• Research Article

    A comparative study on the numerical analysis program by SSI analysis of a high-rise building and an adjacent underground structure

    초고층 건물과 인접지하구조물의 SSI 해석을 통한 수치해석 프로그램 비교 연구

    Kwang-Ho You

    유광호

    Recently, earthquakes have occurred throughout the entire region of Korea and seismic analysis studies have been actively conducted in various fields. SSI ...

    최근 우리나라 전 지역에서 지진이 발생하고 이에 각 분야에서의 내진해석 연구가 활발히 진행되고 있고 지반을 고려하는 SSI 해석 연구 또한 지속적으로 수행되고 ...

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    Recently, earthquakes have occurred throughout the entire region of Korea and seismic analysis studies have been actively conducted in various fields. SSI analyses studies considering ground have been carried out consistently. However, few comparative analyses have been performed on the dynamic behavior of buildings according to numerical analysis method in the case of the previous dynamic analyses considering grounds. Therefore, in this study, the dynamic analyses were performed on a high-rise building by using both a finite element program MIDAS GTS NX and a finite difference program FLAC 2D. The results were compared and analyzed each other. As a result, both the maximum compressive and tensile bending stresses of above ground and below ground part were estimated to be a little larger by MIDAS GTS NX than by FLAC 2D. However, the maximum horizontal displacement value, the horizontal displacement distribution, and the position of weak part were turned out to be similar in both analysis programs. Therefore, it can be concluded that there is no difference in using either a finite element program or a finite difference program for the convenience of a user for a dynamic analysis.


    최근 우리나라 전 지역에서 지진이 발생하고 이에 각 분야에서의 내진해석 연구가 활발히 진행되고 있고 지반을 고려하는 SSI 해석 연구 또한 지속적으로 수행되고 있다. 하지만 지반을 고려한 대부분의 기존 동적해석의 경우, 수치해석 방법에 따른 건물의 동적거동에 대한 비교 ‧ 분석이 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 초고층 건물을 대상으로 유한요소 프로그램인 MIDAS GTS NX와 유한차분 프로그램인 FLAC 2D를 사용하여 동적해석을 수행하고, 결과를 비교 ‧ 분석하고자하였다. 연구 결과, 건물 지상 및 지하부의 휨응력의 경우 최대 압축 및 인장 모두 MIDAS GTS NX가 FLAC 2D보다 다소 크게 발생하였지만, 최대 수평변위값 및 분포양상, 취약부의 위치는 유사하게 나타났다. 따라서 동적해석을 위해 사용자의 편의에 따라 유한요소법이나 유한차분법에 근거한 프로그램 중 어느 것을 사용해도 차이가 없음을 확인하였다.

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    March 2019
  • Research Article

    A ground condition prediction ahead of tunnel face utilizing time series analysis of shield TBM data in soil tunnel

    토사터널의 쉴드 TBM 데이터 시계열 분석을 통한 막장 전방 예측 연구

    Jee-Hee Jung, Byung-Kyu Kim, Heeyoung Chung, Hae-Mahn Kim, In-Mo Lee

    정지희, 김병규, 정희영, 김해만, 이인모

    This paper presents a method to predict ground types ahead of a tunnel face utilizing operational data of the earth pressure-balanced (EPB ...

    토압식(Earth Pressure-Balanced, EPB) 쉴드 TBM 기계데이터 분석을 통해 토사터널의 특징이 반영된 막장 전방 예측 방법을 제안하였다. 기존에 암반과 토사가 혼합된 복합 ...

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    This paper presents a method to predict ground types ahead of a tunnel face utilizing operational data of the earth pressure-balanced (EPB) shield tunnel boring machine (TBM) when running through soil ground. The time series analysis model which was applicable to predict the mixed ground composed of soils and rocks was modified to be applicable to soil tunnels. Using the modified model, the feasibility on the choice of the soil conditioning materials dependent upon soil types was studied. To do this, a self-organizing map (SOM) clustering was performed. Firstly, it was confirmed that the ground types should be classified based on the percentage of 35% passing through the #200 sieve. Then, the possibility of predicting the ground types by employing the modified model, in which the TBM operational data were analyzed, was studied. The efficacy of the modified model is demonstrated by its 98% accuracy in predicting ground types ten rings ahead of the tunnel face. Especially, the average prediction accuracy was approximately 93% in areas where ground type variations occur.


    토압식(Earth Pressure-Balanced, EPB) 쉴드 TBM 기계데이터 분석을 통해 토사터널의 특징이 반영된 막장 전방 예측 방법을 제안하였다. 기존에 암반과 토사가 혼합된 복합 지반의 예측에 적용하였던 시계열 분석 모델을 토사터널에 적용 가능하도록 수정하였다. 또한 수정된 모델을 사용하여, 토사 종류에 따라 쏘일 컨디셔닝 재료를 선택하는 것이 타당한지 연구하였다. 이를 위해 Self-Organizing Map (SOM) 군집화(clustering) 분석을 수행하였다. 그 결과 무엇보다도 지반 타입이 #200체 통과량 35% 기준으로 분류되어야 한다는 것을 확인하였다. 또한 TBM 기계데이터 분석을 통해 수정된 모델이 지반 타입을 예측하는데 사용될 수 있음을 확인하였다. 수정된 기준에 따라 지반 타입을 분류하고 시계열 분석을 수행하면, 10막장 전방 지반에 대해서 98%의 높은 예측 정확도를 보였으며, 이를 통해 수정된 방법의 우수성이 입증되었다. 특히 지반 타입 변화 구간에 대한 예측 정확도도 약 93%로, 10막장 전방에서 지반 타입 변화 여부를 미리 확인할 수 있게 되었다.

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    March 2019
  • Research Article

    Effect of seawater on the applicability of a slurry shield TBM

    해수가 슬러리 쉴드 TBM 공법 적용성에 미치는 영향

    Young-Moo Ryu, Hae-Mahn Kim, Do-Hyung Kim, In-Mo Lee

    유영무, 김해만, 김도형, 이인모

    Formation of filter cake with little slurry penetration into the tunnel face ground is an essential factor to successfully apply the slurry ...

    슬러리 쉴드 TBM (Slurry shield TBM) 공법에서 벤토나이트 슬러리의 침투와 필터 케이크의 형성 여부는 공법의 적용성에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 그러나 벤토나이트 ...

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    Formation of filter cake with little slurry penetration into the tunnel face ground is an essential factor to successfully apply the slurry shield tunnel boring machine (TBM) for tunnelling work. However, when the bentonite slurry is in contact with seawater, it is not easy to guarantee the filter cake formation due to decrease of the swelling volume and viscosity of the slurry. In this study, in order to evaluate the effect of the seawater on the applicability of the slurry shield TBM method, the slurry injection tests were carried out with the variation of seawater percentage contained in the slurry samples as well as the variation of soil types. And then, the effect of these two factors on the slurry clogging phenomena was theoretically and experimentally figure out. As a result, it was found that the value of the slurry clogging criteria (SCC) indicating the applicability of the slurry shield TBM significantly decreases up to 67% as the percentage of seawater increases from 0% up to 20%. In addition, it was found to be necessary to take into account both the characteristics of slurry and soil types together when judging the applicability of the slurry shield TBM method by assessing the slurry penetration characteristics that will occur during tunnelling work.


    슬러리 쉴드 TBM (Slurry shield TBM) 공법에서 벤토나이트 슬러리의 침투와 필터 케이크의 형성 여부는 공법의 적용성에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 그러나 벤토나이트 슬러리는 해수와 접촉하였을 때 팽윤성과 점도가 저하되어 공법에 대한 적용성을 확보하기 어렵다. 본 연구에서는 해수의 영향에 따른 슬러리 쉴드 TBM 공법의 적용성 변화를 평가하기 위해 슬러리의 해수 비율을 다르게 하여 주입 실험을 수행하였고 해수가 슬러리의 폐색 현상에 미치는 영향을 확인하였다. 그 결과, 해수의 비율이 0%에서 20%까지 증가할수록 폐색 효과에 의한 슬러리 쉴드 TBM 공법의 적용성을 나타내는 slurry clogging criteria (SCC)가 최대 67%까지도 감소하는 것을 확인하였다. 또한 슬러리의 물리적 성질이 동일함에도 지반 조건에 따라 SCC값이 공법 적용에 문제가 없는 수준에서 공법 적용을 위해 슬러리에 추가적인 처리를 요하는 수준으로 변화하는 것을 통해 슬러리 쉴드 TBM의 적용성을 평가할 때 슬러리의 특성뿐만 아니라 지반 조건에 대한 고려도 필요함을 입증하였다.

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    March 2019
  • Research Article

    A numerical study on the waterproofing effect of Fan Grouting under tunnel excavation

    터널 굴착 중 Fan Grouting의 차수 효과에 관한 수치해석적 연구

    Hoon-Ki Moon, Gyung-Wook Park, Hyeyoon Lee, Seok-Hun Kwon

    문훈기, 박경욱, 이혜윤, 권석훈

    Ground water generated under tunnel excavation has a major impact on tunnel construction and stability. Thus, effective waterproof grouting is needed to ...

    터널 굴착 중 발생하는 지하수는 터널 시공성 및 안정성에 중요한 영향을 끼친다. 따라서 터널의 굴착 중 발생하는 지하수의 유입을 감소시키기 위한 적절한 ...

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    Ground water generated under tunnel excavation has a major impact on tunnel construction and stability. Thus, effective waterproof grouting is needed to reduce the inflow of groundwater. Most tunnel designs are applying the Pre Grouting. However there are no propriety analysis for grouting material and waterproof effect. In this study, numerical analysis was performed in order to investigate the effect of waterproof with decrease of coefficient of permeability of the grouting area based on the case of grouting construction.


    터널 굴착 중 발생하는 지하수는 터널 시공성 및 안정성에 중요한 영향을 끼친다. 따라서 터널의 굴착 중 발생하는 지하수의 유입을 감소시키기 위한 적절한 차수그라우팅이 필요하다. 대부분 터널 설계단계에서는 Pre Grouting을 적용하고 있으나 그라우팅 재료 및 차수효과의 적정성에 대한 분석은 미미하다. 본 연구에서는 현장의 차수 그라우팅 시공사례를 분석하고, 실측된 시공자료를 바탕으로 시공개선사항 및 그라우팅 영역의 투수계수 감소를 고려한 수치해석을 통해 차수효과를 분석하였다.

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    March 2019
  • Research Article

    Theoretical and experimental studies on influence of electrode variations in electrical resistivity survey for tunnel ahead prediction

    터널 굴착면 전방조사를 위한 전기비저항 탐사에서 전극의 변화가 미치는 영향에 대한 이론 및 실험연구

    Chang-Ho Hong, Song-Hun Chong, Eun-Soo Hong, Gye-Chun Cho, Tae-Hyuk Kwon

    홍창호, 정성훈, 홍은수, 조계춘, 권태혁

    Variety of tunnel ahead prediction methods have been performed for safe tunnel construction during tunnel excavation. Pole-pole array among the electrical resistivity ...

    터널의 안정적인 시공을 위해 터널 굴진 도중 터널 전방의 이상영역을 확인할 수 있는 다양한 방법의 터널전방예측 기법들이 사용되고 있다. 터널전방예측 방법 중 ...

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    Variety of tunnel ahead prediction methods have been performed for safe tunnel construction during tunnel excavation. Pole-pole array among the electrical resistivity survey, which is one of the tunnel ahead prediction method, has been utilized to predict water-bearing sediments or weak zone located within 5 times of tunnel diameter. One of the most important processes is the estimation of virgin ground resistivity and it can be obtained from the following process: 1) calculation of contact area between the electrodes and the medium, and 2) assumption of the electrodes as equivalent spherical electrodes which have a same surface area with the electrodes. This assumption is valid in a small contact area and sufficient distance between the electrodes. Since the measured resistance, in general, varies with the electrode size, shape, and distance between the electrodes, it is necessary to evaluate the influence of these factors. In this study, theoretical equations were derived and experimental tests were conducted considering the electrode size, shape, and distance of cylindrical electrodes which is the most commonly utilized electrode shape. Through this theoretical and experimental study, it is known that one should be careful to use the assumption of the equivalent half-spherical electrode with large ratio between the penetrated depth and radius of the cylindrical electrode, as the error may get larger.


    터널의 안정적인 시공을 위해 터널 굴진 도중 터널 전방의 이상영역을 확인할 수 있는 다양한 방법의 터널전방예측 기법들이 사용되고 있다. 터널전방예측 방법 중 하나인 2전극 전기비저항 탐사(Pole-Pole array)는 터널직경 5배 이내의 함수대, 연약대 등을 확인하기 위해 자주 사용되고 있다. 2전극 전기비저항 탐사 시 가장 중요한 것 중 하나는 원지반의 전기비저항값을 유추하는 것이며, 원지반의 전기비저항은 1) 지반과 전극의 접촉면적을 계산하고, 2) 그와 동일한 표면적을 가지는 반구형으로 가정하는 과정을 거쳐 얻어진다. 이러한 가정은 지반과 전극이 접촉하는 면적이 적고 충분한 거리가 떨어져야 한다. 하지만 전극의 크기, 형태 및 전극사이의 거리에 따라 실제 측정되는 저항이 달라지므로 이에 대한 정확한 평가가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 전기비저항 탐사에서 주로 사용되는 원기둥형 전극의 크기와 전극사이의 거리에 따른 영향에 관한 이론식을 유도하고, 실험 연구를 통해 검증하였다. 이를 바탕으로 원기둥형 전극의 관입깊이가 반지름에 비해 큰 경우, 등가 반구형 전극의 가정을 사용하면 에러가 증가하므로 적용 시 주의해야 함을 확인하였다.

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    March 2019
  • Research Article

    A preliminary numerical analysis on the behaviour of tunnel under construction in fracture zone considering seismic load

    지진 하중을 고려한 단층파쇄대에서의 시공 중 터널 거동 분석에 관한 수치해석적 연구

    Dong-Wook Oh, Soon-Kyo Hong, Dae-Kon Kim, Yong-Joo Lee

    오동욱, 홍순교, 김대곤, 이용주

    Recently occurred earthquake Gyeongju and Pohang served as a momentum to remind that Korean peninsular is not a safety zone from earthquake ...

    최근 발생한 경주 및 포항지진은 한반도가 더 이상 지진으로부터 안전지대가 아님을 상기시키는 계기가 되었다. 그에 따라 내진설계에 대한 중요성이 대두되고 있으며, 설계응답스펙트럼 ...

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    Recently occurred earthquake Gyeongju and Pohang served as a momentum to remind that Korean peninsular is not a safety zone from earthquake anymore. The importance of seismic design, therefore, have been realized and researches regarding design response spectrum have been actively carried out by many researchers and engineers. Current tunnel seismic design method is conducted to check safety of tunnel structure by dynamic numerical analysis with condition of completed lining installation, so, it is impossible to consider safety of tunnel behavior under construction. In this study, therefore, dynamic numerical analysis considering seismic wave propagations has been performed after back analysis using results from field monitoring of tunnel under construction in fractured zone and 1st reinforcement (shotcrete, rockbolt) behaviour are analyzed. Waves are classified by period characteristic (short and long). As a result, the difference depending on period characteristic is minor, and increasements of displacement are obtained at crown displacement due to seismic wave is 28~31%, 14~16% at left side of tunnel in the fractured zone, 13~27% at right side of tunnel in the bed rock, respectively. In case of shotcrete axial force is increased 113~115% at tunnel crown, 102% at left side, 106~110% at right side, respectively. Displacement and axial force of rockbolts which are selected by type of anchored grounds (only fractured zone, fractured zone and bed rock, only bedrock) are analyzed, as a result, rockbolt which is anchored to fractured zone and bed rock at the same time are weaker than any other case.


    최근 발생한 경주 및 포항지진은 한반도가 더 이상 지진으로부터 안전지대가 아님을 상기시키는 계기가 되었다. 그에 따라 내진설계에 대한 중요성이 대두되고 있으며, 설계응답스펙트럼(design response spectrum)에 대한 연구 또한 많은 연구자들에 의해 활발히 이루어지고 있다. 현재 터널의 내진설계는 라이닝(Lining) 설치 완료 후 동적해석을 수행하여 안정성을 검토하는 과정으로 수행되어 시공 중에 지진 발생에 대한 고려는 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 단층파쇄대에 시공 중인 터널의 현장계측 결과를 이용하여 역해석을 수행한 후 지진파를 고려한 수치해석을 수행하여 그로 인한 1차 지보재(록볼트, 숏크리트)의 거동 특성을 분석하였다. 지진파는 주기특성에 따라 단주기와 장주기로 구분하여 적용하였다. 수치해석 결과 지진의 주기 특성에 의한 영향은 미미한 것으로 나타났으며, 터널 천단 변위(crown displacement)는 28~31%, 단층파쇄대에 접한 좌측부의 변위는 약 14~16% 증가하는 것으로 나타났다. 기반암과 접하고 있는 우측부의 경우 약 13~27%가량 증가하는 것으로 나타났다. 숏크리트의 경우, 지진하중 고려에 따라 천단부에서의 축력이 약 113~115% 증가하였으며, 단층파쇄대와 접하고 있는 좌측부의 경우 102%, 기반암과 접하고 있는 우측부의 경우 106~110%가량 증가하는 것으로 각각 나타났다. 록볼트는 천단부, 좌측부, 우측부에서 정착지반이 단층파쇄대, 단층파쇄대와 기반암, 기반암인 경우로 선정하여 변위와 축력을 분석하였으며, 단층파쇄대와 기반암에 동시에 정착되어 있는 록볼트의 변위 및 축력이 지진으로부터 가장 취약한 것으로 나타났다.

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    March 2019
  • Research Article

    Development of rapidly hardening seal material applicable to steel pipe multistage grouting

    강관다단 그라우팅에 적용하는 속경성 실링재 개발

    Hyunkang Shin, Hyuksang Jung, Donghyun Kim, Yongsun Ryu, Donghoon Kim

    신현강, 정혁상, 김동현, 유용선, 김동훈

    The development of a rapidly hardening seal material applicable to steel pipe multistage grouting is described in this paper. In the multistage ...

    본 논문에서는 강관다단 그라우팅에 적용하는 속경성 실링재 개발에 관한 실험적 내용을 다루었다. 강관다단 그라우팅 공법에서 실링재는 본 주입재의 주입시 역류를 방지하기 위해 ...

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    The development of a rapidly hardening seal material applicable to steel pipe multistage grouting is described in this paper. In the multistage technique, seal materials are inserted to prevent the backflow of main grouting material. The grouting material must be inserted only after sufficient time has passed for the seal material to reach a gel state. Otherwise, the fluid seal material mixes with the main grouting material and a backflow of the grouting material occurs, thereby making its in situ insertion difficult. Furthermore, if the seal material remains in the gel state for too long a time, it solidifies; and the main grouting material will not be able to seep into the soil. The gel time, i.e., the time needed for the fluid seal material to turn into a gel state, determines the construction period of steel pipe multistage grouting. The gel time is one of the important factors in this technique, because it impacts the total tunnel construction period significantly. This study develops a rapidly hardening calcium aluminate material, which can reduce the gel time and shorten the construction period while retaining proper sealing function. It also presents a method to determine whether the seal material has reached the gel state as well as the quality standard and bleeding rate testing method for the seal material in the gel state.


    본 논문에서는 강관다단 그라우팅에 적용하는 속경성 실링재 개발에 관한 실험적 내용을 다루었다. 강관다단 그라우팅 공법에서 실링재는 본 주입재의 주입시 역류를 방지하기 위해 주입하며 주입 후 일정시간이 지난 다음 겔화 상태에서 본 주입재를 주입해야 한다. 그러나 주입된 실링재가 겔 상태가 되기 이전 유동성이 있을 경우 본 주입재와 함께 혼합됨은 물론, 주입재의 역류가 발생되어 원지반으로 주입이 곤란하며, 반대로 너무 시간이 지나 겔화단계를 넘어 고결되었을 경우 본 주입재가 지반내로 주입되지 못하는 경우가 발생된다. 실링재의 유동성이 없어져 겔화 상태로까지 걸리는 시간에 따라 강관다단 그라우팅의 공사시간이 결정되며, 이는 전체 터널의 공사기간과 밀접한 관련이 있어 중요한 요소 중에 하나이다. 따라서 본 연구에서는 실링재 본연의 역할과 기능을 할 수 있을 뿐 아니라 공사기간을 단축시킬 수 있도록 실링재의 겔화시간을 단축시킬 수 있는 칼슘알루미네이트 재료를 개발하였고, 실링재 겔화 여부를 판단하는 방법에 대해 제시하고, 아울러 실링재의 겔 상태에서 블리딩율에 대해서도 각 품질기준과 시험방법에 대해 제안하였다.

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    March 2019