• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권5호
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• pp.375-393
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• 2022

본 논문은 이수식 쉴드TBM의 이수분출 안정성 및 세그먼트라이닝 부력에 대한 안정성 평가법의 제안에 대한 내용을 다루고 있다. 토피가 얇은 하·해저터널 건설을 위해 이수식 쉴드TBM 적용 시 이수분출 안정성 및 세그먼트라이닝 부력 안정성을 평가하여야 하는데 현재 적용되는 이론식은 다소 복잡함에 따라 실무적으로 계산이 불편한 문제점이 있다. 본 연구에서는 이수분출 안정성 및 세그먼트라이닝 부력 안정성 평가방법을 고찰하고 터널 계획단계에서 간편하게 이수분출 안정성과 부력 안정성을 평가하는 간편도표를 제안하였다. 또한, 강도감소법을 활용한 세그먼트라이닝에 작용하는 부력 안전율을 평가하고 이론식에 의한 부력 안전율과 비교·분석을 수행하였다. 본 연구에서 제시된 이수분출 및 부력 안정성 평가를 위한 간편도표는 하·해저터널 계획 및 설계 시 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권6호
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• pp.599-615
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• 2022

한강과 같은 하저지반을 안전하게 굴착하기 위해서는 고수압 막장면에 대응할 수 있는 이수식 쉴드 TBM 공법을 적용한다. 이수식 쉴드 TBM 공법은 지하철 프로젝트에 널리 활용되어 왔는데 도심지 지하철 공사는 지하에서 연결되기 때문에 굴착토를 대부분 전량 사토해왔으며 필터케이크(벤토나이트)도 폐기물처리를 했다. 이와 달리 도로공사는 절성토의 최적화를 위해 굴착되어 나온 토석을 외부로 반출하는 것이 아니고 대부분 성토재로 활용하는 특징이 있어 굴착토의 활용방안이 프로젝트 성공의 중요한 요소가 된다. 이수식 쉴드 TBM 공법에서 굴착토는 이수재로 사용하는 벤토나이트와 굴착된 토사, 풍화암, 연경암 등이 섞여서 배니관을 통해 이수처리플랜트로 운송되면 이수처리플랜트에서 처리과정을 거쳐 크기별로 분리 배출된다. 이러한 굴착토 중 세립질의 토사는 필터케이크와 함께 폐기되어 왔으나 그 성분에 독성이 없고 조립토와 적정 비율로 혼합하여 사용하면 성토재의 품질기준을 만족할 수 있어 그 활용방안에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구는 이수식 쉴드 TBM 공법의 굴착토의 활용에 있어 제도적·기술적 기준을 고찰하여 필터케이크와 골재를 도로공사의 성토재로 활용하는 방안을 도출하였다. 벤토나이트는 몬모릴로나이트로 구성된 점토이며 터널 원지반의 굴착토 또한 독성이 없는 상태로 이를 폐기물 처리하는 것은 사회적 비용이 낭비될 수 있기에 오히려 귀중한 자원으로 재활용하여 향후 이수식 쉴드 TBM 프로젝트를 수행하는 지하공간 개발사업에 도움이 되고자 기대한다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제18권3호
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• pp.273-282
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• 2016

본 연구에서는 기존에 제안된 8가지의 이론식과 3차원 수치해석으로 막장압을 산정하여 비교 검토하였다. 일반적으로 국내 쉴드TBM의 막장압 산정은 이론식과 경험에 따른 방법으로 검토되고 있는 실정이나 복잡한 지층조건, 특수한 지반조건을 통과하는 구간에 대해서는 수치해석을 병행하고 있다. 따라서 이론식으로 산정된 막장압과 수치해석 프로그램에서 산정되는 막장압의 상관관계를 확인하여 막장압의 신뢰성 있는 검토방법을 찾고자 하였다. 막장압 산정시 이론식과 수치해석 모두 사질토와 점성토 지반조건에서 동일하게 검토하였으며, 이론식은 기존에 제안된 식을 사용하였고 수치해석은 쉴드터널의 시공과정을 모사한 3차원 해석을 수행하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제18권1호
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• pp.61-74
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• 2016

본 논문에서는 화강풍화대를 통과하는 슬러리 TBM 굴진 중 지표 침하 및 체적손실 산정에 관한 사례 연구를 수행하였다. 터널 천단 침하 계측 결과로부터 TBM 굴진 단계별 침하 발생 경향을 분석하였고, 횡방향 지표 침하 트라프로부터 굴진 중 체적손실 및 트라프 변수를 산정하였다. 또한, 체적손실 산정 모델을 이용하여 지반 특성과 굴진 중 측정된 기계데이터가 반영된 굴진 단계별 체적손실을 산정하였으며, 이를 실제 계측 결과와 비교 분석하였다. 슬러리 TBM의 경우 대부분의 지표침하는 쉴드 본체 통과 및 뒤채움 주입 이후 발생하는 것으로 나타났고 문헌에 보고된 총 체적손실 및 트라프 곡선 형태가 확인되었다. 실제 굴진 중 체적손실은 굴진 단계별로 쉴드손실 예측값의 90%, 테일부 손실 예측값의 60% 수준으로 분석되었고, 쉴드 손실에 비해 테일부 손실의 편차가 큰 것으로 나타났다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권5호
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• pp.575-589
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• 2020

최근 국내 터널에서 지속적으로 증가하고 있는 쉴드 TBM 공법의 주된 굴착도구는 디스크 커터로 굴진과정에서 자연스럽게 마모가 발생하고 이는 TBM의 굴진효능을 현저히 저하시키기 때문에 적절한 시기에 교체하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 디스크 커터 교체 여부를 판단할 수 있는 예측 모델을 머신러닝 기법을 사용한 방법으로 제안하였다. 이를 위해 국내 기 시공된 쉴드 TBM 현장의 데이터 중 디스크 커터 소모에 상관성이 높은 굴진데이터(TBM 기계데이터, 지반정보 등)와 교체이력을 입력데이터로 사용하여 다양한 머신러닝 분류기법 중 서포트 벡터 머신, 최근접이웃 알고리즘, 의사결정트리 알고리즘을 사용하여 최적의 예측 모델을 구축하고 모델의 성능을 평가하기 위하여 분류성능평가 지표로 비교 분석하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제21권5호
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• pp.641-656
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• 2019

본 연구에서는 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine) 터널 디스크 커터의 적절한 교체 시기를 예측하기 위한 방법으로 머신러닝 기법을 사용한 방법을 제안하였으며, 이를 위해 국내 기 시공된 쉴드 TBM 현장의 데이터를 이용하여 다양한 머신러닝 알고리즘 중 SVM (Support Vector Machine)을 이용하여 예측 모델을 구축하고 그 성능을 평가하였다. 지반 조건별 디스크 커터의 마모와 높은 상관성을 갖는 TBM 기계 데이터와 디스크 커터 교체 이력을 분류하고, 이들을 SVM의 변수로 사용하여 3종류의 분류 함수를 적용하여 각각 학습을 한 후 예측을 수행한 결과, 각 지반 조건에 대해서 3종류의 SVM 분류 함수 중 전체적으로 RBF (Radial Basis Function) SVM의 예측성능이 가장 우수하며(평균적으로 80%의 정확도, 10% 오분류율), 지반 조건별로 구분 시 디스크 커터 교체 데이터의 수가 많을수록 예측 결과가 좋은 것으로 나타났다. 향후 많은 데이터를 축적하고 이를 모두 활용하여 학습모델을 지속적으로 발전시켜 나간다면 이와 같은 디스크 커터 교환주기를 예측하기 위한 머신러닝 기법의 실무 적용성이 매우 클 것으로 기대한다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제25권4호
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• pp.305-330
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• 2023

쉴드TBM 터널은 NATM 터널과 달리 라이닝이 세그먼트로 분절되어 있다. 따라서 라이닝에 동일 하중이 발생되어도 NATM 터널 라이닝과 쉴드TBM 터널 라이닝의 응력 분포가 다르게 발생된다. 쉴드TBM 터널에서 라이닝에 발생되는 응력을 분석하는 대표적 방법은 연결부를 고려하지 않는 강성일체법과 링간 이음 및 세그먼트 연결을 고려하는 2링 빔스프링 모델이 있다. 본 연구는 라이닝 분절 Segmentaion을 고려한 Break-joint Mode 해석 방법이지만 세그먼트 라이닝 연결부의 구조적 역할을 고려하지 않고 마찰력 성분인 수직강성과 전단강성 만 도입된 쉘 인터페이스 요소를 이용한 모델링을 적용하여 진동하중 발생 시 라이닝의 응력 및 변위에 대한 응답결과를 분석했다. 토압 등 정적 하중에 대해 천 정부에서 가장 큰 응력이 발생되는 강성일체법과 달리 본 연구의 해석방법에 의해 발생된 세그먼트 라이닝 응력 분포는 세그먼트 연결부가 집중된 천정부 Key 세그먼트에서 가장 작은 응력이 발생하였고 연결부를 경계로 응력의 분포가 뚜렷이 구분되었다. 그리고 정적 해석 결과는 강성일체법에 발생된 라이닝 응력이 본 연구 방법에 의해 발생된 세그먼트 라이닝의 응력에 비해 최대 7배의 큰 응력이 발생되었다. 이러한 결과는 세그먼트 연결부를 고려한 기존의 2링 빔-스프링 모델의 응력분포 양상과 일치하는 결과다. 그러나 열차 진동하중에 대한 응력값은 Break-joint Mode로 해석한 본 연구방법의 응력이 강성일체법에 비해 더 큰 응력을 발생되었다. 이는 짧은 부재들의 조합으로 이루어진 세그먼트 Ring이 원주방향으로 일체로 되어 부재의 길이가 상대적으로 더 긴 강성일체법 결과에 비해 더 작은 응력이 발생되는 정역학적 개념과 상이한 결과다. 진동하중에 대해 Break-joint Mode에서 세그먼트 라이닝에 응력이 더 크게 발생된 원인은 부재의 고유주기, 감쇠비 등 동역학적 요인의 차이보다는 열차 진동하중에 대해 라이닝에 발생되는 변위의 차이에 기인하는 것으로 판단되지만 이에 대한 증명은 추후의 과제로 남겨두었다. 본 연구 방법의 Break-joint Mode를 이용하면 정지상태의 열차 하중에 의해 발생되는 라이닝의 응력과 변위값을 비교하여 쉴드TBM 터널의 충격계수(DIF)를 비교적 간단하게 추정할 수 있다. 본 연구는 쉴드TBM 터널의 Segmentaion을 고려한 3차원 모델링으로 추후 지진파 등 다양한 하중조건의 검토를 통해 기존 해석방법 결과와 비교하여 모델링의 추가적 신뢰성을 확보할 필요가 있다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제21권5호
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• pp.675-687
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• 2019

최근 대도시에는 교통량의 증가와 높은 토지 보상비 등으로 인해 도로 확충 시 대심도 복층 터널의 필요성이 증가하고 있으며, 국내에서도 일반적인 터널보다 단면이 작고 지하에서 다른 터널과 교차하는 네트워크형 터널이 계획되고 있다. 본 연구에서는 쉴드 터널 분기부에 있어서 기존 터널과 확폭부를 연결하는 연결상세에 있어 기존의 전단면 강재 접합부 대신 휨모멘트가 크게 발생하는 연결부에만 강재를 사용하는 부분 강재-콘크리트 접합부 상세와 쉴드 터널 분기부의 확폭 구간의 해석은 3차원 거동효과를 반영하기 위해 확폭부 시종점 구간의 기둥 효과와 종방향 부재의 강성효과를 고려할 수 있는 2차원 해석모델을 검토하였다. 2차원 해석기법으로 확폭부 시종점 구간에서 종방향 부재의 강성을 횡방향 모델에서 연결부의 탄성스프링 지점으로 고려하여 종방향 부재의 강성과 시종점부의 기둥효과를 반영하는 방법을 제안하였다. 제안된 2차원 해석기법을 이용한 구조해석 결과 일정값 이상의 강성을 갖는 종방향부재를 도입하면 접합부와 박스부의 휨모멘트를 저감 시킴으로써 부분 강재-콘크리트 접합부의 구조 안전성을 확보할 수 있는 것으로 검토되었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제5권2호
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• pp.199-207
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• 2003

지반공학적인 측면에서의 터널에 대한 모델링작업은 실질적인 터널공사시 야기되는 상세거동을 재현할수 있는 터널장비의 개발로 터널굴진과정을 실질적으로 묘사하는데 있다고 볼수 있다. 최신기계정보활용기술은 즉 시공과정 및 기계제어기술등을 실험실에서 재현할 수 있도록 하였다. 그러나, 이러한 기술 등은 중력장상태에서 사용되도록 개발되어지고, 1g 또는 원심장 (Centrifuge Field) 상태의 실험에서 주로 활용되고 있다. 이에 따라 본 논문은 터널링과정에 대한 씨뮬레이션기법과 실험실에서 활용되는 쉴드터널장비의 설계기법 및 개발에 대한 연구 결과를 수록하였다. 또한 개발된 장비의 정밀성과 신뢰성을 반복적인 실험을 통하여 검증하고, 개발된 장비를 이용하여 얻은 결과와 실질적인 현장자료와 비교분석하였다.

• 한국지반공학회지:지반
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• 제29권9호
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• pp.8-12
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• 2013