계단식 터널 건설시 주변암반의 발파누적동적손상에 관한 연구

Jun 03, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1974(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

터널 굴착 중 주기적 발파 과정에서 주변 암석은 회복할 수 없는 손상 축적을 유지합니다. 안전한 터널 건설을 위해서는 발파 동적 누적암반 손상 특성을 이해하는 것이 필수적입니다. 연구에는 음파시험과 수치시뮬레이션 방법을 적용하였다. 주변암반의 손상모델로는 JH-2 모델을 채택하였다. ABAQUS 소프트웨어의 솔버간 데이터 전송 방식을 기반으로 누적 손상량을 계산하였다. 손상특성은 음파시험 결과를 종합하여 구하였다. 연구 결과에 따르면, 보호된 주변 암석 전체는 주기적인 손상 특성을 가지고 있습니다. 각 주기적 피해지역은 터널의 길이방향을 따라 깔때기 모양으로 되어 있으며, 길이는 160cm, 굴착영상의 1.07배이다. 이전 영상의 암석 손상 부위에 대한 후자의 발굴 영상의 폭파 효과는 길이가 40cm이며, 3가지 누적 손상 패턴을 가지고 있습니다. 세 가지 누적 손상 패턴을 통해 주변 암석의 추가 손상 법칙을 보다 명확하게 알 수 있으며, 후자의 발굴 영상으로부터 5~20cm 거리에서 추가 손상 정도가 가장 크다. 본 연구는 계단식 발파 건설 터널의 발파 방식과 라이닝 설계에 대한 적절한 이론적 지침을 제공할 수 있습니다.

발파 굴착은 높은 효율성과 경제적 이점으로 인해 터널 엔지니어링에 널리 사용됩니다. 폭발적인 폭발로 인한 에너지가 굴착된 암석 덩어리를 깨뜨려 던지면 필연적으로 주변 암석이 손상되어 무결성이 저하되고 기계적 특성이 저하되어 터널 건설 안전에 영향을 미칩니다. 더욱이, 예비된 주변 암석에 추가 발파 하중이 가해지면서 지속적으로 피해가 누적됩니다. 따라서 시추 및 발파 터널의 안전한 건설을 위해서는 주변 암석의 발파 누적 동적 손상 특성을 연구하는 것이 중요합니다.

암석 폭파 손상 모델은 학계에서 광범위하게 연구되었습니다. Langefors1은 폭파 피해가 폭발 응력파 전파, 반사 및 접촉에 의해 발생한다고 믿고 있습니다. 암석의 균열을 자극하고 확장시켜 기계적 특성을 저하시킵니다. 이러한 이해를 바탕으로 관련 연구자들은 GK 모델2, TCK 모델3, KUS 모델4의 세 가지 폭파 피해 모델을 개발했습니다. HAMDI5 및 LI6은 세 가지 발파 손상 모델과 수치 시뮬레이션 방법을 활용하여 발파 시 암반의 손상 변화, 측정 및 평가를 연구했습니다. 연속체 손상 역학 및 임계 인장 변형률 기준에 따라 YANG7과 LIU8은 손상 변수, 균열 밀도 및 변형률 간의 상관 관계를 종합적으로 반영할 수 있는 폭파 손상 모델을 제안했습니다.

또한 암반은 중력응력, 지각응력과 결합된 초기 현장응력으로 존재하며, 이는 폭발응력파의 전파, 암반균열의 발달, 주변암반의 손상에 큰 영향을 미치는 암반이다. 폭발성 응력파의 전파와 주변 암석 손상에 큰 영향을 미치는 중력 응력 및 지각 응력과 결합된 초기 현장 응력에서. 따라서 발파로 인한 피해를 연구할 때 현장 응력을 무시할 수 없으며, 많은 학자들이 이에 대해 연구해 왔다. 실험적 연구를 통해 HE9와 ZHANG10은 폭파 하중을 받는 균열이 주응력 방향을 따라 전파되는 경우가 많다는 사실을 발견했습니다. 또한 HE9에 대한 연구에서는 압축응력이 증가함에 따라 암석파괴대가 감소하는 것으로 나타났다. XIE11과 YI12는 수치 시뮬레이션을 통해 현장 응력 하에서 암반의 발파 손상을 연구하고 위와 동일한 균열 발생 규칙을 얻었습니다. TAO13은 현장 응력 하에서 암반의 단일 구멍 발파를 시뮬레이션하여 균열을 줄일 수 있음을 발견했습니다. 특정 터널링 프로젝트에서 RAMULU14는 신장계와 핀홀 카메라 테스트를 사용하여 순환 발파가 암석 손상에 미치는 영향을 조사했습니다. 연구 결과, 발파 지역 근처의 암석 손상은 고주파 진동에 의해 발생하고, 발파공에서 멀리 떨어진 암석 손상은 저주파 진동에 의해 발생하는 것으로 나타났습니다. LUO15는 전환 터널의 발파 굴착에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하고 그 결과를 현장 측정값과 비교했습니다. 주변암반의 누적손상을 고려한 결과 발파진동속도와 주변암반의 변형량은 측정값에 더 가까운 것으로 나타났다. 수치 시뮬레이션에서는 주변 암석의 누적 손상 효과를 고려해야 합니다.