Numerical Analysis of Tunnel and Ground Settlement Patterns During Tunnel Excavation Depending on Buildings and Terrain

Abstract

This paper deals with the numerical analysis method using GIS-based data to check the behavior of the ground and adjacent buildings according to tunnel construction, and the subsidence of the ground and tunnel lining according to the topography and the buildings. Building integrated information data and continuous numerical topographic maps, which are GIS data, were used. The terrain information and building information were combined by the Grasshopper algorithm in the 3D CAD program Rhinoceros 7, and a model for use in the finite difference program FLAC 3D 7.0 was produced using Itasca's Griddle program, a plug-in program inside Rhinoceros 7.

From the Numerical analysis, the shape of the ground settlement profile differs depending on the shape of the terrain. when the real terrain was considered, a settlement of 7-8 mm occurred in the mountainous terrain, and a settlement of 4 mm occurred in the case of flat terrain. About 6mm of subsidence occurred when the real terrain was considered in position 19, and 5mm of subsidence occurred when the flat terrain was considered.

In previous studies, applying actual topographic information and building information was difficult due to technical and temporal constraints in using it for numerical analysis. However, recently, digital twins that digitize construction sites and reality are rapidly taking place, and the results of considering the actual sites are needed. In line with this, it is thought that numerical analysis based on GIS data will produce results more similar to the actual field. In this study, it was difficult to calculate the load of the building, so the conservative value of the load of the building was used for numerical analysis. It is thought that a more realistic numerical analysis can be achieved by applying the method of calculating the load of the building in future studies. |본 논문에서는 터널 시공에 따른 지반과 인접 건물의 거동을 확인하기위해 GIS 기반의 데이터를 활용한 수치해석 방법과 지형과 건물의 유무에 따른 지반 침하와 터널 라이닝의 침하에 관한 내용을 다루었다. GIS 데이터인 연속 수치지형도와 건축행정시스템의 건축물 대장 속성정보를 바탕으로 구축한 건물 통합정보 데이터를 활용하였다. 지형정보와 건물정보는 3D CAD 프로그램인 Rhinoceros 7에 Grasshopper 알고리즘을 만들어 결합하였으며, Rhinoceros 7 내부의 Plug-in 프로그램인 Itasca의 Griddle 프로그램을 활용하여 메시를 제작하였다. 수치해석은 유한차분 프로그램인 FLAC 3D 7.0 으로 수행하였다.

수치해석의 결과에 따르면 지반 침하 양상은 지형의 모양에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났다. 실제 지형을 고려한 경우 산지 지형에서 7~8mm의 침하가 발생하였고, 평지 지형에서는 4mm의 침하가 발생하였다. 비교적 평탄한 부분의 경우에는 실제 지형을 고려하였을 때 6mm의 침하가 발생하였고, 평탄한 지형을 고려한 해석에서는 5mm의 침하가 발생하였다. 터널 굴착시 산지 지형이 터널 주변에 있는 경우 산지지형의 침하가 있는 부분이 더 많이 침하하는 것으로 보아 터널 굴착시 산악지형의 지표 침하를 주의해야할 것으로 판단된다.

기존의 연구들 에서는 실제지형정보와 건물정보를 활용하여 수치해석에 사용하는데 정보의 제한적, 기술적, 시간적 제약으로 적용이 어려웠다. 하지만 건설현장을 포함하여 현실의 데이터화 하는 디지털 트윈화가 급속도로 이루어지고 있고 이에 발맞춰 GIS 데이터를 기반으로 광역 수치해석을 진행하면 실제 현장과 더 유사한 결과를 낼 수 있을 것이라 사료4된다. 본 연구에서는 건물의 형태와 지형정보를 통합하여 수치해석 하는 방법을 사용했는데, 건물의 하중을 산정하는데 어려움이 있어 보수적인 값을 사용하였다. 향후 연구에서 건물의 하중을 산정하는 방법을 적용하면 보다 현실적인 수치해석을 할 수 있을 것으로 판단된다.