• Technical Note

    균열암반 현장 추적자 시험 수행사례 분석

    A Review of In-Situ Tracer Test in Fractured Rock

    이항복, 박정욱, 채병곤, 박 찬

    Hangbok Lee, Jung-Wook Park, Byung-Gon Chae, Chan Park

    지하 방사성폐기물 처분장에 대한 지속적인 관심에 따라 방사성 핵종의 균열암반 내 이동 및 지연 특성에 영향을 미치는 주요 매개변수를 규명하기 위한 현장 …

    Ongoing interest in deep geological repositories for high-level radioactive waste has led to the widespread implementation of in-situ tracer tests across various …

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    지하 방사성폐기물 처분장에 대한 지속적인 관심에 따라 방사성 핵종의 균열암반 내 이동 및 지연 특성에 영향을 미치는 주요 매개변수를 규명하기 위한 현장 추적자 시험이 전 세계 다양한 지하연구시설에서 센티미터에서 수백 미터 규모에 이르는 공간 규모를 대상으로 광범위하게 수행되어 왔다. 이러한 시험은 암반 매질 내에서의 용질 이동 메커니즘을 정량적으로 이해하고, 처분시스템의 장기적 안전성을 평가하는 데 필수적인 실증자료를 제공해 왔다. 현장 추적자 시험에서 획득되는 주요 관측 자료는 농도이력곡선이며, 이를 통해 핵종의 이동 및 지연 특성에 대한 정보를 추출할 수 있다. 그러나 농도이력곡선만으로 이동 및 지연에 대한 특성시간을 독립적이고 명확하게 구분하는 것은 수치적 역산의 불확실성과 복잡성으로 인해 여전히 도전적인 과제로 남아 있다. 특히, 균열암반 환경에서 방사성 핵종의 대규모 및 장기 이동 특성을 평가함에 있어, 현장 추적자 시험이 실제로 얼마나 유효하며, 어떤 해석 방법론과 연계되어야 하는지에 대해서는 여전히 다양한 논의가 진행 중이다. 본 보고에서는 고준위방사성폐기물 처분 개념의 개발을 목적으로 수행된 국내외 지하연구시설을 중심으로 현장 추적자 시험의 설계 및 수행 사례를 종합적으로 고찰하였다. 그 과정에서 각 국가에서 수행된 현장 추적자 시험을 대상으로 부지의 지질·수리지질학적 조건, 시험 목적, 시추공 배치 및 제원, 사용된 추적자 종류와 주입량, 주입·양수 유량 등 시험의 핵심 요소를 종합적으로 검토하였다. 이러한 비교·분석은 현장 추적자 시험의 설계와 해석에 영향을 미치는 주요 인자를 체계적으로 이해하는 데 목적이 있다. 본 검토 결과는 향후 국내 처분 부지 선정 과정의 상세조사 단계에서 요구되는 추적자 시험의 준비, 수행 및 해석 역량을 제고하는 데 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.


    Ongoing interest in deep geological repositories for high-level radioactive waste has led to the widespread implementation of in-situ tracer tests across various underground research facilities worldwide, targeting spatial scales ranging from centimeters to hundreds of meters. These tests have played a crucial role in identifying key parameters that influence the transport and retardation of radioactive nuclides in fractured rocks. Serving as essential empirical data, in-situ tracer tests contribute to the quantitative understanding of solute transport mechanisms in rock media and support the long-term safety assessment of disposal systems. The primary observable output of these tests is the concentration breakthrough curve, which provides insights into the transport and retention behavior of radionuclides. However, isolating and distinguishing the characteristic time-scales of transport and retardation solely from breakthrough curves remains a significant challenge due to the inherent complexity and uncertainty of numerical inversion. In particular, there remains an ongoing debate regarding the practical validity of in-situ tracer tests for evaluating large-scale and long-term radionuclide migration in fractured rock environments, and the methodological frameworks required for their interpretation. In this study, we present a comprehensive review of in-situ tracer test design and implementation cases, primarily conducted in domestic and international underground research laboratories, in the context of developing deep geological disposal concepts for high-level radioactive waste. Key information from in-situ tracer tests conducted in different countries was systematically reviewed, including site characteristics, test objectives, borehole configurations, types and injection amounts of tracers, and injection and pumping rates. This review aimed to identify the critical factors governing the design, execution, and interpretation of field tracer tests. The results are expected to contribute to improving the understanding and technical preparedness required for planning and conducting tracer tests during the detailed site investigation stage of future repository site selection in Korea.

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    30 April 2026
  • Original Article

    선형절삭시험을 이용한 암석의 포화에 따른 픽 커터 절삭특성 평가

    Influence of Water Saturation on Rock Cutting Characteristics of Pick Cutter by Linear Cutting Test

    기경민, 박민성, 주민석, 김현식, 정호영

    Gyeong-Min Ki, Minsung Park, Minseok Ju, Hyunsik Kim, Hoyoung Jeong

    본 연구는 건조 및 포화 조건에서 픽 커터의 암석 절삭특성 변화를 평가하기 위해 수행되었다. 국내 마천화강암을 대상으로 선형절삭시험을 수행하였으며, 건조 조건과 포화 …

    This study was conducted to evaluate changes in rock cutting characteristics of a pick cutter under dry and saturated conditions. Linear cutting …

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    본 연구는 건조 및 포화 조건에서 픽 커터의 암석 절삭특성 변화를 평가하기 위해 수행되었다. 국내 마천화강암을 대상으로 선형절삭시험을 수행하였으며, 건조 조건과 포화 조건으로 구분하여 관입깊이와 절삭간격-관입깊이비(s/d)를 변화시키면서 절삭하중, 비에너지, 파쇄암편의 입도분포 특성을 분석하였다. 시험 결과, 모든 조건에서 관입깊이와 s/d가 증가함에 따라 절삭하중과 수직하중이 증가하는 일반적인 경향이 확인되었다. 포화 조건의 절삭하중과 비에너지는 건조 조건 대비 전반적으로 낮게 나타났으며, 이러한 결과는 공극률이 낮은 화강암에서도 제한적 수분 침투만으로 절삭특성이 유의하게 변화할 수 있음을 시사한다. 암편의 입도분포 역시 건조 및 포화 조건에서 뚜렷한 차이를 보였으며, 포화 조건에서 암편의 전반적인 크기가 상대적으로 커지는 경향이 확인되었다.


    This study was conducted to evaluate changes in rock cutting characteristics of a pick cutter under dry and saturated conditions. Linear cutting tests were performed on Macheon granite in Korea. The tests were conducted under dry and saturated conditions by varying the depth of cut and the spacing-to-depth of cut ratio (s/d), and the cutting force, specific energy, and fragment size distribution were analyzed. The results showed a general trend of increasing cutting and normal forces with depth of cut and s/d for all conditions. The acting forces and specific energy measured under saturated conditions were consistently lower than those under dry conditions. These findings indicated that even for low-porosity granite, rock cutting characteristics can change significantly with limited water infiltration. The fragment size distribution also exhibited clear differences between dry and saturated conditions, indicating a relative shift toward coarser fragments under saturated conditions.

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    30 April 2026
  • Original Article

    일정 응력속도 시험에서 임계하 균열성장 지수의 통계적 변동성 분석 및 오차 전파법을 이용한 최소 시편수 산정

    Statistical Variability Analysis of Subcritical Crack Growth Index in Constant Stress-Rate Testing and Minimum Specimen Number Estimation Using Propagation-of-Error Method

    고태영

    Tae Young Ko

    일정 응력속도 시험(constant stress-rate test)에서 임계하 균열성장 지수 n의 통계적 변동성은 n, 응력속도당 시편 수 N, 응력속도 배치 계수 CR, …

    In constant stress-rate testing, the statistical variability of the subcritical crack growth index (n) is governed by four parameters: the expected index …

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    일정 응력속도 시험(constant stress-rate test)에서 임계하 균열성장 지수 n의 통계적 변동성은 n, 응력속도당 시편 수 N, 응력속도 배치 계수 CR, 재료의 와이블 계수 m의 네 가지 인자에 의해 결정된다. 기존 연구는 이러한 상관관계를 규명하기 위해 몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션에 주로 의존하였으며, 실험 설계 단계에서 선제적으로 활용할 수 있는 해석적 수식을 제시하지 못했다. 이에 본 연구에서는 오차 전파법(propagation-of-error method)을 적용하여 변동계수 CV(n)를 n, m, N, CR을 입력으로 하는 해석적 관계식을 유도하고, 이를 역산하여 목표 정밀도를 달성하는 최소 시편수 산정식을 도출하였다. 유도된 해석적 관계식의 타당성을 검증하기 위해, 코코니노 사암(Coconino sandstone)의 홈이 파인 디스크(GD) 시편을 이용한 일정 응력속도 시험 결과(응력속도당 N=40, m=9.07, n=37.0)를 바탕으로 1,000회의 부트스트랩(bootstrap) 재추출 결과와 내부적 교차 비교를 수행하였다. 도출된 산정식의 예측값은 N = 10에서는 부트스트랩 결과를 약간 과소추정하였으나, N ≥ 13 구간부터는 보수적인 추정을 보였다. ASTM C1368의 3자릿수 응력속도 범위 하에서 CV(n) ≤ 30%를 달성하기 위한 최소 시편수는 응력속도당 13개로 산출되었으며, 이는 강도 산포가 적은 세라믹 재료를 기준으로 권고된 10개보다 더 엄격한 기준이다. 또한, 부트스트랩 분석 결과 시편 수가 적을수록 n의 확률밀도함수가 강한 양의 비대칭성(right-skewed)을 나타내나, 시편 수가 증가할수록 정규분포에 근접함이 확인되었다. 4개 실험 응력속도(0.01, 0.1, 1, 10 MPa/s)에 대한 서브셋 분석 결과, ASTM이 권고하는 4개 응력속도 시험의 적용이 현실적으로 제한될 경우, 양 끝단의 두 응력속도(0.01 및 10 MPa/s)만을 조합하더라도 CR의 90%를 유지하며 추정 편향을 최소화(+1.5%)하여 기존 방식에 준하는 정밀도를 확보할 수 있음이 입증되었다. 반면, 인접한 두 응력속도만 조합할 경우 막대한 추정 오차가 발생하므로(본 자료 기준 최대 108%), 실험 설계 시 이를 반드시 피해야 한다. 본 연구에서 제시된 산정식은 와이블 분포를 따르는 취성 재료 전반에 이론적으로 적용할 수 있으나, 본 연구에서의 실증적 검증은 코코니노 사암에 국한되었다.


    In constant stress-rate testing, the statistical variability of the subcritical crack growth index (n) is governed by four parameters: the expected index n, the number of specimens per stress rate (N), the stress-rate layout coefficient (CR), and the Weibull modulus (m). While previous studies have relied on Monte Carlo simulations to characterize this variability, a practical analytical solution for pre-test design has been lacking. This study employs the propagation-of-error method to derive an analytical expression for the coefficient of variation, CV(n), which is subsequently inverted to propose a minimum-specimen-number estimation formula. The proposed analytical model was validated against bootstrap resampling (1,000 iterations) using experimental data from Coconino sandstone grooved-disc specimens (N = 40 per stress rate, m = 9.07, n = 37.0). While the estimation formula slightly underestimates the bootstrap results at N = 10, it yields conservative and safe-side estimates for N ≥ 13. According to the derived estimation formula, achieving a target CV(n) ≤ 30% under the standard ASTM C1368 three-decade stress-rate range requires at least 13 specimens per stress rate for Coconino sandstone, compared to the 10-specimen minimum established for ceramics with higher Weibull moduli. Bootstrap analysis further indicates that the distribution of n is strongly right-skewed at small sample sizes but approaches normality as N increases. Furthermore, a subset analysis of the four experimental stress rates (0.01, 0.1, 1, and 10 MPa/s) demonstrates that when the full four-rate protocol is impractical, utilizing only the extremum rates (0.01 and 10 MPa/s) retains 90% of the layout coefficient. This alternative yields a minimal n-estimate bias of +1.5% and attains a comparable level of precision by using 15 specimens per stress rate to meet the CV ≤ 30% criterion. Conversely, relying solely on adjacent stress rates introduces severe estimation biases (up to 108% in the present dataset) and must be avoided. While theoretically applicable to any brittle material conforming to a Weibull distribution, the empirical validation of the proposed estimation formula is currently limited to Coconino sandstone.

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    30 April 2026
  • Original Article

    희소 축정렬 베이지안 최적화를 이용한 다중 암반 물성 역해석 기법

    Multi-Parameter Back Analysis of Rock Mass Properties Using Sparse Axis-Aligned Bayesian Optimization (SAASBO)

    이동건, 장수호, 이기준, 강태호, 송기일, 김기윤, 최순욱

    Dong-Gun Lee, Soo-Ho Chang, Gi-Jun Lee, Tae-Ho Kang, Ki-Il Song, Gi-Yun Kim, Soon-Wook Choi

    지하공간의 안정성 평가는 실제 암반 물성의 불확실성에 크게 좌우되므로, 계측응답을 이용한 신뢰성 높은 역해석 기법이 요구된다. 그러나 기존 역해석 기법은 다중 물성을 …

    The stability of underground structures is highly dependent on the uncertainty of in-situ rock mass properties, making reliable back analysis based on …

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    지하공간의 안정성 평가는 실제 암반 물성의 불확실성에 크게 좌우되므로, 계측응답을 이용한 신뢰성 높은 역해석 기법이 요구된다. 그러나 기존 역해석 기법은 다중 물성을 동시에 추정하는 고차원 문제에서 계산 비용 증가와 국부해 수렴 등의 한계를 가진다. 본 연구에서는 희소 축정렬 베이지안 최적화(SAASBO)를 이용한 다중 암반 물성 역해석 기법을 제안하였다. 제안 기법은 계측응답과 수치해석 결과의 오차를 최소화하도록 다수의 암반 물성을 동시에 추정하는 방식으로 구성하였다. 적용 결과, 9개 물성에 대한 역해석에서 SAASBO는 기존 기법 대비 가장 빠른 수렴 특성과 가장 낮은 추정 오차를 나타내었으며, 계측응답 재현성 또한 우수한 것으로 확인되었다. 이는 SAASBO가 고차원 다변수 역해석 문제에서 탐색 효율과 추정 정확도를 동시에 확보할 수 있음을 보여준다. 따라서 본 기법은 심부 암반의 물성 추정 및 안정성 평가를 위한 효과적인 역해석 방법으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.


    The stability of underground structures is highly dependent on the uncertainty of in-situ rock mass properties, making reliable back analysis based on monitored responses essential. However, conventional back-analysis methods often encounter difficulties in high-dimensional problems involving the simultaneous estimation of multiple parameters, including excessive computational cost and premature convergence to local optima. To address these limitations, this study proposes a multi-parameter back-analysis method using Sparse Axis-Aligned Bayesian Optimization (SAASBO). The proposed approach estimates multiple rock mass properties simultaneously by minimizing the discrepancy between monitored responses and numerical analysis results. In the case of inverse analysis with nine parameters, SAASBO showed the fastest convergence and the lowest estimation error among the compared optimization methods, and it provided the best reproduction of the target responses. The results demonstrate that SAASBO can efficiently identify influential variables in a high-dimensional parameter space and achieve stable and accurate parameter estimation with a limited number of numerical evaluations. Therefore, the proposed method can be considered an effective and practical framework for multi-parameter back analysis in deep rock engineering applications.

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    30 April 2026
  • Original Article

    선형절삭시험에 의한 구속응력이 픽 커터 절삭 거동에 미치는 영향

    Effect of Confining Stress on Pick Cutter Cutting Performance Based on Linear Cutting Tests

    주민석, 윤강민, 김현식, 정호영

    Min-Seok Ju, Kang-Min Yoon, Hyun-Sik Kim, Hoyoung Jeong

    최근 고심도 지하공간 개발 수요가 증가함에 따라, 실제 심부 암반의 구속응력 조건을 반영한 기계식 굴착 메커니즘에 대한 이해가 중요해지고 있다. 로드헤더는 자유단면 …

    Recent demand for deep underground space development has increased the importance of understanding mechanical excavation mechanisms that reflect the confining stress conditions …

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    최근 고심도 지하공간 개발 수요가 증가함에 따라, 실제 심부 암반의 구속응력 조건을 반영한 기계식 굴착 메커니즘에 대한 이해가 중요해지고 있다. 로드헤더는 자유단면 굴착이 가능한 대표 장비이지만, 주요 절삭 도구인 픽 커터의 구속응력 조건에서의 절삭 특성에 관한 연구는 제한적이다. 특히 기존 연구는 주로 TBM 디스크커터를 대상으로 수행되어, 절삭 원리와 파쇄 메커니즘이 상이한 픽 커터에 직접 적용하기 어렵다. 본 연구에서는 구속응력 조건에서 로드헤더 픽 커터를 이용한 선형절삭시험을 수행하여, 구속압(0, 5, 15 MPa)과 압입깊이(3, 5, 7 mm)에 따른 절삭 특성을 규명하였다. 평균 및 최대 수직하중과 절삭하중, 하중비, 비에너지를 분석하였고, 절삭 칩의 체거름 시험을 통해 누적 통과율 곡선과 균등계수(Cu), 곡률계수(Cc)를 산정하여 입도 특성을 평가하였다. 연구 결과는 구속응력 조건을 고려한 로드헤더 픽 커터의 절삭력 및 파쇄 특성을 실험적으로 제시하며, 고심도 지하공간 개발을 위한 기계식 굴착 공법의 설계 및 운전조건 최적화와 로드헤더 성능 예측 모델 고도화를 위한 기초자료로 활용될 수 있다.


    Recent demand for deep underground space development has increased the importance of understanding mechanical excavation mechanisms that reflect the confining stress conditions of deep rock masses. Although the roadheader is a representative excavation machine capable of free-face excavation, studies on the cutting characteristics of its primary cutting tool, the pick cutter, under confining stress conditions remain limited. In particular, previous studies have mainly focused on TBM disc cutters, making direct application to pick cutters difficult because of differences in cutting principles and rock fragmentation mechanisms. In this study, linear cutting tests were conducted using a roadheader pick cutter under confining stress conditions to investigate cutting characteristics according to confining pressure (0, 5, and 15 MPa) and penetration depth (3, 5, and 7 mm). Average and peak normal and cutting forces, force ratios, and specific energy were analyzed. In addition, sieve analysis of the generated chips was performed to obtain cumulative passing curves and to determine the uniformity coefficient (Cu) and coefficient of curvature (Cc), thereby evaluating particle size distribution characteristics. The results experimentally present the cutting and fragmentation characteristics of roadheader pick cutters under confining stress conditions and provide fundamental data for the design and operational optimization of mechanical excavation methods and for improving performance prediction models for roadheaders in deep underground construction.

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    30 April 2026