• Research Paper

    Numerical study on basal heave stability of a circular vertical shaft constructed in clay

    연약 점성토 지반에 시공되는 원형 수직구의 히빙 안정성에 대한 수치해석적 연구

    Seok-Jun Kang, Gye-Chun Cho

    강석준, 조계춘

    When vertical shafts are constructed in soft clay with low strength, there is a risk of basal heave, which causes the excavation …

    지반강도가 낮은 연약 점성토 지반을 대상으로 수직구가 시공되는 경우, 굴착면에서의 토압 불균형에 대한 지반의 지지력이 낮아 굴착면이 융기하는 히빙이 발생할 위험이 존재한다. …

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    When vertical shafts are constructed in soft clay with low strength, there is a risk of basal heave, which causes the excavation surface to heave due to the low bearing capacity of the ground against the imbalance of earth pressure at the excavation surface. Methods of deriving a safety factor have been proposed to evaluate the stability against the basal heave. However, there are limitations in that it is difficult to accurately evaluate the heave stability because many assumptions are included in the theoretical derivation. In this study, assuming that a circular vertical shaft is constructed in soft clay, the existing safety factor equation proposed through a theoretical approach was supplemented. Bearing capacity according to the shaft geometry, inhomogeneity of the soil, and the effect of soil plug were considered theoretically and applied in a previous safety factor equation. A three-dimensional numerical analysis was conducted to simulate the occurrence of basal heave and review the supplemented equation through various case studies. Several series of case studies were conducted targeting various factors affecting heave stability. It was verified that the additionally considered characteristics were properly reflected in the supplemented equation. Furthermore, the effects of each factor constituting the safety factor equation were examined using the results of the numerical analysis performed by simulating various cases. It was confirmed that considering the undrained shear strength increment according to depth had the most significant effect on the calculation of the safety factor.


    지반강도가 낮은 연약 점성토 지반을 대상으로 수직구가 시공되는 경우, 굴착면에서의 토압 불균형에 대한 지반의 지지력이 낮아 굴착면이 융기하는 히빙이 발생할 위험이 존재한다. 히빙에 대한 안정성을 평가하기 위해 안전율을 계산하는 방법들이 제안되어왔으나, 이론적인 유도 과정에서 많은 가정사항들이 포함되어 정확한 히빙 안정성 평가가 어렵다는 한계를 가진다. 본 연구에서는 선행 연구를 보완하기 위해 원형 수직구가 연약 점성토 지반에 시공되는 경우를 상정하여 굴착 형상에 따른 지반 지지력의 변화, 지반 점성토의 비균질성, 그리고 관내토의 효과에 대한 이론적 접근을 통해 기존 안전율 제안식을 보완하였다. 보완된 식의 검증과 다양한 사례 연구를 통한 히빙 안정성 검토를 위해 원형 수직구 굴착 시 발생하는 굴착면의 히빙을 3차원 수치해석으로 모사하여 안전율을 도출하였다. 수치해석 및 히빙 안전율 제안식들을 이용하여 다양한 인자의 변화에 따른 히빙 안전율의 변화를 검토한 결과, 본 연구에서 추가적으로 보완된 특성이 3차원 안전율 식 내에 적절하게 반영되었음을 확인하였다. 다양한 사례를 모사하여 수행된 수치해석 결과를 이용하여 수식을 구성하는 인자들이 히빙 안전율에 미치는 영향을 도출하였으며, 깊이에 따른 비배수 전단강도 증가의 고려 여부가 안전율 값 산정에 지배적인 영향을 미치는 것을 확인하였다.

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    31 May 2022
  • Research Paper

    A study for improvement of far-distance performance of a tunnel accident detection system by using an inverse perspective transformation

    역 원근변환 기법을 이용한 터널 영상유고시스템의 원거리 감지 성능 향상에 관한 연구

    Kyu Beom Lee, Hyu-Soung Shin

    이규범, 신휴성

    In domestic tunnels, it is mandatory to install CCTVs in tunnels longer than 200 m which are also recommended by installation of …

    국내 200 m 이상 연장의 터널에서는 CCTV 설치가 의무화되어 있으며, 터널 내 돌발 상황을 자동으로 인지한 다음 터널 관리자에게 알릴 수 있는 …

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    In domestic tunnels, it is mandatory to install CCTVs in tunnels longer than 200 m which are also recommended by installation of a CCTV-based automatic accident detection system. In general, the CCTVs in the tunnel are installed at a low height as well as near by the moving vehicles due to the spatial limitation of tunnel structure, so a severe perspective effect takes place in the distance of installed CCTV and moving vehicles. Because of this effect, conventional CCTV-based accident detection systems in tunnel are known in general to be very hard to achieve the performance in detection of unexpected accidents such as stop or reversely moving vehicles, person on the road and fires, especially far from 100 m. Therefore, in this study, the region of interest is set up and a new concept of inverse perspective transformation technique is introduced. Since moving vehicles in the transformed image is enlarged proportionally to the distance from CCTV, it is possible to achieve consistency in object detection and identification of actual speed of moving vehicles in distance. To show this aspect, two datasets in the same conditions are composed with the original and the transformed images of CCTV in tunnel, respectively. A comparison of variation of appearance speed and size of moving vehicles in distance are made. Then, the performances of the object detection in distance are compared with respect to the both trained deep-learning models. As a result, the model case with the transformed images are able to achieve consistent performance in object and accident detections in distance even by 200 m.


    국내 200 m 이상 연장의 터널에서는 CCTV 설치가 의무화되어 있으며, 터널 내 돌발 상황을 자동으로 인지한 다음 터널 관리자에게 알릴 수 있는 터널 영상유고시스템의 운영이 권고된다. 여기서 터널 내 설치된 CCTV는 터널 구조물의 공간적인 한계로 인해 낮은 높이로 설치된다. 이에 따라 이동차량과 매우 인접하므로, 이동차량과 CCTV와의 거리에 따른 원근현상이 매우 심하다. 이로 인해, 기존 터널 영상유고시스템은 터널 CCTV로부터 멀리 떨어질수록 차량의 정차 및 역주행, 보행자 출현 및 화재 발생과 같은 터널 내 유고상황을 인지하기 매우 어려우며, 100 m 이상의 거리에서는 높은 유고상황 인지 성능을 기대하기 어려운 것으로 알려져 있다. 이 문제를 해결하기 위해 관심영역 설정 및 역 원근변환(Inverse perspective transform)을 도입하였으며, 이 과정을 통해 얻은 변환영상은 먼 거리에 있는 객체의 크기가 확대된다. 이에 따라 거리에 따라 객체의 크기가 비교적 일정하게 유지되므로, 거리에 따른 객체 인식 성능과 영상에서 보이는 차량의 이동속도 또한 일관성을 유지할 수 있다. 이를 증명하기 위해 본 논문에서는 터널 CCTV의 원본영상과 변환영상을 바탕으로 동일한 조건을 가지는 데이터셋을 각각 제작 및 구성하였으며, 영상 내 차량의 실제 위치의 변화에 따른 겉보기 속도와 객체 크기를 비교하였다. 그 다음 딥러닝 객체인식 모델의 학습 및 추론을 통해 각 영상 데이터셋에 대한 거리에 따른 객체인식 성능을 비교하였다. 결과적으로 변환영상을 사용한 모델은 200 m 이상의 거리에서도 객체인식 성능과 이동 차량의 유고상황 인지 성능을 확보할 수 있음을 보였다.

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    31 May 2022
  • Research Paper

    Development and performance of inorganic thixotropic backfill for shield TBM tail voids

    무기질계 가소성 TBM 뒤채움재 개발 및 성능

    Seongwoo Lee, Jinseong Park, Yongsun Ryu, Byounghoon Choi, Hyuksang Jung

    이성우, 박진성, 유용선, 최병훈, 정혁상

    This paper contains experimental study for the development and performance of TBM backfill material with thixotropic properties. The LW backfill material is …

    본 논문에서는 가소성 특성을 지니는 TBM 뒤채움재의 개발과 성능을 연구하기 위하여 실험한 내용을 다루고 있다. 쉴드 TBM 굴진 시 배면을 충전하는 방법으로 …

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    This paper contains experimental study for the development and performance of TBM backfill material with thixotropic properties. The LW backfill material is widely applied to fill the cavity on the back side of the shield TBM excavation, but has disadvantages such as settlement caused by strength reduction, material separation by groundwater, and reduced plasticity. In this paper, laboratory tests and a model test were conducted to assess the performance of inorganic thixotropic backfill material proposed to improve these problems. The results of laboratory tests show that 1 hr-uniaxial compressive strength of ITB was 12 times higher than LW, and the rate of bleeding of 20 hr was 8.3 times lower, and the result of flow table test was more than 27 times higher. This result indicated that the inorganic thixotropic backfill material has superior properties to LW backfill in terms of strength reduction, material separation, and thixotropy. In the model experiment, a model injection device tester was manufactured and the injection performance and filling rate were verified. When material was injected in the water, it was visually checked whether material separation occurred, and it was confirmed that the filling rate was 96% or more. Comparison results with the test of LW and ITB materials was concluded that ITB can reduce the material separation by groundwater and the occurrence of tunnel cavity.


    본 논문에서는 가소성 특성을 지니는 TBM 뒤채움재의 개발과 성능을 연구하기 위하여 실험한 내용을 다루고 있다. 쉴드 TBM 굴진 시 배면을 충전하는 방법으로 현재 LW 뒤채움재를 사용해오고 있는데, LW 뒤채움재는 강도 저하로 인한 침하발생, 지하수에 의한 재료분리, 가소성 저하와 같은 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 개발한 무기질계 가소성 뒤채움재의 성능을 분석하기 위해 실내시험과 모형실험을 수행하였다. 실내시험 결과, 무기질계 가소성 뒤채움재는 LW 뒤채움재 대비 재령 1시간의 일축압축강도가 12배 이상 높게 나타났고 블리딩률은 8.3배 이상 낮게 측정되었으며 플로우 값은 27배 이상 높게 나타났다. 이러한 결과로 미루어볼 때 무기질계 가소성 뒤채움재가 강도 저하, 재료분리, 주입성면에서 LW보다 성능이 우수한 것으로 판단된다. 또한 충전 성능을 분석하기 위해 모형 주입장치 시험기를 제작하였고, 수중에서 재료분리 발생여부를 육안으로 확인하였으며, LW 뒤채움재보다 ITB의 충전율이 20% 이상 높게 나타났다. 이는 무기질계 가소성 뒤채움재가 지하수에 의한 재료분리를 방지하며, 터널의 공동 발생을 억제시킬 것으로 판단된다.

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    31 May 2022
  • Research Paper

    Numerical simulation study on applicability of electrical resistivity survey at tunnel face

    터널 굴착면에서의 전기비저항 탐사 적용성에 관한 수치해석 연구

    Myeong-Jong Yi, Nag-Young Kim, Sangrae Lee, Bumsik Hwang, Myung Jin Ha, Ki-Seog Kim, In-Ky Cho, Kang-Hyun Lee

    이명종, 김낙영, 이상래, 황범식, 하명진, 김기석, 조인기, 이강현

    Unexpected anomalies in the geotechnical investigation at design stage may cause problems during tunnel excavation. Therefore, it is important to predict the …

    설계 단계의 지반조사에서 예측되지 않은 이상대는 터널 시공 중 많은 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서 터널의 붕괴 예방을 위해 터널 시공 중 …

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    Unexpected anomalies in the geotechnical investigation at design stage may cause problems during tunnel excavation. Therefore, it is important to predict the ground condition ahead of a tunnel face during tunnel excavation in order to prevent tunnel collapse. Despite the fulfillment of an electrical resistivity survey at the tunnel face, the existing electrical resistivity survey program can produce distorted results by the limitation of tunnel modelling. In this background, this study develops a modelling program for an electrical resistivity survey considering the tunnel shape. Numerical simulation and inverse calculation were performed for the electrical resistivity survey in the tunnel using the developed program. As a result, it was proved that the developed program could predict accurately the anomalous object’s location and condition ahead of the tunnel face.


    설계 단계의 지반조사에서 예측되지 않은 이상대는 터널 시공 중 많은 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서 터널의 붕괴 예방을 위해 터널 시공 중 굴착면 전방의 지질상태를 예측하는 것은 매우 중요하다. 터널 굴착면에서 전기비저항 탐사를 하더라도, 기존의 전기비저항 탐사 프로그램들은 터널을 모델링하지 못하기 때문에 왜곡된 결과를 얻을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 터널의 형태를 고려할 수 있는 전기비저항 모델링 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램을 이용하여 터널에서 전기비저항 탐사에 대한 수치모델링 및 역산을 수행하였다. 그 결과, 굴착면 전방의 이상체의 위치 및 상태를 잘 예측하는 것으로 나타났다.

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    31 May 2022
  • Technical Paper

    Case studies related to the installation of tunnel ventilation towers

    터널 환기탑 국내 ‧ 외 설치사례연구

    Jun Kyung Park

    박준경

    Recently, the frequency of installation of ventilation towers is increasing due to the planning and construction of underground roads and long tunnel. …

    최근 국내 ‧ 외에서 지하도로 및 장대터널의 계획 및 시공으로 인해 설치 빈도가 증가하고 있는 터널 환기탑관련 설치기준에 대한 조사 및 분석, …

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    Recently, the frequency of installation of ventilation towers is increasing due to the planning and construction of underground roads and long tunnel. In this study, implications and points for improvement were considered through investigation and analysis of the installation standards related to ventilation towers in tunnels and analysis of ventilation tower installation cases in domestic and overseas tunnel case study. As a result of this study, when selecting the location and height of the ventilation tower, it is recommended to determine the final ventilation tower type through a consultation process with residents, considering the environmental impact caused by the emission of pollutants, the harmonious arrangement with the surrounding landscape, and the efficient use of the above-ground site nearby ventilation tower. In addition, from the design stage, it is judged that a detailed review of reducing the height of the ventilation tower through air quality simulation is necessary for natural harmony with the surrounding topography and to prevent civil complaints.


    최근 국내 ‧ 외에서 지하도로 및 장대터널의 계획 및 시공으로 인해 설치 빈도가 증가하고 있는 터널 환기탑관련 설치기준에 대한 조사 및 분석, 국내 및 해외의 터널에 대한 환기탑 설치사례분석을 통해 시사점 및 개선점을 고찰하였다. 검토 결과 환기탑위치 및 높이선정 시 오염물질 배출로 인한 환경영향성, 주변 경관과 조화로운 배치, 지상부지의 효율적인 활용 등을 고려하여 주민과의 협의과정 등을 통해 최종 환기탑의 형식을 확정하는 것이 합리적일 것으로 판단된다. 또한, 설계단계에서부터 주변지형과의 자연스런 조화 및 민원방지를 위해 대기질 시뮬레이션을 통한 환기탑 높이 축소 등에 대한 상세한 검토가 필요할 것으로 판단된다.

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    31 May 2022