Proposal of Tunnel Longitudinal Deformation Profile Model for Fault Zone based on Numerical Analysis and Validation using Case History Data

Abstract

터널굴착에 의해 발생되는 변형은 현장 계측을 통해 측정되며, 터널 거동을 평가 하는데 중요한 역할을 하게 된다. 터널굴착에 의한 변형은 지반조건과 굴착 및 지보방법, 보강공법 등에 따라 복잡한 거동을 나타내며, 설계단계에서 예측한 결과는 실제와 그 거동이 다르다. 터널변위는 굴착면 이전에서 발생되는 변형(Ua), 굴착면 후방의 계측기 설치 이전에 발생되는 변형(Co), 실제 계측변형(Cm)로 구분된다. 현장에서 측정되는 계측값은 Ua와 Co가 측정되지 않으므로, 이러한 선행변위가 고려되지 않는 경우 정확한 터널거동을 분석할 수 없다. 여러 학자들은 해석적인 방법으로 터널변형에 대한 모델함수를 제시하고, 현장계측 데이터에 대한 회귀분석을 통해 모델함수의 파라미터를 결정하여 변위를 예측하는 방법으로 터널변형을 분석하여 왔다. 이러한 모델함수를 이용한 방법은 굴착면 이전에 발생한 변위(Ua)를 고려하고 있지 않는 경우가 대부분이고, 선행변위를 고려하는 경우에 있어서도 암질조건이 고려되지 않고 있다. 일부 암질조건이 고려되는 모델함수는 실무적으로 활용도가 매우 낮다. 본 연구에서는 터널 굴착시 대상지반의 암질조건과 초기응력이 고려된 종방향변형곡선(LDP)의 모델함수를 수치해석적인 방법으로 제시하였다. 본 연구의 확장된 LDP는 선행변위가 포함된 전변위에 대한 모델함수이며, Hoek(1999)의 경험식을 확장한 형태로 제공된다. 모델함수의 매개변수 α, β는 RMR(Rock Mass Rating)과 암반의 초기응력의 함수로 정의되며, 매개변수는 MATLAB을 이용하여 비선형회귀분석으로 결정하였다. 터널 굴착대상 지반의 RMR과 초기응력에 대응하는 종방향변형곡선(LDP) 모델함수의 매개변수를 구할 수 있는 도표를 제시하여 실무적으로 활용할 수 있도록 하였다. 본 연구에서 제시한 확장된 LDP 모델함수의 검증을 위해 단층파쇄대가 발달한 지반조건의 터널 굴착공사 현장을 대상으로 내공변위 현장 계측 데이터를 분석하였다. 모델함수와 계측데이터는 상관계수 R2=0.715~0.977 범위로 분석되었으며, 본 연구의 모델함수는 단층파쇄대 조건에 시공되는 터널의 내공변위 거동을 분석하는데 적정하다고 판단된다. 초기 계측값을 활용하여 최종 전변위 프로파일을 예측하는 방법을 제시하였으며, 모델함수를 이용한 예측값과 실제 계측변위는 오차범위 10.2% 이내로 분석되었다. 본 연구의 모델함수와 최종 변형 예측방법은 단층파쇄대가 발달한 터널 굴착 현장의 실제 계측데이터를 이용해 검증된 것으로 터널 거동분석을 위한 기초자료로 활용가치가 충분할 것으로 판단된다.|The deformation caused by tunnel excavation is determined through field measurement, and it plays an important role in the evaluation of tunnel behavior. Tunnel deformation around the excavated face shows a complex behavior depending on the ground conditions, excavation, support, and reinforcement methods. The behavior predicted in the design stage differs from that observed in the construction stage. Tunnel deformation is categorized into Ua (deformation that occurs before the excavation face), Co (deformation that occurs before the instrument is installed behind the excavation face), and Cm(actual measured deformation). Because the preceding deformations (Ua and Co) are mostly unmeasured in the field, tunnel behavior cannot be determined accurately if these preceding deformations are not considered. Several researchers have analyzed tunnel deformation by presenting model functions for it in an analytical method and determining the parameters of the model functions through regression analysis on field measurement data to predict deformation. Most of the deformation analysis methods using the model function in previous studies do not consider the preceding deformation. Furthermore, the rock quality conditions are not considered even when the preceding deformation is Longitudinal Deformation Profile (LDP) model functions that consider rock conditions have highly marginal utility in practical terms. In this study, the model function of the longitudinal deformation profile considering the rock conditions and the initial stress of the ground to be excavated was presented by a numerical analysis method using FLAC 3D software. The expanded LDP proposed in this study is a model function for the total deformation including the preceding deformation. It is presented as an expanded form of the empirical formula of Hoek (1999). The Parameters α and β of the model function were defined as rock mass rating (RMR) and functions of the initial rock-stress. The parameters were estimated by nonlinear regression analysis using MATLAB software. The radial deformation measured during tunnel excavation in the fault zone was analyzed to verify the expanded LDP model function presented in this study. The analysis of the measured data using the model function, revealed the correlation coefficient, R2 to be 0.715-0.977. Therefore, the model function presented in this study is considered appropriate for analyzing the behavior of the tunnel's radial deformation under fault fracture zone conditions. A method of predicting the total deformation profile using the initial measured data was presented. The error of the prediction results for the final total deformation was within 10.2%. The model function and final deformation prediction method proposed in this study have been verified using data measured during tunnel excavation in fault fracture zones. These are considered to be valuable basic data for tunnel behavior analysis.