Various tunnels and underground structures have been constructed due to the influence of the gradual urbanization. The tunneling with explosives in the urban area is avoided due to the blasting vibration and noise that can occur the civil complaint. The mechanical excavation machines whose diameter is less than 5 m has been usually employed instead of the blasting method. The site investigations such as coring and surface geophysical survey are conducted to predict the ground condition along the tunnel before construction. However, the site investigation cannot be performed in intended position owing to the deeper depth of tunnel and the pavement of the surface and they induce the inaccurate prediction of the ground condition. A sudden appearance of the anomaly which is not detected during the site investigation can occur the loss of the budget and time. Therefore, the prediction ahead of the tunnel should be conducted during the tunnel excavation. Among various tunnel ahead prediction methods, the electromagnetic method is most suitable. Previous researches with electromagnetic method still have problems such as no consideration of the electrode shape and size during the virgin ground resistivity measurement and conductive materials near the TBM. In addition, the prediction range is certainly reduced by the small diameter of the tunnel. In this dissertation, the theoretical electrical resistance and the geometric factor were derived with consideration of the shape (spherical, disc, conical and cylindrical) and size of the electrodes and they were verified with the experimental tests. The theoretical solutions for layered media were derived and verified with the experimental and numerical method. Arrangements of the electrodes were suggested to prevent the reduction of the prediction range due to the small diameter of the tunnel. Theoretical equations were derived for the arrangements with considering the change of the layers. Finally, the theoretical equations were applied on three field tests and the numerical simulations were conducted in ideal situation. Back analysis was performed with the derived equations from this dissertation.
지속적인 도시화의 영향으로 다양한 형태의 터널 및 지하구조물들이 도심지에 건설되고 있다. 도심지에서는 발파 소음 및 진동으로 인한 민원발생의 이유로 기존의 터널 굴착공법인 발파공법이 사용이 지양되고, 이를 대신하여 기계식 굴착장비인 TBM을 이용이 증가하고 있다. 국내에서 사용되는 TBM은 전력구, 통신구, 상/하수도 터널에 주로 사용되며 그 직경이 5m 이하가 대부분이다. 터널 굴착 전에는 시추 및 표면물리탐사 등의 지반조사를 통하여 터널굴착구간의 지반상태를 예측하여 터널굴착 계획을 세우게 된다. 하지만 도심지에서는 점점 더 터널의 깊이가 깊어지고 도로포장이 이루어져있어 원하는 위치에서 정확한 지반조사가 이루어지기 어렵다. 부정확한 지반조사는 터널 굴착 중 예상치 못한 지반의 등장으로 인한 경제적, 시간적 손실을 야기하며 이러한 이유로 기계식 터널굴착장비를 이용한 터널굴착 시에는 시공 도중 터널 전방의 지반상태를 예측해야 한다. 다양한 터널전방예측방법 중 전자기파를 이용한 방법이 탐사범위, 예측시간, TBM 장비 및 구조물에 미치는 영향 등을 고려하여 가장 적합한 것으로 파악되었다. 다만 기존의 방법에서는 원지반의 전기비저항 측정 시 전극의 형태 및 크기를 고려하지 못했고, TBM 주변의 전도성 물질에 대한 고려가 이루어지지 못했다. 또한 탐사 범위가 설치 전극 사이의 거리에 따라 변화하는 특성 상 TBM의 직경 감소로 인한 탐사범위 감소효과가 발생할 것이므로 이에 대한 대책 또한 필요하다. 본 학위논문에서는 원지반 측정 시 전극의 형태 및 크기에 따른 영향을 파악하기 위하여 구형, 원판형, 콘형 및 원통형 전극에 대한 전기저항 및 형상계수에 대한 수식을 개발하고 실험적으로 검증하였다. 또한 전도성 물질이 존재할 때 전도성을 가지는 층의 영향을 고려할 수 있는 수식을 개발하였고, 이에 대한 실험적, 수치해석적 검증을 수행하였다. 터널직경감소에 따른 탐사범위 감소를 방지하기 위하여 새로운 전극 배열을 제안하고, 그에 배열일 때 전방에 존재하는 이상대를 예측하는 수식을 개발하였다. 이를 실험적, 수치해석적으로 검증하였다. 마지막으로 3회의 현장실험을 수행하였고, 부족한 부분은 수치해석 방법을 통해 본 학위논문에서 개발된 수식을 검증하였다.
