정성을 향상시키는 매우 유용한 공법으로 적용될 수 있을 것으로 판단되며, 일반적인 설계법을 개발하기 위해서 3차원 유한요소해석 모델링이 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

숏크라트 라이닝 층간 부착성이 라이닝의 하중지지력에 미치는 영향

유충식,김선빈,배규진,신휴성,Yoo, Chung-Sik,Kim, Sun-Bin,Bae, Gyu-Jin,Shin, Hyu-Soung 한국터널지하공간학회 2006 터널기술 Vol.8 No.1

This paper concerns the effect of lining interface adherence on the lining's load carrying capacity. A series of reduced scale laboratory tests and finite element anlayses were carried out with the aim of gaining insight into the effect of shotcrete lining adherence on the load carrying capacity of double shell lining. The results indicated among other things that the load carrying capacity of a double shell tunnel is significantly affected by the adherence between layers. Also revealed was that for cases with low lining layer adherence stress concentration may occur due to relative movement between the lining layers with this trend being more pronounced with increasing tunnel cover depth. Practical implications from the results of this study are discussed in great detail. 본 논문에서는 숏크리트 라이닝 충간 부착성이 숏크리트 라이닝의 하중지지력에 미치는 영향에 대한 내용을 다루었다. 이를 위해 축소 모형시험과 유한요소해석을 병행하여 더블쉘 터널 시공시 숏크리트 충간 부착성과 숏크리트 라이닝의 하중지지 특성과의 관계를 알아보았다. 연구결과 NATM의 더블쉘 구소와 같이 라이닝 층간 부착이 확보되지 않는 경우에는 이완하중 작용시 응력이 집중되는 경향을 보이는 것으로 나타났으며, 토피고 증가에 따라 그 차이가 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구결과를 종합하여 설계와 시공시 고려하여야 할 주안점을 제시하였다.

2-Arch 터널의 3차원 거동 특성 - 수치해석 연구

유충식,김주미,김희철,Yoo, Chung-Sik,Kim, Joo-Mi,Kim, Hee-Chul 한국터널지하공간학회 2009 한국터널지하공간학회논문집 Vol.11 No.3

본 연구에서는 2-Arch 터널의 3차원 거동 메카니즘에 관한 내용을 다루었다. 이를 위해 도심지 지하철에 적용된 2-Arch 터널을 고려하였으며 3차원 유한요소해석을 수행하여 좌우 터널의 이격거리, 지반조건, 토피고 등에 대한 매개변수연구를 실시하였다. 해석결과 토대로 다양한 조건에 대한 터널 천단침하 및 쇼크리트 응력, 중앙기둥 작용하중 등을 중점으로 분석하였으며, 그 결과를 토대로 좌우 터널 이격거리, 지반조건, 토피고에 따른 2-Arch 터널의 거동 메카니즘을 고찰하였다. 그 결과 숏크리트 라이닝 응력 및 중앙 기둥 작용하중은 후행터널 시공에 큰 영향을 받는 것으로 나타났으며 터널관통지층이 취약할 경우 후행터널이 선행터널의 거동에 영향을 미치는 영향거리가 증가하는 것으로 분석되었다. 본 논문에서는 해석 결과를 토대로 2-Arch 터널의 시공중 변위 및 숏크리트 라이닝 응력 변화 경향에 대한 구체적인 내용을 기술하였다. This paper concerns the behavior of 2-Arch tunnel constructed under various conditions. A 2-Arch tunnel section adopted in a subway tunnel construction site is considered in this study. A calibrated 3D finite element model was adopted to conduct parametric studies on a variety of construction scenarios including lagged distance between left and right tunnels, overburden, and geological condition. The results of analyses were examined in terms of crown settlement, shotcrete lining stress, and load on center column in relation to the lagged distance, cover depth, and the ground condition. The results indicate that the shotcrete lining stress and the center pillar load are more influenced by the second tunnel excavation than the tunnel deformation. Also shown is that a greater lagged distance is required to minimize the interaction between two tunnels when the ground condition becomes weaker. Fundamental mechanisms of 2-arch tunnel were also discussed based on the results.

터널 굴착시 지하수 저하로 인한 지반침하에 관한 연구

유충식,김선빈,Yoo, Chung-Sik,Kim, Sun-Bin 한국터널지하공간학회 2007 한국터널지하공간학회논문집 Vol.9 No.4

본 논문에서는 터널시공시 지하수 저하를 동반하는 시공조건에서 발생하는 지표침하 특성에 관한 연구내용을 다루었다. 이를 위해 먼저 지하수 저하로 인한 지반침하 문제에 대한 국내외 기존 연구내용을 살펴보았으며, 지하수 유동시 응력-간극수압 상호작용이 고려된 유한요소해석 모델을 구축하고 이론적 검증을 통해 유한요소해석 모델의 타당성을 검토하였다. 구축된 유한요소해석 모델을 토대로 다양한 시공조건에 대한 매개변수 연구를 수행하고 그 결과를 토대로 지하수 유동시 지반침하에 영향을 미치는 주요 인자를 검토하였으며, 아울러 터널시공이 지하수 저하를 동반하는 시공조건에서의 지표침하 특성을 기존의 이론과 연계하여 고찰하였다. This paper presents the results of investigation on tunnelling-induced ground surface settlement characteristics in water bearing ground using finite element (FE) stress-pore pressure coupled analysis. Fundamental interaction mechanism of ground and groundwater lowering was first examined and a number of influencing factors on the results of the coupled FE analysis were identified. A parametric study was then conducted on the influencing factors such as rock type, thickness of soil layer, permeability of shotcrete lining, among others. The results indicate that the tunneling-induced groundwater drawdown results in a deeper and wider settlement trough than without groundwater drawdown, and that the Error function approach does not yield satisfactory result in predicting a settlement profile. The results of analysis are summarized so that the relationship between the settlement and the influencing factors can be identified.