암반기계굴착공법의 적용연구

박철환(Chulwhan Park),김길수(Kilsoo Kim) 한국암반공학회 1992 터널과지하공간 Vol.2 No.1

다중시험편 시험에 의한 평면이방성 암석의 탄성상수 분석연구 제1보 - 자료해석을 중심으로

박철환(Chulwhan Park),박찬(Chan Park),신중호(Joong-Ho Synn),정용복(Yong-Bok Jung) 한국암반공학회 2010 터널과지하공간 Vol.20 No.6

평면이방성 암석의 특성을 실험적으로 규명하기 위하여 이방성각도에 따른 일축압축강도 및 변형률, 탄성상수의 변화를 분석하였다. 실험에는 유상구조가 뚜렷한 유문암의 7개의 서로 다른 각도를 갖는 총 35개 시험편을 사용하였다. 본 연구의 제 1보에서는 시험자료의 각도에 따라 개별적인 분석을 주로 논의하였으며, 제 2보에서는 이들 자료를 종합적으로 검토할 것이다. 수평 및 수직시료에서는 가정식을 적용하지 않고 4개의 탄성상수를 얻을 수 있기 때문에 이들의 크기는 참값이라 결정할 수 있다. 변형률 측정에서 각도에 따라 자료의 분산 정도가 달라지는데, 작은 각도에서는 큰 각도보다 분산이 크게 나타났다. 겉보기 탄성계수의 변화는 각도에 따라 M자 또는 U자 형태로 측정되었다. 낮은 각도에서는 겉보기 탄성계수의 변화가 단조증가의 경향을 보이지 않으므로 Saint-Venant 식을 적용될 수 없으며, E₁의 크기는 참값범위에 포함되는 값을 얻을 수 없다. 75도 각도의 시료는 변형률과 강도의 측정 편차가 가장 작게 나타났으며, 해석된 4개의 모든 탄성상수가 참값의 범위에 포함되었다. 따라서 만약 한 개의 시험편에서 평면이방성의 탄성상수를 얻고자하는 경우에, 이방성각도가 75도 근처의 시험편을 선정하는 것이 바람직하다. The variations of the uniaxial compressive strength, the strains and the elastic constants with respect to the angle of anisotropy are analyzed in order to investigate the characteristics of a transversely isotropic rock experimentally. Total 35 specimens of 7 different angles from a large block of rhyolite presenting the flow structure obviously are used in tests. This study is composed of two reports; the elastic constants are mainly analyzed for the every individual angle in the report No. 1 and they will be discussed synthetically in the report No. 2. From the specimens of 0 and 90 degree, 4 independent elastic constants which can directly be obtained without the help of any other suggested equations, may be referred to the true values. Data variation in the strain measurements differs on the angle is analyzed. That of small angle specimens tends higher than that of large angle specimens. The relation of apparent Young’s modulus and angle is found to be M- or U-shaped. For small angle specimens, Saint-Venant approximation cannot be applied successfully on account of showing the non-monotonous increase, and E₁ is analyzed out of the true value range. In the specimen of ø = 75, the deviation of strain measurement and strength are smallest and 4 all constants are analyzed in the true value range. Therefore, specimen of the angle of around 75 may become preferable if only one specimen should be used in test of a transversely isotropic rock.

노르웨이 메로케르 수력발전소의 TBM 굴착

박철환(Chulwhan Park),박연준(Yeonjun Park) 한국암반공학회 2005 터널과지하공간 Vol.15 No.1

본보는 1998년 노르웨이 토질암반공학협회에서 일히 발간한 Norwegian TBM Tunnelling 전문지에 수록된 논문을 소개하는 기술보고서이다. 노르웨이 중부 Meraker 지방에 새로운 수력발전사업이 진행되어, 발전소 및 터널, 댐이 건설되었다. 단면적이 7 m² 부터 32 m² 까지 다양한 형태의 터널들이 비교적 경암층에 굴착되었으며 이의 총 연장은 44㎞에 달한다. 이 가운데 직경 3.5 m의 터널 10 ㎞가 HP TBM으로 12개월 만에 굴착되었다. 이 터널에서 TBM의 굴착과 장비선정 외에도, 기획, 운영 및 조직 등이 특별한 관심을 끌고 있다. This paper presents an article explaining a TBM project overall in Norway. The paper which published in Norwegian TBM Tunnelling by Norwegian Soil and Rock Eng. Assoc. in 1998, contains most of the items considered in TBM tunnelling. New powerplants, tunnels and dams have been built at Meraker in Central Norway. A total of 44 ㎞ of tunnels with cross sections varying from 7 m² to 32 m² have been excavated in hard rock formation. Tunnel of 10 ㎞ with the 3.5 m diameter was excavated by a HP TBM in a year. his project gives the special attention to the TBM drive and equipment selection, including planning, site organization and performance.

기계굴착에서 굴착속도의 발전경향분석

박철환(Chulwhan Park),박찬(Chan Park),천대성(Dae-Sung Cheon),신중호(Joong-Ho Synn) 한국암반공학회 2007 터널과지하공간 Vol.17 No.3

노르웨이는 계곡이나 피요르드와 같은 굴곡이 심한 지형 때문에 터널이 많이 건설되었으며, 그 가운데 지난 30년 동안 59개의 터널이 전단면 기계굴착으로 완성되었다. 이러한 기계굴착 경험을 통하여 예측기법이 개발되고 발전되었으며 마침내 국립공과대학인 NTNU에서 예측법이 체계화되었다. 본 보고는 TBM 굴착자료가 알려진 14개의 노르웨이 터널과 4개의 국내의 터널에서 순굴착속도와 굴진속도를 분석하여, 이들의 발전경향을 연구한 것이다. 이 기간동안 노르웨이에서는 디스크 커터의 직경을 증대시키고 배열을 최적화하여 순굴착속도와 굴진속도를 두배 정도로 증진시켰다. 국내에서도 1980년부터 1990대까지 15년 동안 TBM의 굴진속도는 노르웨이에 비하여 작은 크기이지만 뚜렷이 증가하는 경향을 보였다. 이러한 작은 속도는 암반의 특성에도 기인하지만 17 인치보다 작은 직경의 디스크 커터를 사용한데 크게 기인된 것으로 판단된다. 향후 국내의 전단면 기계굴착에서 장비와 기술의 개선을 이루고, 특히 17 또는 19 인치의 디스크 커터를 사용한다면 순굴착속도와 굴진속도를 향상시킬 수 있을 것으로 예측된다. Because of Norwegian topography as valleys and fjords, a large number of tunnels has been built and 59 of them have been excavated by TBM for last 30 years. Prognosis technology has been developed and improved through lots of TBM experiences, and the NTNU prediction model has been completed. This paper focuses the improvement of net penetration rate and advance rate in 14 Norwegian and 4 Koran TBM tunnelling sites of which data were reported. Through this period, net penetration rate as well as advance rate were increased to double with the improvement of disc cutter size and cutter arrangement in Norway. These rates in Korea were also increased for 15 years even though the rates were lower compared to Norwegian. It is estimated that these low rates were mainly caused by using disc cutters less than 17 inch diameter. It is expected that net penetration rate and advance rate can be increased by improvement of machine and tunnelling technology, especially by using 17 or 19 inch of the disc cutter size in the Korean full face mechanical tunnelling site.

암반등급 분류법들의 비교연구

박철환(Chulwhan Park),박찬(Chan Park),신중호(Joong-Ho Synn) 한국암반공학회 2006 터널과지하공간 Vol.16 No.3

본보는 터널전문지에 게재된 RMR과 Q, RMi 등의 3개의 암반분류법을 비교한 논문을 소개하는 것이다. 암반 분류법은 경험적 방법으로 지보설계에 적용되고 있는데, Nilsen 교수는 그의 연구팀과 함께 암반분류법의 변수들과 이들의 분산을 평가하는 연구를 시도하였다. 이 연구에는 현장의 여러 변수들을 평가하는데 요구되는 대표성과 반복성에 대하여 논하며, 또한 세가지 분류법에서 평점에 대한 민감성을 언급하고 있다. 비록 몇가지 변수들은 측정자에 따라 상당히 큰 측정편차를 갖고 있음에도 불구하고, 암반등급은 매우 유사한 것으로 평가되고 있음이 밝혀졌다. This report is to introduce an article to compare 3 kinds of methods as RMR, Q-system and RMi published in Tunnel and Tunnelling Technology 2003. As rock mass classification is applied to estimate the amount of the support as an empirical design method, an attempt has been made to evaluate the parameters for classifications and their variations by Professor Nilsen and his team in Norway. Representability and reproducibility in measuring the field parameters are discussed and sensitivity of rating values in the three methods is also analyzed in this research. Although some parameters have high variation in rating among the 5 observers, the rock mass class has been found to be quite similar.

충격하중에 의한 암석의 동적거동 측정시험장치

박철환(Chulwhan Park),박의섭(Eui-Seob Park) 한국암반공학회 2010 터널과지하공간 Vol.20 No.5

발파나 지진과 같은 충격하중에 의한 재료의 동적특성이 최근 들어 지상 및 지하구조물의 설계에 주목받고 있다. 측정장비의 발달에 힘입어 수백 μ-sec에서 파괴가 진행되는 동안에 발생하는 응력과 변형률의 완전한 이력곡선을 얻을 수 있다. SHPB는 암석의 동적거동을 연구하는데 보편적이며 믿을만한 실험장치로 인식되고 있으며, 이 장치에 의한 동적 압축이나 인장강도시험은 조만간 표준시험법으로 제정될 예정이다. 본 보고서는 종래의 사각형 입사파의 단점을 없애기 위하여 사인형태의 응력파를 생성할 수 있는 특별한 모양의 충격자를 고안한 논문을 소개한 것이다. 이 논문은 사인형태의 입사파에 대한 장점을 설명하고 또한 동하중에 대한 암석의 크기효과를 설명하고 있다. Dynamic properties of materials by shock loads such as rock blasting and earthquake are recently attracted in the design of aboveground and underground structures. The advance of measuring devices enables to obtain the whole histories of stress and strain in rock specimen of which the failure is completed in several hundred microseconds. The SHPB has been a popular and promising technique to study the dynamic behavior of rock. And the dynamic compressive, tensile and other test with this experiment system are planned to be Suggested Methods of ISRM. This technical paper is to introduced one study article which focuses the design of 3S (special shaped striker) to produce the half-sine wave to eliminate the problems of the rectangular wave. This article is also describing the advantage of half-sine incident wave and size effect of rock dynamic strength.

평면이방성 분석에서 Saint-Venant 근사식의 수학적 해석

박철환(Chulwhan Park),박찬(Chan Park),박정욱(Jung-Wook Park),정용복(Yong-Bok Jung) 한국암반공학회 2016 터널과지하공간 Vol.26 No.5

여러 가지 이유로 단일시험편에서 평면이방성 암석의 5개의 독립적 탄성상수를 결정해야 할 경우, Saint-Venant 근사식은 오랫동안 매우 유용하게 사용되어 왔다. 본 논문은 이 경험적 수식이 겉보기 탄성계수로 표현되는 수식으로 전환될 수 있음을 탄성이론에 근거한 수학적 전개를 통하여 밝히고 있다. 이렇게 전환된 수식은 이방성 각도에 단조증가하는 특성을 갖고 있으며, 이방성 암반의 초기응력측정에 유용하게 사용될 것이다. 문헌의 자료를 분석한 결과, G2의 측정값은 각도와 관계없이 일정한 크기이며, Saint-Venant 근사식에 의하여 유도된 값보다 작은 것으로 분석되었다. 이러한 감분은 층상의 경계면에서 미끄러짐에 의하여 발생하는 것으로 판단되며, 미끄러짐에 의한 감소비율은 층상의 결합상태와 암석의 강도에 따라 유추될 수 있다. 이러한 분석들이 향후에 계속되어 자료가 누적된다면 감소비율을 규정할 수 있고, Saint-Venant 근사식의 수정을 통하여 단일시험편으로부터 탄성상수를 결정할 수 있을 것이다. All five independent elastic constants of a transversely isotropic rock sometimes need to be determined from a single specimen. Saint-Venant approximation has been widely used for a long time in the analysis of single specimen test. This paper has proven how this empirical equation can be mathematically transformed into a form of the apparent Young’s modulus based on theory of elasticity. The transformed equation is a monotonous function on anisotropic angle and can be useful in the analysis of the in-situ stress measurement in an anisotropic rock mass. The estimations of data in literatures have shown that the measured values of G2 are uniform on anisotropic angles and smaller than that of Saint-Venant’s case. This decrement may be caused by sliding of the interface of strata and the decrement rate is inferred to relate well with the combination of bonding condition of strata and strength of rock material. Accumulation of these kinds of studies in the future enables to define the decrement and to determine elastic constants of a transversely isotropic rock from a single specimen from modifying Saint-Venant approximation.

다중시험편 시험에 의한 평면이방성 암석의 탄성상수 분석연구

박철환(Chulwhan Park),박찬(Chan Park),정용복(Yong-Bok Jung) 한국암반공학회 2012 터널과지하공간 Vol.22 No.5

한 개의 평면이방성 시험편으로부터 5개의 독립적 탄성상수를 결정할 수 있는 방법을 찾기 위하여 다중시험편 시험을 수행하였다. 실험에는 유상구조가 뚜렷한 유문암의 7개의 서로 다른 각도를 갖는 총 35개 시험편을 사용하였다. 제 2보인 본 연구에서는 측정된 변형률과 해석된 탄성상수를 통계적으로 분석하고 참값을 결정하는데 중점을 두었다. 통계분석의 결과로서, 측정자료의 신뢰성은 충분히 확보되었으며, 15도 시료를 제외한 시료에서 SV 식의 적용성이 매우 높은 것으로 밝혀졌다. 각도가 증가함에 따라 탄성상수의 상대표준편차는 대체로 작아지는 경향진다. 이는 측정값의 편차가 작아지기 때문에 발생하는 현상이기도 하지만, 각도가 클수록 SV 식이 잘 적용되기 때문이라고 유추할 수 있다. 분석된 5개의 탄성상수의 크기는 높은 신뢰성을 갖고 있어 실험에서 얻을 수 있는 참값이라 할 수 있다. 그러나 이러한 값으로부터 예측한 겉보기 탄성계수는 실측된 크기들을 표현할 수 없는 것으로 판명되었다. 이러한 불일치로 미루어 겉보기 탄성계수의 크기를 감소시키거나 또는 전단변형률이 증가시키는 요인이 실험이나 평면이방성 특성에 존재한다고 판단된다. Multi-specimen uniaxial compression test has been carried out in order to find the method to determine the five independent elastic constants from a single standard specimen of a transversely isotropic rock. Total 35 specimens of 7 different angles from a large block of rhyolite presenting the flow structure obviously are used in tests. This second report is to focus on the statistical evaluation of measured strains and analyzed elastic constants. And the determination of their true or near-true values is discussed. As the result of RSD analysis, it turns out that the reliability of measured strains is sufficiently obtained and Saint-Venant approximation is well applicable except 15 degree angled specimen in tests. RSD is decreasing on the increase of the angle of anisotropy. This tendency may be caused not only by the decreasing of the deviation of measured strains, but also by the better applicability of Saint-Venant approximation on the increase of angle. It can be concluded that the analyzed values are considered the near-true ones of five independent constants on the high reliability. But the variation of the apparent Young’s modulus expected by these values is not proved to match the measured tendency. It is inferred that the factor to decrease the apparent Young’s modulus and/or to increase the shear strain, is present in the test or in the nature of the anisotropy in consideration of this inconsistency.

평면이방성 암석의 변형특성 모델연구

박철환(Chulwhan Park),박의섭(Eui-Seob Park),박찬(Chan Park) 한국암반공학회 2008 터널과지하공간 Vol.18 No.4

한 개의 평면이방성 시험편의 일축압축시험을 통하여 얻을 수 있는 변형률은 최대4개이므로5개의 독립적 탄성상수를 이론적으로 결정할 수 없다. 이런 문제를 해결하기 위하여 Saint Venant에 의하여 가정식이 제안되었는데 Lekhnitskii는 실험 경험을 통하여 이 식을 재확인하였다. 그러나 이 식은 열동력학적인 탄성상수를 얻기 어려우며,실험에서 이의 적용에는 한계가 있음이 경험적으로 발견되었다.이에 새로운 가정식을 제안하였으며, 설정된 평면이방성 암석의 모델에서 이러한 제안식들의 적합성을 검토하였다. 그 결과 Lekhnitskii의 제안식은 경사각이 큰 시험편에는 유효하지만 25~30도 이하에서는 참값과 큰 오차를 보이는 결과로 해석되어 적용의 한계성이 있음이 밝혀졌다. 3개의 제안식들은 유효성이 각각 다르게 나타나는데 적합성은 시험편의 경사각에 좌우되며 탄성상수의 크기에 거의 무관한 것으로 판명되었다. 시험편의 경사각에 따라 가정된 식을 선택해야 하는 지침이 본 연구의 결과로 제공되었다. In the uniaxial compressive test of a single specimen of transversely isotropic rock, its 5 independent elastic constants can not be defined since maximum 4 independent strain measurements are available theoretically. In order to solve this problem, one equation proposed by Saint Venant in 19C and confirmed by Lekhnitskii through the test experiences has been used for long time. Accordign to authors’ experiences, however, this equation turned out to give erroneous elastic constants in some cases. Three new equations are suggested and their compatibilities are discussed in this paper. As the results of the analyses of the models, Lekhnitskii’s suggested equation is effective for the specimen with the high dip angle whereas it results in the large erred output for that with dip angle less than 25~30. It was found that the effectivenesses of three suggested equations and their compatibilities are subject to the dip angle and not to the amounts of elastic constants. Guide map to the selection of the compatible one of those suggested equations is presented as a result of the study.

합성암반체 접근법에 대한 고찰

박철환(Chulwhan Park),박의섭(Eui-Seop Park),신중호(Joong-Ho Synn) 한국암반공학회 2007 터널과지하공간 Vol.17 No.6

본 기술보고서는 Lisbon에서 개최된 2007 ISRM Congress 에서 발표된 논문을 소개한 것이다. 이는 SRM(합성암반체)에 관한 연구결과이며, 이의 중요성과 향후 잠재력을 강조하고 있는 Fairhurst 교수가 직접 발표한 논문 이다. 절리 암반의 특성을 규명하는 SRM 접근법은 현존하는 경험적 접근법이나 절리 암반의 거동에 대한 현재의 이해정도와 관련지어 재검토된다. 이 재검토 논문에서 절리 암반의 역학적 거동에 영향을 미치는 주요 요소들이 어떻게 고려되는가를 기술하며, 또 SRM 접근법이 상당히 발전되어 현장에 적용된, 사례를 보여준다. PFC-3D에서 BP 모델링과 DFN 모사법 등의 두개의 잘 정립된 방법에 기초를 두고 있는 이 기법은 새로운 미끄러지는 절리모델을 사용한다. 이 모델은 모든 응력경로에 의해 힘을 받고 있는 수천개의 기존 절리를 포함하는 대규모 암반체를 모사할 수 있게 하는 것이다. 암반의 강도 및 취성도, 완전 순응 행렬의 전개, 그리고 초기의 파쇄 등이 SRM 시험에서 얻어지는 결과이다. This technical report is to introduce the research on SRM (Synthetic Rock Mass) which was presented in 2007 ISRM Congress at Lisbon by Prof. Fairhurst who speak with emphasis on its importance and potential in rock engineering. The Synthetic Rock Mass approach to jointed rock mass characterization (Pierce et al. 2007) is reviewed relative to existing empirical approaches and current understanding of jointed rock mass behaviour. The review illustrates how the key factors affecting the mechanical behaviour of jointed rock masses may be considered and demonstrates that the SRM approach constitutes a significant step forward in this field. This technique, based on two well-established methods, Bonded Particle Modelling in PFC-3D (Potyondy and Cundall, 2004) and Discrete Fracture Network simulation, employs a new sliding joint model that allows for large rock volumes containing thousands of pre-existing joints to be subjected to any non-trivial stress path. Output from SRM testing includes rock mass brittleness and strength, evolution of the full compliance matrix and primary fragmentation.