As all kinds of industrials have been developed increase of demands for various natural resources has led many researchers to find effective methods to detect them buried in the earth. One of prominent methods is a geophysical exploration using electrical resistivity. Although the electrical resistivity-based geophysical exploration has been commonly used for site investigation, the majority of such application is restricted to rough description of underground condition and only a few researchers tried to correlate electrical resistivity with rock mass classification, such as Q-system and RMR, playing an important role in practical rock engineering designs. On the other hand, during tunnel construction ground failures often occur due to the existence of weak zones, such as faults, joints, and cavities, ahead of tunnel face. It is hard to detect effectively the weak zones, which can lead underground structure to fail after excavation and before supporting, by using conventional characterization methods. Thus, the main goal of thesis is to explore the correlation between rock mass classification system and electrical resistivity, and to develop an enhanced analytical method of predicting weak zones ahead of tunnel face using electromagnetic wave.
Electric field in intact rock and jointed rock mass are analyzed with considering the characteristics of elastic fields subjected to rock mass from Coulomb's law and Gauss' law. The results show that electrical resistivity measured by two electrodes is governed by the electrical resistivity of intact rock and joint, the interval of joint and the thickness of joint.
An attempt is made to correlate electrical resistivity of rock mass with Q-system and RMR-system theoretically. Each factor in Q-system and RMR-system is interrelated to electrical resistivity. The analytical method suggested for classification of rock mass using electrical resistivity is verified through experimental tests. The assembly of concrete blocks, having cubic or parallelepiped shapes and different roughness, is used to model a jointed rock mass. The experimental results on the rock mass test show a good agreement with the analytical results.
Using the developed analyses, closed form solutions are obtained to detect a spherical shaped zone and an oriented fault ahead of tunnel face respectively. The analytical results suggest that the presence of weak zones and their sizes, location, and states can be accurately predicted by combining a proper inversion process with resistance measured from several electrodes on the tunnel face. It appears that the skin depth of resistivity in rock mass is affected by the diameter of tunnel face, natural electric potential and noises induced by experimental measurement and spatial distribution of uncertain properties. The developed analytical solution is verified through experimental tests. About 1800 concrete blocks of 5cm by 5cm by 5cm in size are prepared and used to model a joint rock mass around tunnel face. Weak zones are simulated ahead of tunnel face with a material which has relatively higher conductivity than concrete blocks. Experimental results on the model test show a good agreement with analytical results.
많은 광물학자들은 20세기가 되어 급속한 산업발달로 인해 지하에 매장된 수많은 지하자원을 찾기 위한 노력을 많이 했다. 그 많은 노력들 중에 하나가 전기비저항을 이용한 탐사방법이다. 토목공학에도 전기비저항을 이용한 탐사가 활발히 진행되고 있지만 주로 전기비저항을 이용하여 지반의 상태를 파악하는 지반조사측면이 대다수였고 전기비저항을 이용하여 암반을 분류하는 방법은 경험적으로 얻어 Q-system이나 RMR 분류법과의 연결이 기존 연구의 주류였다. 한편으로 터널 시공 도중이나 터널 굴착 직후 주지보재에 의한 보강 전에 터널막장 전방에 존재하는 연약암반 혹은 단층파쇄대로 인해 유발되는 터널막장의 붕괴사고가 빈번이 일어나고 있다. 기존의 지반탐사방법으로는 터널막장부근에 있는 연약암반이나 단층파쇄대를 찾기 어렵다. 따라서 터널 시공 도중이나 터널 굴착 직후 주지보재에 의한 보강 전에 터널막장 전방에 존재하는 연약암반 혹은 단층파쇄대로 인해 유발되는 터널막장의 붕괴사고가 빈번이 일어나고 있다. 이 논문에서는 전자기파를 이용하여 암반의 평가와 터널전방예측을 할 수 있는 방법을 개발하는 것을 목표로 한다.
전기장의 특성을 고려한 Coulomb 및 Gauss 법칙을 이용하여 이상적인 무한 매질에서의 해석방법을 암반이 가진 지반 조건인 절리에 적용하여 암반에서의 전기장 해석방법을 찾아내었다. 암반에 존재하는 절리의 상태, 위치, 크기의 성질에 따라 달라지는 전자기파 인자들을 수학적 계산에 의해 획득하였다.
이를 바탕으로 Q-system의 개별요소 6개 인자들과 전기비저항의 이론적인 상관성을 도출하였고 RMR-system의 5개 평가기준에 대한 전기비저항과의 상관성도 도출하였다. 개발된 전기비저항 암반분류방법은 부분적인 실험결과를 통해 확인되었다. 3방향 절리를 기준으로 크기가 다른 콘크리트 블록을 동일한 크기로 만들어 암반상태를 구현하였고, 절리의 거칠기, 절리군의 수, 전리면 변질정도까지 변경하여 실험하여 이론과의 일치함을 보여주었다. 그리고 Q-system과 RMR-system과 전기비저항의 1:1관계는 이론적으로 도출되지 않음을 보여주었다.
개발된 암반전기장 해석방정식을 이용하여 기존의 문제점들을 극복하고 기존의 탐사방법들을 보완하기 위해 전자기파를 이용한 터널전방 예측방법을 제안하였다. 이를 바탕으로 터널전방에 구형연약암반과 단층파쇄대가 존재하는 경우에 대하여 각각 전기장해석을 수행하여 이론식을 도출하였다. 또한 개발된 해석기법을 적용하여 터널전방에 구형연약지반과 단층파쇄대가 존재하는 경우에 대해 예제해석을 수행하였다. 해석결과는 터널 전방에 부착된 몇 개의 전극에서 측정된 암반의 저항으로부터 역함수기법을 이용하여 터널 전방에 존재하는 연약지역의 등가크기, 위치 및 성질을 정확하게 예측할 수 있음을 보여주었다. 암반에서의 전기저항 가탐심도는 터널막장의 크기, 자연전위 및 기타 전기적 신호에 의해 영향을 받음을 알 수 있었다. 제시된 해석기법은 실내시험을 통하여 검증하였다. 가로, 세로, 높이가 각각 5cm인 콘크리트 블록 1800여 개를 가지고서 3방향 절리를 가진 암반상태를 구현하였고 터널 전방에 전기전도도가 콘크리트 블록보다 상대적으로 높은 물질을 이용하여 연약지반을 구현하였다. 모델링을 통한 실험결과는 해석결과와 거의 일치함을 보여주었다.
