• Technical Notes

    NATM 터널의 굴착면 전방 지질 평가를 위한 대구경 심발공 탐사 시스템 개발 및 적용 사례

    Development and Application of Large-diameter Cut-hole Exploration System for Assessment of the Geological Condition beyond NATM Tunnel Face

    김민성, 정진혁, 이제겸, 박민선, 박정현, 이승원

    Minseong Kim, Jinhyeok Jung, Jekyum Lee, Minsun Park, Jeonghyeon Bak, Sean Seungwon Lee

    최근 도시화가 가속화됨에 따라 지하공간 개발을 위한 굴착공사가 지속적으로 이루어지고 있으며, 암반 굴착 시 해당 구간의 지질 상태를 정확히 파악하는 것은 안전한 ...

    Recently, the development of underground space has been accelerated with rapid urbanization, and it is significantly important for safe construction to accurately ...

    + READ MORE
    최근 도시화가 가속화됨에 따라 지하공간 개발을 위한 굴착공사가 지속적으로 이루어지고 있으며, 암반 굴착 시 해당 구간의 지질 상태를 정확히 파악하는 것은 안전한 시공을 위해 매우 중요하다. 본 논문에서는 터널 발파 진동을 저감시키기 위해 대구경 무장약공을 천공하는 MSP 공법을 활용하여 굴착면 전방의 지질 특성을 파악하기 위해 천공경로 및 지반탐사 복합시스템을 개발하였다. 제안된 탐사 시스템은 NATM 터널 공사를 위해 천공된 대구경 심발공을 활용해 굴착면 전방 50 m 구간의 지질 정보를 획득할 수 있다는 큰 장점이 있다. 또한, 제안된 탐사 시스템을 현장에 적용하고 대구경 무장약공 내부를 모니터링하여 터널 굴착면 전방의 지질 상태를 평가한 사례를 소개한다.


    Recently, the development of underground space has been accelerated with rapid urbanization, and it is significantly important for safe construction to accurately understand the geological conditions of the section when excavating rocks. In this paper, a boring alignment tracking and geological exploration system have been developed to identify the geological conditions beyond the excavation face by utilizing a MSP method that bores a large empty hole to reduce blast-induced vibration. The major advantage of the proposed exploration system is that we can obtain the ground condition of 50 m ahead of the excavation face through exploration along blast cut-holes drilled for the NATM tunnel construction. In addition, we introduce several case histories regarding the assessment of the geological conditions beyond the tunnel face by monitoring the inside of large empty holes using the proposed hole exploration system.

    - COLLAPSE
    February 2021
  • Technical Notes

    LiDAR를 이용한 암반 불연속면 추출 기술의 개발 현황

    Technical Development for Extraction of Discontinuities in Rock Mass Using LiDAR

    이현우, 김병렬, 최성웅

    Hyeon-woo Lee, Byung-ryeol Kim, Sung-oong Choi

    지하 구조물 구축 시 구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 주변 암반에 대한 암반 분류가 필수적으로 수행해야 한다. 특히 암반 내에 존재하는 불연속면은 암반의 ...

    Rock mass classification for construction of underground facilities is essential to secure their stabilities. Therefore, the reliable values for rock mass classification ...

    + READ MORE
    지하 구조물 구축 시 구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 주변 암반에 대한 암반 분류가 필수적으로 수행해야 한다. 특히 암반 내에 존재하는 불연속면은 암반의 물리적, 역학적 특성에 지배적인 영향을 미치므로 암반 불연속면에 대한 정확한 정보의 획득을 통해 신뢰도 높은 암반분류값을 제시하는 것은 매우 중요한 요소이다. 이러한 암반 분류는 지금까지 대부분 수작업을 통해 수행되었다. 그러나 대규모 지질 조사와 같은 대형 조사면적에 대한 정확도의 부재, 비숙련자에 의한 암반 등급 결정값의 신뢰도 결여 등에 대한 문제점들이 항시 제기되어 왔다. 따라서 최근에 와서는 넓은 범위에 대해서도 신속하고 정확한 암반 분류를 위해 LiDAR를 이용한 암반 분류의 자동화에 대한 연구가 국내·외적으로 널리 이루어지고 있는 추세이다. 그러나 LiDAR 촬영으로 획득되는 point cloud로부터 불연속면의 정보를 분석하는 알고리즘의 특성에 따라 상이한 결과가 도출될 수 있으며, 숙련자에 의한 수작업의 결과를 완벽하게 대체하기에는 미흡한 경우가 종종 발생하고 있다. 따라서 본 연구에서는 LiDAR 촬영으로 획득한 point cloud로부터 불연속면을 추출하는 다양한 알고리즘을 설명하였으며, 이들 알고리즘을 이용하여 실제 암반 사면을 대상으로 불연속면을 추출하는 과정을 분석하였다. 본 연구에서 제시하는 다양한 알고리즘의 적용과정은 향후 LiDAR 등을 통하여 획득한 디지털 데이터로부터 암반 불연속면을 추출하는 연구에서 참고자료로 활용될 것을 기대한다.


    Rock mass classification for construction of underground facilities is essential to secure their stabilities. Therefore, the reliable values for rock mass classification from the precise information on rock discontinuities are most important factors, because rock mass discontinuities can affect exclusively on the physical and mechanical properties of rock mass. The conventional classification operation for rock mass has been usually performed by hand mapping. However, there have been many issues for its precision and reliability; for instance, in large-scale survey area for regional geological survey, or rock mass classification operation by non-professional engineers. For these reasons, automated rock mass classification using LiDAR becomes popular for obtaining the quick and precise information. But there are several suggested algorithms for analyzing the rock mass discontinuities from point cloud data by LiDAR scanning, and it is known that the different algorithm gives usually different solution. Also, it is not simple to obtain the exact same value to hand mapping. In this paper, several discontinuity extract algorithms have been explained, and their processes for extracting rock mass discontinuities have been simulated for real rock bench. The application process for several algorithms is anticipated to be a good reference for future researches on extracting rock mass discontinuities from digital point cloud data by laser scanner, such as LiDAR.

    - COLLAPSE
    February 2021
  • Case Study

    암반공학분야에 적용된 인공지능 알고리즘 분석

    An Analysis of Artificial Intelligence Algorithms Applied to Rock Engineering

    김양균

    Yangkyun Kim

    4차 산업혁명 시대의 도래에 따라 암반공학분야에서도 인공지능을 활용한 연구가 점차 증가하고 있다. 본 논문에서는 인공지능에 대한 이해와 그 활용도를 더욱 증진시키기 위하여 ...

    As the era of Industry 4.0 arrives, the researches using artificial intelligence in the field of rock engineering as well have ...

    + READ MORE
    4차 산업혁명 시대의 도래에 따라 암반공학분야에서도 인공지능을 활용한 연구가 점차 증가하고 있다. 본 논문에서는 인공지능에 대한 이해와 그 활용도를 더욱 증진시키기 위하여, 암반공학기술의 주된 적용대상인 터널, 발파, 광산과 관련된 최근의 국내외 연구 중 인공지능이 활용된 논문들에서 그 알고리즘의 종류와 적용방법을 분석하였다. 터널에서는 암반분류, TBM굴진율 및 막장전방 지질 예측, 발파에서는 암반의 파쇄도 및 비산거리, 광산에서는 폐광의 침하가능성 예측을 위해 주로 활용되고 있으며, 기계학습의 다양한 알고리즘 중 인공신경망이 압도적으로 많이 활용되고 있는 것으로 나타났다. 연구결과의 정확도와 신뢰성 제고를 위해 사용하고자 하는 인공지능 알고리즘에 대한 정확하고 상세한 이해가 필수적이며, 현재는 접근이나 분석이 난해한 암반공학 분야의 다양한 문제해결을 위해 기계학습뿐 아니라 CNN 또는 RNN과 같은 딥러닝을 활용한 연구 아이디어들이 점차 증가될 것으로 기대된다.


    As the era of Industry 4.0 arrives, the researches using artificial intelligence in the field of rock engineering as well have increased. For a better understanding and availability of AI, this paper analyzed the types of algorithms and how to apply them to the research papers where AI is applied among domestic and international studies related to tunnels, blasting and mines that are major objects in which rock engineering techniques are applied. The analysis results show that the main specific fields in which AI is applied are rock mass classification and prediction of TBM advance rate as well as geological condition ahead of TBM in a tunnel field, prediction of fragmentation and flyrock in a blasting field, and the evaluation of subsidence risk in abandoned mines. Of various AI algorithms, an artificial neural network is overwhelmingly applied among investigated fields. To enhance the credibility and accuracy of a study result, an accurate and thorough understanding on AI algorithms that a researcher wants to use is essential, and it is expected that to solve various problems in the rock engineering fields which have difficulty in approaching or analyzing at present, research ideas using not only machine learning but also deep learning such as CNN or RNN will increase.

    - COLLAPSE
    February 2021
  • Original Article

    다양한 파쇄 유체별 파쇄압력, 투과도 증진 및 균열전파에 관한 실험적 연구

    Experimental Study on Fracture Pressure, Permeability Enhancement and Fracture Propagation using Different Fracture Fluids

    최준형, 이현석, 김도영, 남정헌, 이대성

    JunHyung Choi, Hyun Suk Lee, Do Young Kim, Jung Hun Nam, Dae Sung Lee

    치밀 저류층의 투과도 증진을 위해 개발된 수압파쇄 기술은 셰일가스와 같은 비전통자원과 심부지열 개발에 필수적인 기술 중 하나이다. 파쇄형태가 단순하고 파쇄효율이 좋지 않은 ...

    The hydraulic fracturing developed to improve permeability of tight reservoir is one of key stimulation technologies for developing unconventional resources such as ...

    + READ MORE
    치밀 저류층의 투과도 증진을 위해 개발된 수압파쇄 기술은 셰일가스와 같은 비전통자원과 심부지열 개발에 필수적인 기술 중 하나이다. 파쇄형태가 단순하고 파쇄효율이 좋지 않은 수압파쇄를 개선하기 위해 다양한 파쇄유체를 이용한 실험적 연구가 진행되었다. 물, N2, CO2 가스를 파쇄유체로 사용하여 치밀 암석에 대한 파쇄형태와 효율성을 분석하였다. 파쇄유체로 물을 일정 주입속도로 주입한 경우 순간적으로 압력이 상승하여 파쇄가 발생하였으나, 파쇄유체로 가스를 주입한 경우 서서히 압력이 증가되면서 물보다 낮은 파쇄압력을 보였다. 3D 단층촬영 기법을 이용하여 물과 가스 주입으로 생성된 균열을 관찰한 결과는 기존 공극부피 대비 파쇄 자극부피가 각각 5.71%(물), 12.72%(N2), 43.82%(CO2) 증가되었다. 또한 파쇄유체의 파쇄 효율성을 검정하기 위한 파쇄 전후 투과도 변화 실험에서는 가스 파쇄에 의해 증가되는 투과도 증가 값이 물을 이용한 파쇄보다 훨씬 높게 측정되었다. 파쇄 이후 인공균열의 생성과 주변응력에 의해 다시 균열이 닫히는 현상을 고려하여 생성된 인공균열에 구속압을 단계별로 증가시켜 투과도 변화를 측정하였다. 구속압이 2MPa에서 10MPa로 증가시켰을 경우 초기 투과도 대비 각각 89%(N2), 50%(CO2) 감소하였다. 본 연구는 가스파쇄기술이 수압파쇄보다 투과도 증진 효과가 크고 이후 주변 응력에 의한 투과도 감소가 적은 것으로 나타났다.


    The hydraulic fracturing developed to improve permeability of tight reservoir is one of key stimulation technologies for developing unconventional resources such as shale gas and deep geothermal energy. The experimental study was conducted to improve disadvantage of hydraulic fracturing which has simple fracture pattern and poor fracturing efficiency. The fracturing experiments was conducted for tight rock using various fracturing fluids, water, N2, and CO2 and the created fracture pattern and fracturing efficiency was analyzed depending on fracturing fluids. The borehole pressure increased rapidly and then made fractures for hydraulic fracturing with constant injection rate, however, gas fracturing shows slowly increased pressure and less fracture pressure. The 3D tomography technic was used to generate images of induced fracture using hydraulic and gas fracturing. The stimulated reservoir volume (SRV) was estimated increment of 5.71% (water), 12.72% (N2), and 43.82% (CO2) respectively compared to initial pore volume. In addition, permeability measurement was carried out before and after fracturing experiments and the enhanced permeability by gas fracturing showed higher than hydraulic fracturing. The fracture conductivity was measured by increasing confining stress to consider newly creating fracture and closing induced fracture right after fracturing. When the confining stress was increased from 2MPa to 10MPa, the initial permeability was decreased by 89% (N2) and 50% (CO2) respectively. This study shows that the gas fracturing makes more permeability enhancement and less reduction of induced fracture conductivity than hydraulic fracturing.

    - COLLAPSE
    February 2021
  • Original Article

    증기운 폭발이 인체에 미치는 영향에 대한 확률론적 평가

    Probabilistic Assesment of the Effects of Vapor Cloud Explosion on a Human Body

    윤용균, 주은혜

    Yong-Kyun Yoon, Eun-Hye Ju

    본 연구에서는 멕시코시티 외곽에 있는 프로판 저장기지인 PEMIX 터미널에서 발생한 프로판 누출에 따른 증기운 폭발을 분석하였다. 누출된 4750 kg의 프로판에 대한 TNT ...

    In this study, authors analyzed the vapor cloud explosion induced by propane leak at the PEMIX Terminal, which is the propane storage ...

    + READ MORE
    본 연구에서는 멕시코시티 외곽에 있는 프로판 저장기지인 PEMIX 터미널에서 발생한 프로판 누출에 따른 증기운 폭발을 분석하였다. 누출된 4750 kg의 프로판에 대한 TNT 등가량은 9398 kg으로 평가되었다. 폭원으로부터 40∼400 (m) 떨어진 지점에서의 최대과압, 양의 압력 지속시간, 충격량과 같은 폭발 변수를 TNT 등가법과 다중에너지법을 적용하여 구하였다. 폭발 변수들을 이용하여 구한 프로빗 함수를 적용하여 폐 손상, 고막 파열, 머리 충격, 전신 전위 충격으로 인한 손상 확률을 평가하였다. 고려한 모든 거리에서 다중에너지법을 이용하여 구한 최대과압이 TNT 등가법을 적용하여 구한 최대과압보다 큰 것으로 나타났으나, 200 m 이후 지점부터는 큰 차이가 없는 것으로 평가되었다. 다중에너지법에 의해 구해진 최대과압을 적용하여 구조물 손상 범위를 평가한 결과 폭원으로부터 100 m 이내에 있는 구조물의 경우 완전히 붕괴될 것으로 예측되고, 400 m 떨어진 구조물의 유리창도 거의 파손될 것으로 추정되었다. 폐 손상에 의한 사망 확률은 충격파 진행방향으로 위치하고 있는 인체의 자세에 따라 달라지는 것으로 나타났으며, 인체 주변에 반사면이 있는 경우 사망 확률이 가장 큰 것으로 평가되었다. 충격파가 폐 손상, 고막 파열, 머리 충격, 전신 전위 충격에 미치는 영향을 평가한 결과 전신 전위 충격 < 폐 손상 < 고막 파열 < 머리 충격 순으로 영향을 미치는 것으로 나타났다.


    In this study, authors analyzed the vapor cloud explosion induced by propane leak at the PEMIX Terminal, which is the propane storage facility outside of Mexico City. TNT equivalence mass for the leaked 4750 kg propane was estimated to be 9398 kg. Blast parameters such as peak overpressure, positive phase duration, and impact at 40–400 (m) away from the center of the explosion were calculated by applying TNT Equivalency Method and Multi-Energy Method. The probability of damage due to lung damage, eardrum rupture, head impact, and whole-body displacement impact by applying the probit function obtained using blast parameters was evaluated. The peak overpressure obtained using Multi-Energy Method was found to be greater than the peak overpressure obtained by applying the TNT Equivalency Method at all distances considered, but it was evaluated that there was no significant difference from the points above 200 m. The peak overpressure obtained by Multi-Energy Method was computed to assess the extent of damage to the structure, and it was shown that structures within 100 m of the explosion center would collapse completely, and that the glasses of the structures 400 m away would be almost broken. The probability of death due to lung damage was shown to vary depending on a human body's position located in the propagating direction of shock wave, and if there is a reflecting surface in the immediate surroundings of a human body, the probability of death was estimated to be the greatest. The impact of shock wave on lung damage, eardrum rupture, head impact, and whole-body displacement impact was evaluated and found to affect whole-body impact < lung damage < eardrum rupture < head impact in order.

    - COLLAPSE
    February 2021
  • Original Article

    삼차원 절리텐서 파라미터가 절리성 암반의 변형특성에 미치는 영향

    Effects of 3-D Fracture Tensor Parameters on Deformability of Fractured Rock Masses

    류성진, 엄정기

    Seongjin Ryu, Jeong-Gi Um

    본 연구는 삼차원 절리텐서 파라미터와 DFN(discrete fracture network) 블록의 변형특성 간의 상관성 분석을 수행하여 절리텐서의 방향성분 및 일차불변량이 절리성 암반의 변형계수 ...

    The effects of directional fracture tensor components and first invariant of fracture tensor on deformation moduli and shear moduli of fractured rock ...

    + READ MORE
    본 연구는 삼차원 절리텐서 파라미터와 DFN(discrete fracture network) 블록의 변형특성 간의 상관성 분석을 수행하여 절리텐서의 방향성분 및 일차불변량이 절리성 암반의 변형계수 및 전단탄성계수에 미치는 영향을 평가하였다. 확정적 방향성을 갖는 1~2개의 절리군을 사용하여 절리의 빈도 및 길이분포의 변화에 따라 생성한 총 224개의 DFN 블록에 대하여 절리텐서 파라미터가 산정되었다. 또한, 정육면체 DFN 블록에 대하여 개별요소법을 활용하여 서로 직교하는 세 방향으로 변형특성이 추정되었다. 절리텐서의 일차불변량이 증가할수록 변형계수 및 전단탄성계수는 대체로 저감되는 양상을 나타내지만, 감소폭이 줄어들어 일차불변량이 특정 기준값을 상회하면 변형계수 및 전단탄성계수는 거의 일정한 값을 유지하였다. 삼차원 DFN 블록에 대한 지향적 변형특성은 대응하는 방향의 절리텐서성분과 멱함수의 강한 상관관계를 도출하였다.


    The effects of directional fracture tensor components and first invariant of fracture tensor on deformation moduli and shear moduli of fractured rock masses is analyzed based on regression analysis performed between 3-D fracture tensor parameters and deformability of DFN blocks. Using one or two deterministic joint sets, a total of 224 3-D discrete fracture network (DFN) cube blocks were generated with various configurations of deterministic density and probabilistic size distribution. The fracture tensor parameters were calculated for each generated DFN systems. Also, deformability moduli with respect to three perpendicular direction of the DFN cube blocks were estimated based on distinct element method. The larger the first invariant of fracture tensor, the smaller the values for the deformability moduli of the DFN blocks. These deformability properties present an asymptotic pattern above the certain threshold. It is found that power-law function describes the relationship between the directional deformability moduli and the corresponding fracture tensor components estimated in same direction.

    - COLLAPSE
    February 2021