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.

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.

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.

터널 붕괴 위험도 지수(KTH-index)에 기반한 터널 설계안의 정량적 사전 위험도 시뮬레이션

신휴성,권영철,김동규,배규진,이홍규,신영완,Shin, Hyu-Soung,Kwon, Young-Cheul,Kim, Dong-Gyou,Bae, Gyu-Jin,Lee, Hong-Gyu,Shin, Young-Wan 한국터널지하공간학회 2009 한국터널지하공간학회논문집 Vol.11 No.4

이전 연구를 통하여 터널 굴진에 따른 터널 막장의 붕괴 위험에 대한 잠재 수준을 정량적으로 평가하기 위한 툴인 KTH-index(KICT Tunnel Collapse Hazard index) 지수화된 위험도 수준 표현 툴을 개발한바 있으며, 이는 다수의 시공현장에 성공적으로 적용되어 왔다. 본 연구에서는 제안된 터널 위험도 지수를 기반으로 수행된 터널 설계안의 전 종단구간에 대해 정량적인 위험도 수준을 시뮬레이션 하는 새로운 설계안 적정성 평가 방법을 제안하였다. 본 KTH-index 기반 시뮬레이션에서 가장 중요한 것은 시뮬레이션을 위한 입력항목의 결정이며, 대부분의 설계안 관련 항목과 시공관련 항목은 직접적으로 설계안으로부터 결정될 수 있으나, 불명확한 지반조건은 설계 당시 때 수행된 시추조사와 전기비저항 탐사를 기초로 준비된다. 이때, 낙관적 시나리오와 비관적 시나리오에 기반한 터널 종단 지반조건 시나리오가 설정되었다. 이러한 위험도 시뮬레이션을 통해서, 시뮬레이션 대상 설계안에 대한 위험도 수준을 사전에 파악할 수 있었으며, 사전에 파악된 요 주의구간은 시공단계와 연결시켜 시공 중 계측이나 막장관찰 시에 요긴하게 활용될 수 있는 정보를 제공할 수 있음을 확인하였다. A new indexing methodology so called KTH-index was developed to quantitatively evaluate a potential level for tunnel collapse hazard, which has been successfully applied to tunnel construction sites to date. In this study, an attempt is made to apply this methodology for validating an outcome of tunnel design by checking the variation of KTH-index along longitudinal tunnel section. In this KTH-index simulation, it is the most important to determine the input factors reasonably. The design factor and construction condition are set up based on the designed outcome. Uncertain ground conditions are arranged based on borehole test and electro-resistivity survey data. Two scenarios for ground conditions, best and worst scenarios, are set up. From this simulation, it is shown that this methodology could be successfully applied for providing quantitative validity of a tunnel design and also potential hazard factors which should be carefully monitored in construction stage. The hazard factors would affect sensitively the hazard level of the tunnel site under consideration.

토목분야 - 인공지능과 연계된 미래형 토목구조물 설계코드

신휴성(Hyu-Soung Shin) 대한토목학회 2005 대한토목학회지 Vol.53 No.8

논문 : 통계적 확산이론에 기초한 다공질체의 유동관망 유동해석 기법 개발

신휴성 ( Hyu Soung Shin ) 대한지질공학회 2013 지질공학 Vol.23 No.4

본 연구에서는 다공질 지반체내의 투수계수를 계산하기 위하여 정방형의 배열형태를 갖는 유동관망(pipe network) 유동해석 모델을 개발하였다. 본 유동관망을 통한 유체의 흐름 메커니즘은 통계적 침투이론(percolation theory)에 기초하여정의된다(Stauffer and Aharony, 1994). 여기서, 개별 유동관의 직경들이 주어진 다공질 매질의 공극률과 공극크기 분포특성을 기초로 하여 통계적으로 지정됨으로 계산된 유체흐름은 불균일한 채널 유동 형태로 나타난다. 본 유동해석에서는유동관망 모델의 한쪽 경계면에 가압된 유체가 투입되고 다른 측면 경계면들은 흐름을 억제하는 경계조건을 두어 한 방향으로 유동관망을 통해 유체의 흐름을 유도하여 모델링된다. 이때, 흐름을 허용할지를 정의하는 확산조건(percolation condition)이 각 유동관에 부여되며, 이는 각 유동 경로의 직경과 재료면 특성을 기초로 계산된 삼투압(capillary pressure)수준에 의해 정의된다. 유체가 유입되는 면의 수압에 대해 전체 유동관망 모델 내의 수압 분포가 평형을 이루면 유출되는 면의 수압이 일정해 지며, 유입면의 수압과 계산된 유출면의 수압 및 유동량을 Darcy 방정식에 적용하면 유동관망 모델로 모사된 다공질 매질의 투수계수를 얻어 낼 수 있다. 본 연구에서는, 민감할 것으로 예상된 유동 격자망의 규모의투수계수 결과값에 대한 민감도를 검토하였으며, 실제 석유개발 현장에서 수집된 시추코어에 대해 측정된 투수계수값과제안 네트워크 모델을 이용한 계산값과 비교하여 합리적인 범위 내에서 잘 부합됨을 보였다. A micro-mechanical pipe network model with the shape of a cube was developed to simulate the behavior of fluid flow through a porous medium. The fluid-flow mechanism through the cubic pipe network channels was defined mainly by introducing a well-known percolation theory (Stauffer and Aharony, 1994). A non-uniform flow generally appeared because all of the pipe diameters were allocated individually in a stochastic manner based on a given pore-size distribution curve and porosity. Fluid was supplied to one surface of the pipe network under a certain driving pressure head and allowed to percolate through the pipe networks. A percolation condition defined by capillary pressure with respect to each pipe diameter was applied first to all of the network pipes. That is, depending on pipe diameter, the fluid may or may not penetrate a specific pipe. Once pore pressures had reached equilibrium and steady-state flow had been attained throughout the network system, Darcy`s law was used to compute the resultant permeability. This study investigated the sensitivity of network size to permeability calculations in order to find out the optimum network size which would be used for all the network modelling in this study. Mean pore size and pore size distribution curve obtained from field are used to define each of pipe sizes as being representative of actual oil sites. The calculated and measured permeabilities are in good agreement.

달탐사의 미래 전망과 우주건설의 역할

신휴성(Hyu-Soung Shin) 대한토목학회 2021 대한토목학회지 Vol.69 No.4

인공신경망 기반 민감도 해석기법을 이용한 터널 붕괴 주요원인 규명 연구

신휴성(Shin Hyu Soung),임종진(Lim Jong Jin),장수호(Chang Soo Ho),배규진(Bae Kyu Jin) 대한토목학회 2004 대한토목학회 학술대회 Vol.2004 No.10

터널 시공 중 숏크리트 라이닝 작용응력 측정방안 제안 및 현장 적용성 검토

신휴성(Shin Hyu-Soung),권영철(Kwon Young Cheul),김경신(Kim Kyung Shin),김동규(Kim Dong-Gyu),배규진(Bae Gyu-Jin) 대한토목학회 2008 대한토목학회 학술대회 Vol.2008 No.10