침투를 고려한 원형수직터널 거동특성 연구

김도훈,이강현,이인모,Kim, Do-Hoon,Lee, Kang-Hyun,Lee, In-Mo 한국터널지하공간학회 2011 한국터널지하공간학회논문집 Vol.13 No.6

원형수직터널의 시공시 지하수가 존재하는 경우 굴착에 의해 지하수의 흐름이 발생되어 추가적인 힘이 작용하게 된다. 원형수직터널의 지하수의 흐름은 일반적인 수평터널과 달리 깊이방향으로 다르게 작용되며, 수직터널의 벽체에 경사방향으로 작용하게 된다. 본 연구에서는 원형수직터널에 작용하는 침투력의 영향을 파악하기 위해 깊이에 따라 변하는 경사방향의 흐름성분을 수직과 수평방향으로 나누어 각각을 이론식에 적용하였다. 지하수가 영향을 미치는 범위는 토압을 야기하는 이완영역과 같은 것으로 가정하여 이론식을 유도하였다. 침투력에 의해 발생되는 추가적인 힘으로 인하여 원형수직터널의 이완영역에 작용되는 응력이 달라짐에 따라 침투력을 고려한 토압계수 산정식과 원형수직터널 벽체에 작용하는 응력 산정식을 본 연구를 통해 제안하였다. 가상지반을 설정하고 제안식을 적용한 결과, 침투를 고려하지 않은 건조한 지반에 비하여 수직방향응력은 약 1.4배, 토압은 2.5배 증가하는 결과를 보였다. 침투해석을 통하여 "유효응력+침투력"으로 구한 값과 제안식을 이용하여 산정한 값은 유사한 경향을 보여 제안식은 침투력을 적절히 고려하여 토압을 예측하는 것으로 나타났다. When a circular vertical shaft is constructed below the groundwater level, additional forces caused by groundwater flow besides horizontal effective stresses will act on the wall. The inward direction of the groundwater flow will be inclined to the vertical wall and its direction will change depending on the wall depth. In this paper, to figure out the effect of seepage forces acting on the circular vertical shaft, the slope of the inclined flow varying with the depth is divided into vertical and horizontal components to derive the coefficient of earth pressure considering the seepage pressure and to obtain the vertical stress by taking the seepage pressure into account. The control volume in this study is assumed to be the same with that of the dry ground condition within which the earth pressure is acting on the wall by the creation of the plastic zone during shaft excavation. An example study shows that the vertical stress increases by about 1.4 times and the horizontal earth pressure increases up to 2.5 times compared to the dry ground condition. The estimated values from the proposed equation considering seepage forces and the calculated values from numerical analysis with "effective stress plus seepage force" show similar values, which verifies appropriateness of the proposed equation to estimate the earth pressure under the seepage condition.

장대교통터널 화재시 수직갱의 배연효과에 관한 실험적 연구

유용호,윤찬훈,윤성욱,김진 사단법인 한국터널지하공간학회 2005 한국터널지하공간학회논문집 Vol.7 No.1

The objective of this study was to analyze the smoke movement and to investigate the effect of exhaust ventilation using by shafts for case of fire in long tunnels. Based on Froude modeling, the 1/50 scaled model tunnel (20 m long) was constructed by acrylic tubes and test were carried out systematically. The results of the shaft height test show that the effect on exhaust ventilation by a shaft delays the propagation time of backlayering, and the temperature decreases as the shaft height increases. If the fire occurs downstream of the shaft, the backlayering develops to get stronger by the shaft exhaust effect and then the propagation of CO and temperature increase along with propagation of CO. That is to say, in the case of fire downstream of the shaft, the shaft has the advantage of smoke exhaust effects, but it might result in a dangerous situation for the escaping passengers due to the more developed backlayering. 본 연구에서는 장대 터널 화재시 연기의 거동 특성 파악과 수직갱에 의한 배연 능력을 검토하기 위하여 축소 모형실험을 실시하였다. Froude 상사를 기본으로 수직갱을 포함하는 터널을 1/50로 축소하여 20m의 모형 터널을 제작하였다.화재시 발생되는 연기의 배연실험을 수갱의 높이를 변화시키며 한 결과, 수직갱에 의한 배연은 화재 후방으로의 역기류 전달 시간을 지체시키는 효과를 보였으며, 수직갱의 높이가 증가할수록 온도도 감소하였고, 중앙 높이에서의 온도차이는 수직갱이 없을 경우보다 다소 감소하기는 하나 그 영향은 미비하였다. 수직갱을 지난 지점에서 화재가 발생하였을 경우 수직갱의 높이가 증가하면 수직갱으로의 배연에 의한 역기류 활성화로 CO농도의 전파속도가 증가되며, 단면의 온도도 증가한다. 즉, 수직갱을 지난 지점에서 화재가 발생할 경우 수직갱은 화재 발생으로 인한 연기의 배연에는 유리하나, 오히려 역기류를 증가시켜 화재 초기 승객들의 안전한 대피에는 불리한 상황을 초래한다.

장대 교통터널 화재시 수직갱의 배연효과에 관한 실험적 연구

유용호,윤찬훈,윤성욱,김진,Yoo, Yong-ho,Yoon, Chan-hoon,Yoon, Sung-wook,Kim, Jin 한국터널지하공간학회 2005 터널기술 Vol.7 No.1

본 연구에서는 장대 터널 화재시 연기의 거동 특성 파악과 수직갱에 의한 배연 능력을 검토하기 위하여 축소 모형실험을 실시하였다. Froude 상사를 기본으로 수직갱을 포함하는 터널을 1/50로 축소하여 20m의 모형 터널을 제작하였다. 화재시 발생되는 연기의 배연실험을 수갱의 높이를 변화시키며 한 결과, 수직갱에 의한 배연은 화재 후방으로의 역기류 전달 시간을 지체시키는 효과를 보였으며, 수직갱의 높이가 증가할수록 온도도 감소하였고, 중앙 높이에서의 온도차이는 수직갱이 없을 경우보다 다소 감소하기는 하나 그 영향은 미비하였다. 수직갱을 지난 지점에서 화재가 발생하였을 경우 수직갱의 높이가 증가하면 수직갱으로의 배연에 의한 역기류 활성화로 CO농도의 전파속도가 증가되며, 단면의 온도도 증가한다. 즉, 수직갱을 지난 지점에서 화재가 발생할 경우 수직갱은 화재 발생으로 인한 연기의 배연에는 유리하나, 오히려 역기류를 증가시켜 화재 초기 승객들의 안전한 대피에는 불리한 상황을 초래한다. The objective of this study was to analyze the smoke movement and to investigate the effect of exhaust ventilation using by shafts for case of fire in long tunnels. Based on Froude modeling, the 1/50 scaled model tunnel (20 m long) was constructed by acrylic tubes and test were carried out systematically. The results of the shaft height test show that the effect on exhaust ventilation by a shaft delays the propagation time of backlayering, and the temperature decreases as the shaft height increases. If the fire occurs downstream of the shaft, the backlayering develops to get stronger by the shaft exhaust effect and then the propagation of CO and temperature increase along with propagation of CO. That is to say, in the case of fire downstream of the shaft, the shaft has the advantage of smoke exhaust effects, but it might result in a dangerous situation for the escaping passengers due to the more developed backlayering.

고속열차의 터널 진입시 수직갱의 압력저감효과에 대한 수치해석 연구

김효근,서상연,하희상,권혁빈,Kim, Hyo-Geun,Seo, Sang-Yeon,Ha, Hee-Sang,Kwon, Hyeok-Bin 한국터널지하공간학회 2013 한국터널지하공간학회논문집 Vol.15 No.6

고속철도는 대규모의 인원과 물자를 신속하게 운반할 수 있는 친환경 운송수단으로 각광받고 있다. 고속철도는 빠른 속도로 인해 선형이 제한되어 건설되므로 산이 많은 지형에서는 터널이 많아진다. 고속으로 주행중인 열차가 터널에 진입하는 경우에 터널내부에서 압력파가 발생하는데 이로 인해 이명감과 미기압파라는 문제가 발생한다. 터널 내의 압력파를 완화시키기 위한 다양한 방법 중 수직갱을 이용한 방법도 연구되고 있는데 이 연구에서는 TTMA라는 고속철도 터널 공기역학 해석프로그램을 이용하여 수직갱에 의한 수치해석모듈을 개발하였다. 이를 검증하기 위해 실측결과와 비교하여 그 성능을 검증하였으며 기존의 수치해석결과와 비교하여 그 우수성을 검증하였다. High speed railway can transport large quantity of people and commodities in a short time and has become one of the most desirable and environmentally friendly transportation. However, it is hard to have a complicated route for high speed railways, construction of tunnels is essential to pass through a mountain area. When a high speed train enters a tunnel, pressure wave is created in a tunnel and the wave causes micro pressure wave and discomfort to passengers. In order to alleviate pressure wave in a tunnel, constructing a vertical shaft is one of the most efficient ways. This study represents a numerical analysis module, which takes into account the effect of a vertical shaft in a tunnel. The module can be used in a numerical program (TTMA) specialized for aerodynamics in a tunnel, and it was validated by comparing numerical results with various measurements in Emmequerung tunnel and results from numerical analysis using Fluent.

3차원 수치해석을 이용한 지진 시 수직구-터널 접속부 동적 거동 분석

김정태,조계춘,강석준,김기중,홍은수,Kim, Jung-Tae,Cho, Gye-Chun,Kang, Seok-Jun,Kim, Ki Jung,Hong, Eun-Soo 한국터널지하공간학회 2018 한국터널지하공간학회논문집 Vol.20 No.5

3D time history analysis was performed on vertical shaft-tunnel connection to provide insight into the dynamic stress-strain behavior of the connection considering the effects of soil layers, periodic characteristics and wave direction of earthquakes. MIDAS GTS NX based on FEM (Finite Element Method) was used for this study. From this study, it is revealed that the maximum displacement occurred at the upper part of the connection when the long period seismic waves propagate through the tunnel direction in soft ground. Also, stress concentration occurs due to different behaviors of vertical shaft and tunnel, and the stress concentration could be influence for safety on the connection. The results of this study could be useful for the seismic performance design of vertical shaft-tunnel connection. 수직구와 수평 터널 주위 지층 변화, 지진파 방향성이 접속부의 동적 거동 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 유한 요소 기반의 MIDAS GTS NX 프로그램을 이용한 3차원 시간이력 해석을 통해 검토하였다. 연구결과 연약지반에서 장주기의 지진파가 수평 터널 방향으로 발생하였을 때 접속부 상부에서 최대 변위가 발생하는 것으로 나타났다. 또한 수직구와 수평 터널의 서로 다른 거동 및 지층 경계면의 영향으로 인해 응력집중 현상이 발생하여 문제가 될 수 있음을 확인 할 수 있었다. 연구 결과는 수직구와 수평 터널의 접속부 구조물 내진설계를 위한 기초자료로 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.

수저터널의 방재설계 및 시공에 대한 연구

고동춘(DongChoon Go),김준모(JoonMo Kim),황일선(EylSeon Hwang) 한국철도학회 2013 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2013 No.11

본 연구는 수저터널의 설계 및 시공방법에 관한 것으로, 차량이 통행하는 중공부 단면을 갖는 터널튜브가 수중에서 누수가 발생되거나 파손 및 기타 사고에 의하여 물이 유입되는 경우, 또는 터널튜브내부에서 발생되는 오폐수 등에 대하여 이를 집수, 배수하는 시설에 관한 것이다. 구체적으로 설명하면, 물밑에 설치된 연속하는 터널구조물을 지지 및 계류하는 자켓, 폰툰 등과 같은 구조물과 일체로 집수탱크(Tank)를 설치하는 단계, 수저터널로 유입된 물과 터널운행 중 발생된 오폐수를 분리집수하는 단계, 상기 집수탱크를 수저터널의 튜브보다 낮은 위치에 설치하도록 하여 중력으로 물과 오폐수를 분리집수 하는 단계, 상기 집수된 물을 수표면 위로 배출하는 단계 및 수면 위 데크(Deck) 구조물에 설치된 오폐수정화시설을 통하여 정화된 물을 배출하는 단계, 재난발생 시 여객의 피난 및 구조를 할 수 있는 단계를 모두 포함하는 경제적이고 현실적인 설계 및 시공방법을 소개하였다. This paper addresses design and construction method for underwater vehicle passage tunnel which facilitates storage, treatment and discharge of permeated and/or inundated water when the hollow sectioned tunnel tube leaks. The same also applies to serviced and/or polluted water which is resulted from operation and/or maintenance activities of underwater tunnel. Specifically, it deals with; furnishing storage tank in the continuous tunnel tube which is connected with supporting structure such as jacket, pontoon, etc; separately gathering the permeated and/or inundated water against the serviced and/or polluted water; allowing by virtue of gravity the separately gathered water to flow into designated tank; transmitting the separately gathered water onto the water treatment facilities furnished in the deck structure; discharging treated water; furnishing escape routes for refugee in case of emergency. It also focuses on the cost-effective offshore installation method for the above mentioned structures which are constructed onshore.

c-$\phi$ 지반에서의 아칭현상을 고려한 원형수직터널 토압 : II. 실내 모형실험

김도훈,차민혁,이대수,김경렬,이인모,Kim, Do-Hoon,Cha, Min-Hyuck,Lee, Dea-Su,Kim, Kyung-Ryeol,Lee, In-Mo 한국터널지하공간학회 2010 한국터널지하공간학회논문집 Vol.12 No.2

원형수직터널에 작용하는 토압은 아칭효과로 인해 2차원 일반 흙막이벽에 작용하는 토압보다 작으므로 원형수직터널 설계 시 벽체에 작용하는 실질적인 토압의 예측이 필요하다. 본 논문은 두 개의 연속된 논문(Companion papers)의 두번째로서 원형수직터널 설계 시 건조한 사질토뿐만 아니라 c-$\phi$ 지반과 다층지반에서 적용 가능하도록 새롭게 제안된 토압식(김도훈 등, 2009)을 증명하기 위해 대형 모형실험을 수행하였다. 고안된 모형실험 장비는 단계별 굴착이 가능하도록 제작 벽체의 반경을 변화시켜가며 실험을 수행하였다. 또한 강사 방법으로 지반을 조성하기 전 건조한 시료에 물을 첨가하고 불포화사질토를 형성시켜 겉보기 점착력을 발현시킴으로써 c-$\phi$ 지반과 다층지반에서 실험을 진행하였다. 실험 결과로서, 단계별 굴착을 모사하였을 때, 아칭효과에 의해 굴착된 지반에서 굴착되지 않은 지반으로 하중이 전이가 일어나는 확인할 수 있었다. 또한, 동시에 굴착했을 때의 토압은 예측한 값에 비해 상당히 작게 나타났지만, 단계별로 굴착했을 때의 최종 토압은 동시 굴착 시의 토압에 비해 크게 나타나며 새롭게 제안된 토압식과 잘 일치하였고 c-$\phi$ 지반과 다층지반에서 수행한 실험의 결과도 겉보기 점착력의 효과로 인해 토압의 감소를 보이며 이론적인 값과 잘 일치하는 것으로 나타났다. The earth pressure acting on the vertical shaft is less than that acting on the retaining wall due to three dimensional arching effect. Thus, it might be essential to estimate the earth pressure actually acting on the shaft when designing the vertical shaft. In this paper, large-sized model tests were conducted as Part II of companion papers to verify the newly suggested earth pressure equation proposed by Kim et al. (2009: Part I of companion papers) that can be used when designing the vertical shaft in cohesionless soils as well as in c-$\phi$ soils and multi-layered soils. The newly developed model test apparatus was designed to be able to simulate staged shaft excavation. Model tests were performed by varying the radius of vertical shaft in dry soil. Moreover, tests on c-$\phi$ soils and on multi-layered soils were also performed; in order to induce apparent cohesion to the cohesionless soil, we add some water to the dry soil to make the soil partially-saturated before depositing by raining method. Experimental results showed a load transfer from excavated ground to non-excavated zone below dredging level due to arching effect when simulating staged excavation. It was also found that measured earth pressure was far smaller than estimated if excavation is done at once; the final earth pressure measured after performing staged excavation was larger and matched with that estimated from the newly proposed equation. Measured results in c-$\phi$ soils and in multi-layered soils showed reduction in earth pressures due to apparent cohesion effect and showed good matches with analytical results.

실내모형시험을 통한 사질토 지반에서 군말뚝과 터널의 수직 이격거리에 따른 하중분포 및 지반거동 분석

오동욱,이용주,Oh, Dong-Wook,Lee, Yong-Joo 한국터널지하공간학회 2017 한국터널지하공간학회논문집 Vol.19 No.3

도심지에서의 터널굴착은 상부구조물과의 상호거동에 대한 이해가 필수적이다. 도심지에 사용중인 대부분의 구조물은 말뚝기초로 상부의 하중을 지지하고 있어, 터널 굴착 시 반드시 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 실내모형시험을 통해 기존의 군말뚝 기초 하부 터널굴착에 따른 축력 분포와 지반의 거동을 분석하였다. 말뚝 기초는 2, 3 열 말뚝으로 가정되었으며, 말뚝 선단부와 터널 천단부의 이격거리는 터널직경에 대한 일반화를 위해 터널 직경(D) 대비 0.5D, 1.0D 그리고 1.5D로 고려되었다. 지반은 약 30%의 상대밀도(Dr)를 가지는 느슨한 사질토로 형성되었으며, 말뚝의 축력 분포를 측정하기 위해 말뚝에 변형률게이지(strain gauge)를 부착하였다. 또한, 이격거리에 따른 군말뚝의 침하와 인접지반의 침하를 변위센서(linear variable differential transformer; LVDT)와 다이얼게이지(dial gauge)를 통해 측정였으며, 터널굴착에 따른 지중의 변형을 근거리사진계측기법(close range photogrammetric technique)을 통해 측정하였다. 수치 해석을 통해 실내모형시험 및 근거리사진계측 결과와 비교 분석하였다. 본 연구에서는 체적손실율(volume loss; $V_L$) 개념을 이용하여 터널굴착을 모사하였으며, 1.5%로 적용되었다. 연구결과, 이격거리가 멀어질수록 말뚝의 축력감소는 작게 나타났으며, 침하량은 모두 유사한 경향을 나타내었다. 특히, 말뚝 선단부와 터널 천단부의 이격거리가 0.5D에서 1.0D로 증가할 때 축력과 침하량의 가장 큰 감소율이 가장 큰 것으로 나타났다. Tunnelling in urban areas, it is essential to understand existing structure-tunnel interactive behavior. Serviced structures in the city are supported by pile foundation, since they are certainly effected due to tunnelling. In this research, thus, pile load distribution and ground behavior due to tunnelling below grouped pile were investigated using laboratory model test. Grouped pile foundations were considered as 2, 3 row pile and offsets (between pile tip and tunnel crown: 0.5D, 1.0D and 1.5D for generalization to tunnel diameter, D means tunnel diameter). Soil in the tank for laboratory model test was formed by loose sand (relative density: Dr = 30%) and strain gauges were attached to the pile inner shaft to estimate distribution of axial force. Also, settlements of grouped pile and adjacent ground surface depending on the offsets were measured by LVDT and dial gauge, respectively. Tunnelling-induced deformation of underground was measured by close range photogrammetric technique. Numerical analysis was conducted to analyze and compare with results from laboratory model test and close range photogrammetry. For expression of tunnel excavation, the concept of volume loss was applied in this study, it was 1.5%. As a result from this study, far offset, the smaller reduction of pile axial load and was appeared trend of settlement was similar among them. Particulary, ratio of pile load and settlement reduction were larger when the offset is from 0.5D to 1.0D than from 1.0D to 1.5D.

조합환기 방식 터널의 환기기 운전 단계에 관한 연구

유지오,신현준,이동호,이용화,Yoo, Ji-Oh,Shin, Hyun-Jun,Lee, Dong-Ho,Lee, Young-hwa 한국터널지하공간학회 2002 터널기술 Vol.4 No.4

최근들어 장대터널이 증가하여 환기시스템의 환기기 용량이 증대하게 되면서 환기방식이 다양화 되어 환기기 운전동력등 터널준공 후 유지관리의 중요성이 부각되게 되었다. 따라서 환기기 운전단계나 환기기 운전모드에 대한 연구의 필요성이 증대하여 본 연구에서는 기 개발된 일교통량의 변화 및 환기기 가동상태에 따라 비정상상태로 터널 환기를 해석할 수 있는 동적 시뮬레이션 프로그램에 의해서 집진기 방식과 수직갱방식에 대한 운전동력을 평가하여 최적운전 모드를 제안하였다. In the past many tunnels have been built to lowest capital investment cost without adequate regard for the cost of operation. But according to increasing the capacity of a ventilation system and to becoming diverse, it is to become more important to come up with the optimal operation stage of ventilation system. In this study, the tunnel ventilation dynamic simulation program had been developed. it is used to calculate the unsteady-state tunnel air velocity and concentration of pollutants according to the assumed average day traffic profile and summarize the energy consumption for the operation of ventilation system. And the operation energy consumption for the electric precipitation system and vertical vent shaft system are evaluated and compared in various operation mode. As the results of this study, the optimal operation stage for these ventilation system are provided.

지진 시 공동구용 수직구-터널 접속부 거동에 대한 경계면 강성 계수의 영향

김정태,홍은수,강석준,조계춘 사단법인 한국터널지하공간학회 2019 한국터널지하공간학회논문집 Vol.21 No.6

A great interest in the seismic performance evaluation of small size tunnel structures such as utility tunnel has been taken since recent earthquakes at Pohang and Gyeongju in Korea. In this study, the three-dimensional dynamic analyses of vertical shaft and horizontal tunnel under seismic load were carried out using FLAC3D. Especially, parametric analyses was performed to investigate the effects of interfacial stiffness on interfacial behavior between soil and structure. The parametric analysis showed that the interfacial stiffness scarcely gave an effect on the global dynamic behavior of the structure, while had a significant effect on the local displacement behavior of the connections. The magnitude of the interfacial stiffness was inversely proportional to the displacement, while the magnitude of interface stiffness was proportional to the normal and shear stresses. The results of this study suggest the limitations of the existing empirical equations for interfacial stiffness and emphasize the need to develop new interfacial stiffness models. 최근 발생한 포항과 경주 지진 이후 공동구와 같은 소단면 터널 구조물에 대한 내진 성능 평가에 대한 관심이 증가하고 있다. 이 연구에서는 유한 차분법 기반의 FLAC3D를 사용하여 지진 하중에 대한 수직구와 수평 터널 구조물에 대한 3차원 동적 해석을 수행하였다. 특히 지반과 구조물 사이 경계면 특성을 고려한 지반-구조물 상호 해석 시 중요 인자인 경계면 강성 계수의 영향 을 분석하기 위한 매개변수 해석을 수행하였다. 매개변수 해석을 통해 경계면 강성 계수는 지하 구조물의 전체 동적 거동에는 큰 영향을 미치지 않지만 접속부의 국부적인 변위 거동에는 큰 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다. 경계면 강성 계수의 크기는 접속부에서의 변위와 반비례하는 경향을 보였으며, 수직 응력 및 전단 응력에 대해서는 비례하는 경향을 확인하였다. 연구 결과 수치 해석에서 주로 사용되고 있는 경계면 강성 계수에 대한 경험적 식의 한계를 제시할 수 있었으며, 새로운 경계면 강성 계수 모델 개발의 필요성을 확인하였다.