The stability of a tunnel is affected by principal elements such as inherently heterogeneous ground, primary, and auxiliary supports, and seepage forces induced by groundwater. The effects of such principal elements are more significant as the tunnel scale increases. Thus, effective evaluation and analysis methods of these influential factors are required for reliable design, safe construction, and effective operation of tunnels. This dissertation focuses on the evaluation and analysis methods of the principal elements that affect tunnel behavior.
The spatial variability of tunnel design parameters, such as geotechnical and structural properties, has a large effect on the behavior of tunnels both during and after construction, including long-term response. Interestingly, the uncertainty and spatial variation of design parameters increases with the scale of the tunnel. In order to design large, and structurally stable, tunnels, the design framework must include a quantitative investigation of design parameter variation. Literature surveys on statistical characteristics of rock have been carried out and the impacts of inherent spatial variability of geoproperties represented by COV (coefficient of variance) and correlation length on tunnels were analyzed using Monte Carlo simulation with finite difference modeling. A truncated non-Gaussian random field function is developed to aid in the simulation of the logical and effective correlated random field. Simulated random field elements are explicit in the numerical models. Strength parameters in Mohr-Coulomb and Hoek-Brown models and stiffness parameters (i.e., elastic modulus) are considered as random variables. Numerical results, normalized by deterministic cases, indicate that the tunnel excavation induced deformation increases with the variation and correlation lengths of geotechnical design parameters. Effects of heterogeneous elastic moduli on the variation of the elastic-plastic interface and the failure mechanisms around tunnels are discussed. The range of elastic-plastic interfaces increases with COV. However, as the correlation length increases, the range of elastic-plastic interface decreases. Finally, this study provides an evaluation process for the design of tunnels in heterogeneous rock.
The IE nondestructive test is applied to the shotcrete of a tunnel to investigate the bonding state with an advanced signal-processing technique known as STFT (IE-STFT). The effect of the bonding state on IE-STFT signal characteristics is obtained through numerical and experimental studies. Numerical simulation results are in good agreement with experimental test results, verifying the suggested approach. For a practical application of the IE-STFT method, various field conditions were considered including the ground type, thickness of the shotcrete, and a small- and large-scale undulating surface. Based on the numerical studies, theses effects on the IE-STFT signals were obtained. The correlation coefficient, determined between a fully bonded condition and arbitrary bonding conditions, is introduced for quantitative evaluation of shotcrete bonding conditions using IE-STFT signals. The shape of the time-frequency domain contour plot, the value of the correlation coefficient, the level of the dominant frequency, geometric damping ratio, and resonance duration can be used in the quality control of shotcrete. The bonding condition, ground stiffness and thickness of shotcrete can be inversely estimated based on the suggested evaluation maps. The field test results enhanced the reliability of the proposed evaluation map and confirmed the validity of the suggested IE-STFT method for shotcrete bonding state evaluations.
Tunnel stability is governed by the interaction of temporal and spatial behavior of pre-reinforcement. Thus, parametric study is conducted for optimal design of pre-reinforcement. The effect of pre-reinforcement is more significant as the tunnel scale increases. Longer steel pipe is more effective for the pre-reinforcement of a large scale tunnel to reduce the axial force acting on the pipe and to minimize the risk of failure and collapse. Simple and effective equivalent design parameter determination technique of pre-reinforced zone is developed for effective numerical modeling. A comparative study is carried out to verify the suggested technique (i.e., SPSS (series-parallel stiffness system): the stiffness of grout bulbs and steel pipes was coupled in parallel and then connected to the stiffness of the ground in series) using the 3D FEM simulation. Suggested equivalent model shows good agreements with the result of previous study. The derived improvement ratio can be used for the estimation of the deformation modulus of pre-reinforced zone. Analysis framework considering time-dependence of pre-reinforced zone is established. Test procedure to obtain the time-dependent stiffness and strength characteristics of pre-reinforced zone and numerical simulation process are suggested. The shear strength and the elastic wave velocities increase as the time stage increases. Shear strength and strength parameters (i.e., the cohesion and friction angle) can be uniquely correlated to elastic wave velocities. Equivalently, 2~3 days for the stiffness and strength of pre-reinforced zones is appropriate to model the time-dependent behavior of a large section tunnel. The effect of seepage force on ground reaction curve is revealed through this study. Hydraulic pressure acting on the soil-grouting interface is derived depending on the permeability ratio based on Darcy’s continuity equation. Fully mechanical-hydraulic coupled FE analysis carried out to obtain the effect of pre-grouting characteristics on ground reaction curve. As the permeability ratio decreases and the thickness of the grouted zone increases, the normalized hydraulic head acting on the soil-grouting interface increases. As the thickness of the grouted zone increases, the normalized radial displacement decreases and the normalized internal pressure decreases, and shows elastic displacement behavior. Seepage forces induced by tunnel excavation should be considered, as they can cause significant deformations if ignored in construction of a tunnel under ground water.
공간적 지반 변이성, 지보재, 그리고 지하수에 의한 침투력 등은 터널의 안정성에 영향을 미치는 주요한 요소들이다. 이러한 주요요소들의 영향 및 중요성은 터널이 대형·대단면화함에 따라 더욱 증대된다. 따라서 터널의 신뢰성 있는 설계, 안전한 시공 및 효과적인 운용을 위해서는 이러한 영향인자들에 대한 적절한 평가 및 해석 기법이 요구된다. 본 논문에서는 터널의 거동에 영향을 미치는 주요요소들에 대한 평가 및 해석기법 개발에 중점을 두어 연구를 수행하였다.
몬테카를로 기법 기반의 확률론적 수치해석을 통하여 지반공학적 물성치들의 공간적 변이 특성이 터널거동에 미치는 영향에 대하여 평가하였다. 효과적인 랜덤필드 시뮬레이션을 위해 절단 가우시안 분포함수(TnGRF)를 개발하였다. 분석결과, Mohr-Coulomb 모델에서는 탄성계수와 마찰각이, Hoek-Brown 모델에서는 GSI가 터널거동에 가장 큰 영향을 미치는 지반공학적 물성치로 평가되었으며 지반조사 및 해석 시 이에 대한 주의 깊은 결정이 요구된다. 지반공학적 물성치의 공간적 상관거리와 COV는 터널거동에 영향을 미친다. 공간적 상관거리가 증가할수록 터널에 발생하는 정규화 변위도 증가하며 그 변화의 강도도 더불어 증가한다. 지반공학적 물성치의 공간적 변이 특성이 터널 굴착 시 형성되는 탄성-소성 영역의 경계에 미치는 영향을 이론적 및 수치적으로 분석하였다. COV가 증가할수록, 공간적 상관거리가 감소할수록 탄성-소성 영역의 경계는 증가하는 것으로 나타났다. 지반공학적 물성치의 재현에 따라 파괴 메커니즘도 달라지나 연약한 지반을 따라 파괴면이 형성되는 양상은 동일하게 나타난다.
터널의 주지보재로 적용되는 숏크리트의 접착상태를 효과적으로 평가하기 위하여 충격반향기법(IE)과 STFT(Short-Time Fourier Transform) 신호처리기법을 적용하였다. 숏크리트의 접착상태에 따른 IE-STFT 신호특성을 수치해석 및 실내실험을 통하여 획득하였다. 수치해석 결과와 실험결과는 서로 잘 부합하는 것으로 나타났으며, 이를 통해 제안된 평가기법의 타당성을 검증하였다. IE-STFT의 현장적용을 위하여 다양한 현장조건을 고려하여 수치해석을 수행하였다. 특히, 지반조건, 숏크리트 두께 및 숏크리트 배면의 거칠기 등이 IE-STFT 신호 특성에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. IE-STFT 신호를 이용한 접착상태의 정량적 평가를 위해 상관계수를 도입하였다. 그리고, 숏크리트의 품질관리를 위하여 시간-주파수 영역에서의 윤곽선 형상, 상관계수, 중심주파수, 기하학적 감쇠비 및 공진 시간 등의 평가요소들이 고려된 평가 차트를 제안하였다. 제안된 평가 차트를 이용하여 숏크리트의 접착상태, 배면 지반의 강성 및 숏크리트 두께를 획득할 수 있다. 현장시험 결과는 제안된 평가 차트의 신뢰성을 높여주었으며 제안된 IE-STFT 기법의 타당성을 확증하였다.
연약대 구간 통과시 대형·대단면 터널의 안정성은 사전보강의 시간적 및 공간적 상호거동에 의해 결정된다. 우선, 사전보강의 최적설계를 위한 매개변수 분석 연구를 수행하였다. 터널이 대형화함에 따라 사전보강의 효과는 증대된다. 또한, 긴 길이의 강관이 적용되는 경우 강관에 작용하는 축력의 감소를 기대할 수 있으며 대단면 터널에서 붕괴 또는 붕락의 위험을 최소화 할 수 있는 것으로 나타났다. 사전보강의 효과적인 수치해석을 위한 등가물성치 결정기법을 제안하였다. 3차원 유한요소해석을 통해 제안된 기법(직병렬 강성 시스템)을 검증하기 위하여 비교연구를 수행하였다. 제안된 등가 물성치 결정기법은 기존의 연구결과와도 잘 부합하며 사전보강영역의 보강비 예측에도 적용될 수 있다. 또한, 사전보강의 시간의존적 거동특성을 평가할 수 있는 해석 체계를 구축하였다. 시간의존적 강성 및 강도 특성의 획득을 위한 시험절차와 이를 이용한 수치해석 절차를 제안하였다. 실내실험결과, 전단강도와 탄성파속도는 시간에 따라 증가하며, 이 두 역학적 특성은 상관성이 있는 것으로 나타났다. 수치해석결과, 사전보강영역에 재령 2~3일 강도 및 강성을 적용한 경우 경시효과를 반영한 경우와 유사한 거동을 하는 것으로 나타났다. 그리고, 침투력이 사전보강이 적용된 터널의 지반반응곡선에 미치는 영향을 연구하였다. 그라우팅과 지반과의 투수계수비에 따라 지반과 그라우팅 경계면에서 발생되는 수압을 Darcy 공식을 통하여 유도하였다. 또한 사전보강이 지반반응곡선에 미치는 영향을 분석하기 위하여 수리-역학 연계해석을 수행하였다. 투수계수비가 감소할수록, 그라우팅영역의 두께가 증가할수록, 지반과 그라우팅 경계면에 작용하는 정규화 수두는 증가한다. 그라우팅 영역의 두께가 증가할수록 방사방향 변형 및 내압은 감소하게 되며 터널은 탄성 변형거동을 하는 것으로 나타난다. 침투력은 수면 아래 시공되는 터널에서 반드시 고려되어야 할 요소이며 이에 대한 근본적인 이해와 해석이 필요하다.
