Development of Tunnel Invert Heaving Criteria and Optimal Support Systems through FLAC2D & FLAC3D Analyses

Abstract

Tunnels have been continuously constructed to improve the metabolism of cities under limited available space in congested urban areas. As a result, tunnels are constructed even in weaker rock masses where invert heaving (IH) might occur, potentially leading to tunnel stability issues. To prevent its occurrence and ensure tunnel stability, it is necessary to accurately evaluate the possibility of IH and install effective support systems. This study proposes a new procedure, namely the invert heaving assessment method (IHAM), to evaluate the possibility of IH caused mainly by squeezing accurately. The IHAM consists of the invert heaving strain (IHS) prediction model and the intensity of the IH hazard. The IHS prediction model was developed based on 3,712 instances generated through FLAC2D parametric analysis on five independent key parameters: the uniaxial compressive strength of intact rock, geological strength index, material constant mi for intact rock, coefficient of lateral earth pressure, and tunnel depth, while the dependent variable is the IHS. Field records were applied to the IHS prediction model and IHS of each record was obtained to establish the IH hazard criteria. The proposed IHAM outperformed the best conventional squeezing prediction method, in which the F1 score was 0.73, representing an improvement of 55.3%. Therefore, IHAM is expected to estimate IH more accurately when evaluating field records. A FLAC3D analysis was performed to investigate the ideal support system for minimizing the invert heaving. To discover the ideal support system, the construction sequence of Z Tunnel, which was evaluated as Warning Level II, was modeled with FLAC3D, and the equivalent ground strength was estimated when IH occurred. The analysis revealed that an inverted arch with a curvature of 0.09 is necessary for minimizing the IH at the estimated ground strength condition. If the section is expected to occur, the IH was installed by the inverted arch with a curvature of 0.09; the additional construction cost for the curvature was only 3.6% of the loss expenses due to the IH. This is a reasonable cost considering the stability of the tunnel and the prevention of loss expenses. Therefore, an inverted arch with a curvature of 0.09 is recommended when the intensity of the IH hazard is evaluated as Warning Level II. Based on the results of this study, it is expected that an accurate evaluation of the possibility of IH and the installation of an optimal support system will minimize damages caused by the IH. |터널은 제한된 도심지 공간에서 사람들의 삶의 질적 향상을 위해 지속적으로 개발되고 있다. 최근 대한민국의 운영중인 터널 바닥부의 지반이 위로 솟아오르는 invert heaving (IH) 이 발생하여 IH으로 인한 터널 안정성 문제가 대두되었다. IH은 사람의 안전과 터널의 안정성에 위협을 가할 수 있기 때문에 터널 시공 전 IH을 예측하고 이를 억제하기 위한 지보를 설치하는 것이 중요하며 IH을 통제하기 위한 효과적인 지보시스템이 적용되어야 한다. 본 연구에서는 squeezing에 의한 IH의 발생가능성을 정확하게 예측하기 위해 invert heaving assessment method (IHAM)를 제시하였다. 이 평가기법은 invert heaving strain (IHS) 예측 모델과 IH 위험도로 구성된다. IHS 예측모델은 무결암의 일축압축강도, 지반강도정수, 무결암의 물질상수 mi, 측압계수, 터널심도를 독립변수로 활용하며 IHS을 종속변수로 갖는다. 이 모델은 수치해석 프로그램인 FLAC 2D로부터 생성된 3,712개의 인스턴스를 기반으로 한 다중비선형회귀모델이다. IH이 발생한 터널의 데이터를 개발한 예측 모델에 적용하고 IHS을 도출하여 IH 위험도 기준을 설정하였다. 새롭게 개발한 IHAM의 IH 예측에 대한 F1 score는 0.73으로 기존의 squeezing 예측 기법들과 비교했을 때 가장 높은 값을 나타냈다. 두번째로 높은 F1 score가 0.47임을 고려하면, 터널 현장에서 IH의 가능성을 예측하는데 있어 IHAM는 매우 높은 정확도로 IH을 예측하여 IH 방지에 주요한 역할을 할 것으로 기대된다. 3차원 수치해석 프로그램인 FLAC3D를 활용하여 IH을 최소화 하기 위한 지보시스템을 평가하였다. Warning Level II로 평가된 Z 터널의 시공 순서에 따라 현장을 재현하고 133 mm의 IH이 발생한 시점의 등가물성을 추정하였다. 추정한 등가물성의 지반을 대상으로 inverted arch의 곡률 0.02, 0.05, 0.07, 0.09에 따른 IH 발생량을 비교했을 때 곡률 0.09 의 적용이 필요한 것으로 분석되었다. IHAM에 의해 IH이 발생할 것으로 예상된 구간에 곡률 0.09의 inverted arch를 적용할 경우 필요한 추가 공사비용은 Z 터널에서 IH 발생에 따른 직접 손실비용의 3.6%에 불과하였다. 간접비용까지 고려한다면 해당 비율은 더 낮을 것으로 예상되며 이는 터널의 안정성을 보장하고 손실비용의 방지를 고려하면 수용할 만한 합리적인 금액으로 판단된다. 따라서, 융기 위험도가 Warning Level II 로 평가된 경우 곡률 0.09의 inverted arch 적용을 권고한다. 본 연구에서 개발한 IH 평가 기법과 최적의 지보시스템을 통해 터널 IH에 의한 손실을 최소화 할 수 있을 것으로 기대된다.