실대형 실험을 통한 싱글쉘 터널 라이닝 파괴 메커니즘 연구

신휴성,임종진,장수호 한국암반공학회 2006 한국암반공학회 학술대회 및 세미나 자료집 Vol.- No.-

터널분야 수치모델링수행 현황파악을 위한 설문조사 - 터널정보기술위원회 사업성과 보고 -

신휴성,박인준,유충식,Sin, Hyu-Seong,Park, In-Jun,Yu, Chung-Sik 한국터널지하공간학회 2006 한국터널지하공간학회논문집 Vol.8 No.2

막장관찰 및 설계/시공자료가 연계 고려된 터널막장 붕괴 위험도의 정량적 산정: 가변형 가중치 중심으로

신휴성,이승수,김광염,배규진,Shin, Hyu-Soung,Lee, Seung-Soo,Kim, Kwang-Yeom,Bae, Gyu-Jin 한국터널지하공간학회 2013 한국터널지하공간학회논문집 Vol.15 No.5

기존 연구를 통하여 주어진 지반조건과 대응한 시공 상황에 대해 터널 굴진에 따른 매 막장의 붕괴 위험도를 정량적으로 지수화 할 수 있는 수단이 개발된 바 있다(Shin et al, 2009a). 본 논문에서는 기 제안된 터널 붕괴 위험도 지수(KTH-index)를 산정하는데 있어서 각 영향인자에 부여되는 가중치가 고정된 '선형' 모델과 주어진 영향인자의 입력값에 따라 가중치가 변화하는 '비선형' 모델을 소개하고, 100여개의 붕괴현장자료를 이용해 '비선형' 모델의 타당성을 검토하였다. 이를 통해 신개념의 '비선형' 가중치 모델은 위험도를 평가코자 하는 터널현장의 특성을 감안하여 가중치가 합리적으로 조정되어 위험도 평가를 수행할 수 있음을 보였다. 또한, 기 개발된 터널 시공 위험도 관리 시스템의 이해와 효과적인 활용을 돕기 위해 일련의 터널 시공 위험도 평가 체계를 수립하여 제시하였다. 본 시스템은 수립된 평가체계에 따라 개발 취약한 지반조건상에 있는 실제 도로터널 현장의 전 구간에 적용되어 그 현장 적용성을 검토하였다. 이를 통해 터널 막장의 지반조건과 함께 터널 붕괴 가능성에 영향을 미칠 설계 및 시공현황 정보와도 잘 연계 고려되어 붕괴 위험도가 평가됨을 보였으며, 산정된 위험도 지수 변화추이는 기존 전기 비저항 분포 특성과 설계자료 및 지보/보강 현황 등 현장 시공조건들의 변화추이와 잘 부합됨을 보였다. 또한, 본 시스템은 실시간으로 수집되는 막장관찰자료의 활용도를 극대화 시키고, 사전에 위험수준과 민감한 영향인자를 파악하여 적절한 현장대응을 유도할 수 있음을 보였다. Previously, a new concept of indexing methodology has been proposed for quantitative assessment of tunnel collapse hazard level at each tunnel face with respect to the given geological data, design condition and the corresponding construction activity (Shin et al, 2009a). In this paper, 'linear' model, in which weights of influence factors are invariable, and 'non-linear' model, in which weights of influence factors are variable, are taken into account with some examples. Then, the 'non-linear' model is validated by using 100 tunnel collapse cases. It appears that 'non-linear' model allows us to have adapted weight values of influence factors to characteristics of given tunnel site. In order to make a better understanding and help for an effective use of the system, a series of operating processes of the system are built up. Then, by following the processes, the system is applied to a real-life tunnel project in very weak and varying ground conditions. Through this approach, it would be quite apparent that the tunnel collapse hazard indices are determined by well interlinked consideration of face mapping data as well as design/construction data. The calculated indices seem to be in good agreement with available electric resistivity distribution and design/construction status. In addition, This approach could enhance effective usage of face mapping data and lead timely and well corresponding field reactions to situation of weak tunnel faces.

터널 숏크리트 라이닝의 장기 화학적 열화 손상 평가를 위한 수치 모델링 기법 개발

신휴성,김동규,Shin, Hyu-Soung,Kim, Dong-Gyou 한국터널지하공간학회 2007 한국터널지하공간학회논문집 Vol.9 No.3

본 논문에서는 터널 숏크리트 라이닝의 장기 화학적 열화에 의한 물리적 손상을 수치적으로 모델링하기 위한 새로운 개념의 해석기법이 제안되었다. 이러한 물리적 손상은 내부균열 발생, 재료 강성과 강도의 저하에 의해 주로 유발되며, 이들은 장기 화학적 열화반응에 의한 체적팽창 및 시멘트질의 침식에 의해 발생된다. 결과적으로, 이러한 숏크리트 라이닝의 손상 메카니즘은 터널내에서 발생할 수 있는 다양한 종류의 열화반응들에서 유사하게 나타난다. 따라서, 본 연구에서는 일련의 화학적 열화 반응에 기인한 물리적 손상 메카니즘을 일반화 하였으며, 열역학에 기반한 수치모델을 수학적으로 유도 하였다. 유도된 수치모델은 3차원 유한요소 프로그램으로 코드화되었으며, 외력과 장기 화학적 열화를 겪고 있는 터널 구조물의 시간의존성 거동 시뮬레이션에 적용된다. 개발된 코드는 몇 개의 예제 수행을 통해 터널설계상에서의 적용성을 검토하였으며, 동일한 열화조건하에서도 주변 지반응력상태에 따라 물리적 손상 속도와 정도가 크게 달라짐을 보였다. In this study, a new concept for simulating a physical damage of tunnel shotcrete lining due to a long-term chemical deterioration has been proposed. It is known that the damage takes place mainly by internal cracks, reduction of stiffness and strength, which results mainly from volume expansion of the lining and corrosion of cement materials, respectively. This damage mechanism of shotcrete lining appears similar in most kinds of chemical reactions in tunnels. Therefore, the mechanical deterioration mechanism induced by a series of chemical reactions was generalized in this study and mathematically formulated in the framework of thermodynamics. The numerical model was implemented to a 3D finite element code, which can be used to simulate behaviour of tunnel structures undergoing external loads as well as chemical deterioration in time. A number of illustrative examples were given to show a feasibility of the model in tunnel designs.

미시추 구간의 정량적 지반 등급 분류를 위한 윈도우-쉬프팅 인공 신경망 학습 기법의 개발

신휴성,권영철,Shin, Hyu-Soung,Kwon, Young-Cheul 한국터널지하공간학회 2009 한국터널지하공간학회논문집 Vol.11 No.2

본 연구에서는 터널 설계구간의 대부분을 차지하는 미시추 구간의 지반 등급 분류를 정량적으로 수행할 수 있는 새로운 접근방법을 제안한다. 본 제안방법은 시추공에서 얻은 직접조사 결과와 시추구간의 전기 비저항 탐사결과를 이용해 인공 신경망을 학습시카고, 학습된 인공 신경망은 미시추 구간의 암반분류 등급을 추론하는데 적용된다. 지반등급 추론은 미시추 구간 영역에서 움직이는 격자형 창(window)의 중심점에서 이루어 지며 창내 귀속된 전기 비저항들은 추론을 위한 참고자료로 시용된다. 인공 신경망 학습은 최선 RPROP(Resilient backpropagation) 인공 신경망 학습 알고리즘과 early-stopping 기법을 이용하여 수행되었다. 본 연구에서는 실제 시추조사가 이루어진 터널현장에 제안기법을 적용하여 미시추 구간의 지반 등급을 추론하였으며, 전통적인 지구통계학적 크리깅(kriging) 기법에 의한 결과와도 상호 비교하였다. 결과적으로 본 연구를 통해 학습된 인공 신경망은 전통 크리깅 방법에 비해 매우 구체적이고 현실적인 예측결과를 제공하였다 또한, 인공 신경망 추론으로부터 얻어진 터널 종단 방향의 RMR과 Q-값의 분포에서는 전기 비저항 탐사로부터 추정된 취약지반 구간의 위치와 잘 일치하였으며, 두 값 상호간의 관계도 선행 연구 결과와 부합하였다. This study proposes a new methodology for quantitative rock classification in unsampled rock zone, which occupies the most of tunnel design area. This methodology is to train an ANN (artificial neural network) by using results from a drilling investigation combined with electric resistivity survey in sampled zone, and then apply the trained ANN to making a prediction of grade of rock classification in unsampled zone. The prediction is made at the center point of a shifting window by using a number of electric resistivity values within the window as input reference information. The ANN training in this study was carried out by the RPROP (Resilient backpropagation) training algorithm and Early-Stopping method for achieving a generalized training. The proposed methodology is then applied to generate a rock grade distribution on a real tunnel site where drilling investigation and resistivity survey were undertaken. The result from the ANN based prediction is compared with one from a conventional kriging method. In the comparison, the proposed ANN method shows a better agreement with the electric resistivity distribution obtained by field survey. And it is also seen that the proposed method produces a more realistic and more understandable rock grade distribution.

싱글쉘 터널 라이닝의 파괴 메카니즘 및 지보성능에 관한 연구

신휴성,김동규,장수호,배규진,Shin, Hyu-Soung,Kim, Dong-Gyou,Chang, Soo-Ho,Bae, Gyu-jin 한국터널지하공간학회 2006 한국터널지하공간학회논문집 Vol.8 No.3

본 연구에서는 숏크리트 라이닝과 2차 콘크리트 라이닝 사이에 방수막으로 분리된 기존 이중구조의 터널 라이닝과 터널 라이닝 단면상에 전단력 전달을 저해하는 장치를 포함하지 않은 일체화 싱글쉘 구조의 터널 라이닝의 파괴양상 및 하중 지지성능에 관해 고찰한다. 하중지지력 평가를 위하여 우선적으로 수치해석적인 사전 평가가 실시되었으며, 새롭게 고안된 실대형 터널 라이닝 하중재하 실험이 실시되었다. 이때, 이완하중이나 암괴하중을 모사하기 위해 터널 천단부 집중하중이 고려되었다. 본 연구를 통하여, 동일한 터널라이닝 강도 관리기준에서 이중구조 라이닝보다 싱글쉘 라이닝 구조가 약 20%정도 높은 지지력을 보였으며, 다중 숏크리트 타설 단계마다 고성능 첨가재료 투입량의 조절로 복합재료 싱글쉘 라이닝 구조를 형성함으로써 보다 적은 고성능화 첨가재료 투입량으로 유사한 지지성능을 확보할 수 있는 가능성을 보였다. This study investigates the failure mechanism and load-carrying capacity of a single-shell lining which has no disturbance in transfer of shear force, with respect to a conventional double-shell lining which has separation between layers of shotcrete lining and secondary concrete lining by water-proof membrane. In order to evaluate the capacity, a 2-D numerical investigation is preliminarily carried out and then real-scale loading tests with tunnel lining section specimens are performed on the condition given by the numerical investigation. In the test, a concentrated load is applied for considering a released ground load or rock wedge load. Through this study, it appears that the single-shell lining takes the load-bearing capacity 20% higher than in case of the double-shell lining. In addition, a possibility of a composite single-shell shotcrete layer composed by multiple bonded layers partly involving different contents of high-capacity additives is shown thereby leading to use of less amount of the high-capacity additives on the condition of taking a similar load-bearing capacity.

인공신경망 기반 유한요소 해석 기법

신휴성 한국전산구조공학회 2003 전산구조공학 Vol.16 No.3

암반구조물 해석을 위한 인공신경망 유한요소 해석 기법의 개발

신휴성 한국자원공학회 2003 한국자원공학회지 Vol.40 No.1

This paper describes a new concept of finite element analysis, which is based on neural network based material models(NNCMs) without invoking any pre-chosen mathematical framework. NNCMs have several advantages over conventional constitutive models(CCMs) and once plugged in a finite element(FE) engine, can be used for FE analysis in a manner similar to CCMs. The paper demonstrates a FE framework in which NNCMs are incorporated and also proposes a strategy for data enhancement by invoking the assumption of isotropy of the material. It is shown through some illustrative examples that this provides a better training environment for a generalized NNCM in which stress and strain components are used as effects and causes. From this study, it appears that there is a prima facia case for developing NNCMs for materials for which mathematical theories become too complex and a large number of material parameters and constants have to be identified or determined. 본 논문에서는 인공신경망에 기초한 매질모델을 이용하여 새로운 개념의 유한요소 해석기법을 연구하였다. 인공신경망에 기초한 매질모델은 기존의 수학적 매질모델의 경우에서와 같이 유한요소해석에 적용될 수 있지만, 해석 시 입력물성치의 준비가 필요하지 않는 점, 추가자료들이 확보됨에 따라 코드의 변경 없이 추가학습이 수행되어 보다 향상된 구조해석을 수행할 수 있다는 점 등에서 기존 매질모델의 개념보다 많은 이점을 가지고 있다. 본 연구에서는 우선적으로 인공신경망 매질모델이 적용되어 수행되는 유한요소 해석과정에 대해 고찰해 보고 주어진 실험자료들을 확장시켜 인공신경망을 보다 나은 환경에서 학습시킬 수 있는 방안이 제안된다. 학습된 신경망의 매질거동 추론능력은 실험결과와 비교하여 검증하였고, 유한요소해석에 적용되어 가정된 구조물의 해석에 사용되었다. 또한 인공신경망에 기초한 구조해석 결과는 기존의 수학적 매질모델로부터의 결과들과 비교되었다. 제안된 인공신경망에 기초한 유한요소 해석기법은 매질의 역학적 거동특성이 매우 난해하고 복잡하여 수학적으로 일반화된 매질모델을 유도하기 어려운 경우, 선정된 모델이 요구하는 매질상수들의 수가 많고 값 산정을 위해 큰 비용이 요구될 경우 등에서 보다 큰 이점을 가져올 수 있을 것이다.

X-ray CT 기술의 지반공학적 활용

신휴성,김광염,권영철,허성준,Sin, Hyu-Seong,Kim, Gwang-Yeom,Gwon, Yeong-Cheol,Heo, Seong-Jun 한국지반공학회 2010 지반 : 한국지반공학회지 Vol.26 No.9

터널 붕괴 사례에 기반한 터널 시공 위험도 관리 시스템의 개발

신휴성,배규진,권영철,김영윤,김영근 한국암반공학회 2009 한국암반공학회 학술대회 및 세미나 자료집 Vol.2009 No.-