It is very important to understand the constructing ground condition in detail at the design stage in order to have successful underground and long tunnel construction. Therefore, before designing an underground structure (with the tunnel representing underground structure), site investigation must be performed in order to know the conditions of the ground around the tunnel. The site investigation methods that are performed at the tunnels include conventional investigation methods, like boring, and, most recently, geophysical exploration surveys. However, these methods have limits in accurately understanding the condition of the grounds that have underground structures or deep tunnels due to limited resolution and limited ground conditions. This is because the conventional geophysical exploration methods are performed on ground surface. For this reason, the unexpected occurrence of anomalies, such as weak zones, fault zones and cavities, may cause tunnel accidents due to the collapse of tunnel face and the relaxation of tunnel ceiling. And the cases of tunnel accidents, as well as construction delays and casualties, have also been frequently reported. Therefore, the Tunnel Electrical resistivity Prospecting System (TEPS), which can accurately understand the rock conditions ahead of tunnel face and predict minutely anomalies existing ahead of tunnel face under tunnel construction, is developed to solve those problems.
TEPS consists of analytical equations, rock mass classification system, inverse programs, control systems, and measurement systems.
The analytical equations, which lead to predict anomalies existing ahead of tunnel face, can obtain electrical resistance values measured on tunnel face as the methods that performs the measurement after first performing the analysis, differently to conventional methods, in case of generating the voltage in the rock existing ahead of tunnel face. The analytical equations consists of the electrical resistance equation obtained through the electric field analysis in both the jointed rock mass and jointed rock mass with a spherical weak zone (suggested by previous study), the electrical resistance equation obtained through the electric field analysis in jointed rock mass with a platy fault zone, and the electrical resistance equation obtained through the 3D electric field analysis for field applications. The parameter study and laboratory tests show the reliability and accuracy of the electrical resistance equations that are theoretically derived.
In order to estimate the rock conditions by using electrical resistivity, the Q-system and RMR, used as the rock mass classification, are correlated with electrical resistivity. The parameters of Q-system and RMR are correlated with the electrical resistivity by using the developed analytical equations, while the If TEPS will be used with conventional site investigation, we expect that we can reliably predict the existence and characteristics of anomalies that exist ahead of tunnel face, and estimate the rock conditions. Also, we expect that TEPS will be applied in various fields after expanding its application. correlation coefficient values are deducted through the correlation relationship analysis. The more reliable relationship between electrical resistivity and rock mass classification (Q-system, RMR) are deducted using the probabilistic approach.
The inverse programs of TEPS can predict the location, size, and characteristics of anomalies that exist ahead of tunnel face by using the developed analytical equation and electrical resistance values measured in the fields. Also, the control system can control the measurement of electrical resistance values in the fields, and the measurement system is organized for measuring the electrical resistance values in the fields.
In order to confirm the reliability and applications of TEPS, field tests are performed. Through the field tests, we are able to predict the location, size and characteristics of anomalies that exist ahead of tunnel face, and verify the prediction results in comparison to the tunnel-ahead conditions and prediction results. In fields that had collapse accidents, reinforcement alternatives are suggested after predicting the size and characteristics of the collapse regions and estimating the rock conditions by using TEPS. The prediction results show that the results obtained by TEPS are more meaningful than the results obtained from site investigations. Also, the reliability and applications of TEPS are confirmed by the prediction results that are obtained from TEPS.
성공적인 지하공간 및 장대 터널을 건설하기 위해서는 설계단계에서 공사가 수행되는 주변 지역의 지질조건을 정확히 파악하는 것이 중요하다. 따라서 터널을 설계하기에 앞서 터널 주변 지반의 상태를 알아보기 위한 지반조사가 반드시 수행되어야 한다. 터널공사에서 수행되는 지반조사에서는 시추 등의 통상적인 지반조사기법과 더불어 최근에 많이 사용되는 물리탐사기법이 있다. 그러나 기존 물리탐사 기법은 터널이 시공될 부지 위에서 수행되기 때문에 부지 조건의 제약 및 탐사방법상 제한된 해상도 등으로 대심도 터널 및 지하공간 대상부지의 지반을 정밀하게 파악하는데 한계가 있다. 이러한 문제점으로 인해 터널 공사 도중 예기치 못한 이상대의 출현에 따른 굴착 직후 막장 붕괴 및 천단부의 이완 등으로 인한 터널 붕괴사고가 발생하여 공기지연 및 인명피해를 초래한 사례가 빈번히 나타나고 있다. 이를 보완하기 위해서 터널 시공 도중 터널 전방에 존재하는 이상대를 예측할 수 있고 신뢰성 있게 터널 전방 암반 상태를 파악할 수 있는 터널 전기비저항 탐사 시스템 (TEPS)을 개발하였다.
TEPS는 전기비저항을 이용하여 터널 시공 도중 터널 전방에 존재하는 이상대를 예측할 수 있는 이론식과, 전기비저항을 이용하여 암반 상태를 평가할 수 있는 시스템, 역해석 프로그램, 제어 시스템, 측정 시스템으로 구성되었다.
터널 전방에 존재하는 이상대를 예측할 수 있는 이론식은 기존의 여러 터널전방예측 기법과는 다르게, 선해석 후측정 방법으로 터널 전방에 존재하는 암반에 전압이 걸렸을 경우, 터널 막장에서 측정되는 전기저항값을 획득할 수 있다. 이론식은 기존 연구에서 제시된 절리암반에서의 전기장 해석 및 터널 전방에 구형연약대가 존재할 경우 전기장 해석을 통해 획득된 전기저항식, 터널 전방에 단층파쇄대가 존재할 경우 전기장 해석을 통해서 획득된 전기저항식, 현장 적용을 위해 3차원 전기장 해석을 통해서 획득된 전기저항식으로 구성되었다. 이론적으로 도출된 전기저항식의 신뢰성과 정확성을 검증하기 위해서 상관관계 분석 및 실내실험을 수행하여 이를 검증하였다.
전기비저항을 이용하여 암반의 상태를 평가하기 위해서, 암반을 평가하는 방법으로 가장 많이 사용되고 있는 Q-system과 RMR 분류법을 전기비저항과 상관관계를 맺었다. 개발된 이론식을 바탕으로 Q-system, RMR의 변수와 전기비저항과 상관관계를 맺고, 상관분석을 통해서 상관계수를 도출하였다. 확률론적인 방법을 통해서 보다 의미 있는 Qvalue와 전기비저항과의 관계, RMR과 전기비저항과의 관계를 도출하였다.
TEPS를 구성하는 역해석 프로그램은 현장에서 측정된 전기저항값과 개발된 이론식을 이용하여 터널 전방에 존재하는 이상대의 특징, 위치, 크기 및 암반 상태를 예측할 수 있다. 또한 TEPS를 구성하는 제어 시스템은 현장에서 전기저항값 측정을 제어할 수 있으며, 측정시스템은 현장에서 전기저항값을 측정할 수 있도록 구성하였다.
TEPS의 적용성과 신뢰성을 확인하기 위해서 현장 실험을 수행하였다. 현장 실험을 통해서, 터널 전방에 존재하는 이상대의 위치, 크기, 특징을 예측하고, 예측된 결과와 터널 전방 상태를 비교하여 예측된 결과를 증명하였다. 낙반 사고가 일어난 현장에서 TEPS를 이용하여, 낙반 사고가 일어난 지점의 크기, 특징 등을 판별하고, 암반의 상태를 평가 후 추후 보강 대안을 제시하였다. 현장실험 결과는 TEPS를 통해서 획득된 결과가 지반조사를 통해서 획득된 결과보다 더 의미 있는 결과임을 보여주었다. 또한 TEPS의 신뢰성과 적용성이 예측된 결과로부터 확인되었다.
TEPS를 기존에 수행되는 지반조사와 더불어 사용한다면, 터널 시공 도중 터널 전방에 존재하는 이상대의 존재 및 특징을 신뢰성 있게 예측하고 암반 상태를 평가할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 TEPS의 적용성 확대로 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 사료된다.
