절리면의 응력확대계수가 파괴인성보다 작은 암반사면의 진행성 파괴

김치환(Kim Cheehwan),John Kemeny 한국암반공학회 2009 터널과지하공간 Vol.19 No.2

암석파괴역학과 파괴인성 이하의 응력상태에서 균열이 발생하고 성장하는 특성을 고려하여 암반사면의 진행성 파괴를 검토하였다. 굴착이 종료된 암반사면은 응력이 거의 변하지 않은 조건이지만, 시간이 경과함에 따라 절리면 내 미소한 접점에서 파괴가 발생하고 파괴된 접점의 수효가 증가함에 따라 절리면이 파괴되고, 파괴된 절리면이 많아져 사면이 파괴되는 진행성파괴 현상을 수치해석적으로 확인하였다. 따라서 암반사면의 진행성 파괴는 파괴인성보다 낮은 응력상태에 있는 암반 절리면 내 미소한 접점에서 시간의 경과에 따라 발생한 균열이 성장하여 사면을 파괴시키는 것으로 분석되었다. Numerical analysis of the progressive failure of a rock slope was conducted using a 3-D rock joint element considering fracture mechanics and subcritical crack growth of asperities in the rock joints. Even though the stress state in the rock slope is not changing, the elapse of time causes subcritical crack growth to break asperities in the joints. The increase of broken asperities causes failure of joints in the rock slope and the increase of failed joints results in failure of a jointed rock slope. As a result, the progressive failure of a jointed rock slope due to the gradual breaking of small asperities along joints generated by subcritical crack growth occurs at a lower stress than if rock failure occurred by exceeding the static strength or fracture toughness.

빌딩하부 모래자갈층에서 터널시공 중 발생한 지표침하에 의한 빌딩의 손상

김치환(Kim Cheehwan) 한국암반공학회 2015 터널과지하공간 Vol.25 No.4

암석파괴역학에 의한 3차원 절리면의 진행성 파괴 모델

김치환(Kim Cheehwan),John Kemeny 한국암반공학회 2009 터널과지하공간 Vol.19 No.2

암석파괴역학과 파괴인성(rock fracture toughness) 이하의 응력확대계수(stress intensity factor)에서 균열이 성장하는 현상을 이용하여 암석 절리면의 비선형 강도특성과, 시간의 경과에 따라 파괴가 진행되는 특성을 고려 한 수치해석용 3차원 절리면 요소를 개발하였다. 이 절리면 요소를 사용하여 암석 절리면 전단시험을 수치해석으로 모사한 결과, 전단응력이 증가하고 시간이 경과함에 따라 절리면 사이에 연결된 절리면 내 접점(asperity in joint)에서 암석의 파괴인성보다 응력확대계수가 작음에도 불구하고 균열이 발생하였고 시간이 경과하면서 균열이 성장, 절리면 내 접점이 파괴되었다. 이와 같이 각각의 절리면 내 접점의 파괴에 따라 절리면의 강도는 감소하고, 절리면의 전단응력은 응력경화와 응력연화 후 잔류응력에 도달하는 비선형거동을 보이면서 시간의 경과에 따라 점진적으로 파괴되었다. A three dimensional rock joint element was developed considering fracture mechanics and subcritical crack growth to simulate non-linear behavior and the progressive failure of rock joints. Using this 3-D joint element, joint shear tests of rock discontinuities were simulated by a numerical method. The asperities on the joint surface began to fail at stress levels lower than the rock fracture toughness and continued progressively due to subcritical crack growth. As a result of progressive failing in each and every asperity, the joint showed non-linear stress-time behavior including stress hardening/softening and the reaching of a residual stress.

저심도 터널의 천단침하 및 내공변위의 초기변위속도와 최종변위의 관계

김치환(Kim Cheehwan) 한국암반공학회 2013 터널과지하공간 Vol.23 No.2

터널 시공 중 천단침하와 내공변위를 측정하는 것이 일반화되어 있다. 터널 시공 중 계측기를 설치한 후 첫 번째로 측정한 천단침하와 내공변위의 1일간 변위량을 각각 초기천단침하속도와 초기내공변위속도로 또 마지막으로 계측한 천단침하와 내공변위를 각각 최종천단침하와 최종내공변위로 정의하고 계측한 최종변위와 초기변위속도의 관계를 분석하였다. 이를 위한 분석용 자료는 서울지하철 906공구에서 터널 시공 중 계측한 것이다. 이 터널의 폭과 높이는 각각 약 11.5 m, 10 m이며 지표에서 터널천단까지의 깊이는 약 10-20 m의 저심도 터널이다. 또 터널이 시공된 지층은 풍화토 또는 풍화암으로 연약한 지반이다. 터널은 상하반으로 나누어 시공되었고 길이는 1,820 m이다. 이번 분석에 이용한 계측치는 터널 상하반 시공 중에 얻은 것으로 천단침하계측 결과가 184개, 내공변위계측 결과는 258개이다. 분석결과 풍화토의 터널에서 초기변위속도와 최종변위가 상대적으로 큰 경향이 있었다. It is generalized to measure the arch settlement and convergence during tunnel construction for monitoring its mechanical stability. The initial convergence rate a day is defined from the first convergence measurement and the final convergence defined as the convergence measured lastly. The initial and the final tunnel arch settlement are defined like the preceding convergence. In the study, the relations between the initial and final displacements of a shallow tunnel are analyzed. The measurements were performed in the tunnel of subway 906 construction site in Seoul. The overburden is 10-20 m and the tunnel goes through weathered soil/rock. The width and height of the tunnel are about 11.5 m, 10m, respectively. So this is a shallow tunnel in weak rock. The length of tunnel is about 1,820 m and the tunnel was constructed in 2 stages, dividing upper and lower half. The numbers of measurement locations of arch settlement and convergence are 184 and 258, respectively. As a result, the initial displacement rate and the final displacement are comparatively larger in the section of weathered soil.

계측치와 변위함수에 의한 시공 중인 터널의 최종변위 예측

김치환(Kim Cheehwan) 한국암반공학회 2010 터널과지하공간 Vol.20 No.6

터널시공 중 터널 완공 후에 발생할 최종변위를 미리 예측하는 것은 터널의 역학적 안정성을 평가하는데 중요하다. 시공 중인 터널에서 계측한 천단 및 내공변위와 변위함수를 이용하여 터널을 시공 완료하였을 때 발생할 터널의 최종변위를 예측하였다. 연구대상 터널은 상반과 하반으로 나누어 시공하였고 터널상반 시공중 설치한 계측핀을 이용하여 하반막장이 이 계측핀을 통과할 때 발생한 초기변위를 계측할 수 있었다. 터널하반 시공 중 계측한 변위를 이용하여 하반굴착에 따른 변위 증가량을 변위함수로 예측한 결과 터널시공 완료 후 계측한 증가량과 거의 같았다. It is important to forecast the final deformation of a tunnel during construction for evaluating its mechanical stability. In this study, the final deformation of a tunnel is forecasted by fitting tunnel deformations measured while excavating to a displacement function and exterpolating it. The tunnel for the study was built in two stages divided into an upper and a lower part. During the lower part construction of the tunnel, the displacement function forecasts the final incremental displacement well compared to the increment measured after completion of the tunnel. It is because the critical initial displacement occurred on passing the measurement pins can be adequately measured during excavating the lower part, which can not be measured during the upper part excavation of the tunnel.

LIDAR와 Split-FX 소프트웨어를 이용한 암반 절리면의 자동추출과 절리의 특성 분석

김치환(Kim Cheehwan),John Kemeny 한국암반공학회 2009 터널과지하공간 Vol.19 No.1

암반 내 구조물을 시공하는 경우 역학적 안정성을 평가하기 위하여 암반의 특성을 조사한다. 이 경우 암반의 특성은 주로 암반 내 절리의 특성에 의하여 좌우된다. 지금까지는 암반 내 절리의 특성을 조사하기 위하여 암반이 노출된 사면이나 노두에 접근하고 육안으로 직접 관찰하였다. 이때 급사면과 같은 곳에서 접근의 문제, 작업의 안전 문제, 많은 시간이 걸리는 문제, 조사시간에 비하여 얻은 정보량의 부족, 정보의 재현 문제, 측정 오차 문제 등의 제한이 있었다. 따라서 이와 같은 문제를 개선하기 위하여 LIDAR (light detection and ranging)로 암반을 스캔하여 얻은 포인트 클라우드(point cloud)를 Split-FX 소프트웨어로 처리한 결과 절리의 방향과 간격 및 절리면의 거칠기 등 절리의 특성을 정확하고 효율적으로 분석할 수 있었다. Site characterization for structural stability in rock masses mainly involves the collection of joint property data, and in the current practice, much of this data is collected by hand directly at exposed slopes and outcrops. There are many issues with the collection of this data in the field, including issues of safety, slope access, field time, lack of data quantity, reusability of data and human bias. It is shown that information on joint orientation, spacing and roughness in rock masses, can be automatically extracted from LIDAR (light detection and ranging) point clouds using the currently available Split-FX point cloud processing software, thereby reducing processing time, safety and human bias issues.

모래자갈층에서 터널시공을 위한 굴착 전 그라우팅 보강 사례

김치환(Cheehwan Kim) 한국암반공학회 2016 터널과지하공간 Vol.26 No.6

터널의 윗부분이 모래자갈인 지층에서 터널을 시공하기 위하여 터널천정부를 그라우팅으로 굴착 전에 미리 보강하였다. 지하수가 있는 구간에서 강관다단그라우팅으로 LW 혹은 초미립자시멘트의 SSM을 주입하여 지하수 유출을 억제함과 동시에 모래자갈층의 강도를 높여 터널을 안전하게 시공할 수 있었다. 지하수가 배수되어 버린 구간에서는 제트그라우팅으로 보강한 후 터널을 시공하였다. 그라우팅 주입 후의 보강효과는 터널굴착 중 지하수의 유출 여부와 터널천정의 모래자갈이 부착되어 있지 않고 탈락하는지 여부로 확인하였다. Pre-reinforcement with umbrella arch grouting is conducted around a tunnel where a portion of the upper part of the tunnel is located in a sand and gravel layer. Surroundings of a first tunnel situated below groundwater table are reinforced with LW or SSM that is composed of ultra-fine cement and injected into multi-stages through large diameter steel pipes. With them, a first tunnel is safely excavated without both leaking of groundwater and fallings of sand and gravel from the arch. A second tunnel where groundwater is drained down to the bedrock is reinforced with jet grouting. The effect of the pre-grouting reinforcement is monitored by checking whether groundwater is dripping or sand or gravel is falling from the arch of the tunnels.

수평경사계와 천단침하계에 의한 터널막장 전후방의 천단침하 계

김치환(Kim Cheehwan) 한국암반공학회 2013 터널과지하공간 Vol.23 No.2

터널시공 중 발생한 변위를 설계단계에서 설정한 계측관리 기준변위와 비교하여 터널의 안정성을 평가할 때에는 터널막장 후방뿐만 아니라 전방에서 발생하는 변위를 포함한 총변위를 이용하여야 한다. 터널 시공 중 발생하는 총변위를 알기 위하여 터널막장에서 전방을 향해 수평경사계를 설치하여 지중침하를 계측하였고 터널 막장 후방에서는 천단침하계를 이용하여 터널의 천단침하를 계측하였다. 이를 통하여 터널시공 중 발생하는 총천단침하를 계측할 수 있었고 터널막장 전후방 종단선상의 침하곡선 특성도 분석하였다. It is important to measure the displacement behind and ahead of a tunnel face during construction for evaluating mechanical stability by comparing it to a displacement criteria set by tunnel designers. The 30 m long horizontal inclinometer was installed frontward from the tunnel face and the displacement occurred ahead of a tunnel face during excavation was measured by using it. Tunnel arch settlements behind tunnel face were surveyed using a settlement pins on the arch. So total settlement and longitudinal displacement curve were obtained combining settlement measured by both the horizontal inclinometer ahead of tunnel face and the settlement pins behind the tunnel face.

저심도 터널주변의 NTR보강 중 발생한 도로면 침하의 특성

김치환(Cheehwan Kim) 한국암반공학회 2018 터널과지하공간 Vol.28 No.6

고속도로면으로 부터 심도는 약 7.5 m로 얕으나 너비가 약 21 m로 넓은 터널의 안정성을 확보하고 도로면의 침하를 최소화하기 위하여 NTR(New Tubular Roof)공법을 보조공법으로 이용하였다. 이 방법에 따라 터널 굴착예정선 둘레에 직경 2.3 m의 강관 13개를 종방향으로 압입하고 강관측벽을 뚫어 서로 연결한 후 강관내부와 연결공간을 콘크리트로 채워 라이닝을 먼저 만들었고 라이닝 내부 지반을 굴착하여 터널을 완성하였다. 여러 개의 강관을 순차적으로 압입함에 따라 이완영역이 서로 연결되면서 폭이 점차 넓어지는 공동으로 거동하여 침하증분이 커졌고 터널 폭이 가장 넓은 곳에 강관을 압입할 때 도로면 침하증분은 약 2.2 mm로 최대였으며 라이닝 시공 때 까지의 총침하는 약 7.7 mm이었다. 그리고 폭이 넓은 라이닝 내부 터널을 굴착하면서 약 4.3 mm의 침하가 추가로 발생하면서 시공종료 후 총침하는 약 11.8 mm가 되었다. The NTR(New Tubular Roof) method was used to secure the stability of the tunnel and minimize the subsidence of the road. The tunnel was constructed at about 7.5 meters deep below the highway. with a width of about 21 meters. Following the NTR method, 13 steel pipes with a diameter of 2.3 meters were digged and pushed in longitudinally along the tunnel profile and cut out sides of pipes to connect to adjacent pipes, then filled the inside of pipes and the connected space between pipes with concrete to complete the lining of the tunnel to be excavated. As the steel pipes were digged in sequentially, the area of relaxation was connected to each other and behaves like a gradually widening tunnel. When the steel pipes were digged in to the widest points of the tunnel, the settlement rate of the road surface was increasing to the maximum as 2.2 mm and the total settlement until the lining construction was approximately 7.7 mm. After that, by excavating a tunnel inside the pre-installed lining, an additional settlement of about 4.3 mm was occurred, resulting in the total settlement of about 11.8 mm after completing of tunnel construction.

디지털 사진매핑에 의한 공학적 암반분류와 터널의 보강

김치환(Kim Cheehwan) 한국암반공학회 2011 터널과지하공간 Vol.21 No.6

터널의 페이스매핑(face mapping)을 신속하고 신뢰성 있게 수행하기 위하여 디지털 사진으로부터 3차원 좌표의 점군(point cloud)을 생성하고 이로부터 절리면의 방향과 간격 및 암질지수(R.Q.D), 절리면 거칠기 등을 분석하였다. 분석결과를 공학적 암반분류 방법인 RMR(Rock Mass Rating)과 Q 시스템에 입력하여 보강방법을 결정하고 터널을 시공하였다. 그 결과 터널 페이스매핑 작업의 안전성을 높이면서, 분석부터 보강작업까지의 시간을 절약하였다. 또 터널 막장면의 디지털 영상과 공학적 암반분류용 정보를 객관적으로 평가하고 필요 시 재분석이 가능하도록 보존함으로써 보강등급 결정과 터널보강 방법의 신뢰도를 높였다. The characteristics of rock fractures for engineering rock classification are investigated by analyzing three dimensional point cloud generated from adjusted digital images of a tunnel face during construction and the tunnel is reinforced based on the supporting pattern suggested by the RMR and the Q system using parameters extracted from those images. As results, it is possible saving time required from face mapping to tunnel reinforcing work, enhancing safety during face mapping work in tunnels and reliability of both the mapping information and selecting supporting pattern by storing the files of digital images and related information which can be checked again, if necessary sometime in the future.