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    한국의 대심도 암반 굴착 위험도 산정을 위한 인자 분석

    Analysis of Geological Factors for Risk Assessment in Deep Rock Excavation in South Korea

    임명혁, 이하나

    Myeong Hyeok Ihm, Hana Lee

    한국의 대심도 (>40m 깊이) 터널 공사 시에 터널 붕괴 사고가 종종 일어나고 있으며, 도심지 지하공간의 얕은 심도에 인공적으로 조성된 지반에는 자연 공동뿐만 ...

    Tunnel collapse often occurs during deep underground tunneling (> 40 m depth) in South Korea. Natural cavities as well as water supply ...

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    한국의 대심도 (>40m 깊이) 터널 공사 시에 터널 붕괴 사고가 종종 일어나고 있으며, 도심지 지하공간의 얕은 심도에 인공적으로 조성된 지반에는 자연 공동뿐만 아니라 상수도관, 하수도관, 전력구 및 지하철 건설로 인한 인위적인 공동들이 복잡하게 분포되어 있다. 대심도 터널 굴착을 위해서는 이러한 다공질의 특성을 보이는 다양한 지반의 특성 및 지질구조가 지반의 안전에 미치는 영향을 이해하여야 한다. 본 연구는 국내외 사례를 바탕으로 한국의 대심도 굴착에서 암반의 위험 산정을 위한 위험 인자를 분석하였다. 연구 결과, 대심도 터널 굴착시 지반의 안정성에 영향을 주는 총 7개의 카테고리들과 총 38개의 인자들이 도출되었다. 가중치가 상대적으로 높은 인자들은 단층 및 단층점토, 차응력, 암종, 지하수 및 머드 유입, 암석의 일축압축강도, 터널 단면의 크기, 터널 상부 암반의 두께, 카르스트 및 계곡지형, 습곡, 석회암의 협재, 지하수위 변동, 터널 심도, 암맥, RQD, 절리 특성, 이방성, 암반파열(rockburst) 등으로 나타났다.


    Tunnel collapse often occurs during deep underground tunneling (> 40 m depth) in South Korea. Natural cavities as well as water supply pipes, sewer pipes, electric power cables, artificial cavities created by subway construction are complexly distributed in the artificial ground in the shallow depths of the urban area. For deep tunnel excavation, it is necessary to understand the properties of the ground which is characterized by porous elements and various geological structures, and their influence on the stability of the ground. This study analyzed geological factors for risk assessment in deep excavation in South Korea based on domestic and overseas case study. As a result, a total of 7 categories and 38 factors were derived. Factors with high weights were fault and fault clay, differential stress, rock type, groundwater and mud inrush, uniaxial compressive strength, cross-sectional area of tunnel, overburden thickness, karst and valley terrain, fold, limestone alternation, fluctuation of groundwater table, tunnel depth, dyke, RQD, joint characteristics, anisotropy, rockburst and so forth.

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    August 2021
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    수치해석을 활용한 향상된 한국형 기준 고준위방사성폐기물 처분시스템의 열-수리-역학적 복합거동 성능평가

    A Numerical Study of the Performance Assessment of Coupled Thermo-Hydro-Mechanical (THM) Processes in Improved Korean Reference Disposal System (KRS+) for High-Level Radioactive Waste

    김광일, 이창수, 김진섭

    Kwang-Il Kim, Changsoo Lee, Jin-Seop Kim

    기존의 한국형 기준 처분시스템의 처분 효율을 높인 향상된 한국형 기준 처분시스템(Improved Korean Reference Disposal System, KRS+)의 열-수리-역학적 복합거동 성능평가를 위해 ...

    A numerical study of the performance assesment of coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes in improved Korean reference disposal system (KRS+) for high-level radioactive ...

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    기존의 한국형 기준 처분시스템의 처분 효율을 높인 향상된 한국형 기준 처분시스템(Improved Korean Reference Disposal System, KRS+)의 열-수리-역학적 복합거동 성능평가를 위해 TOUGH2-MP/FLAC3D를 이용한 수치모델링 연구가 수행되었다. 사용후핵연료 처분 이후 방사성 붕괴열에 의해 처분시스템의 온도가 상승하고, 방사성 붕괴열이 빠르게 감소함에 따라 온도가 감소하여 최대 온도가 설계 기준 온도인 100℃를 넘지 않는 것으로 나타났다. 완충재의 초기 포화도는 온도 상승으로 인한 공극수의 증발로 인해 감소하였다가 주변 암반으로부터 지하수가 유입되어 처분 약 250년 후 포화 상태에 이르렀다. 암반에서는 완충재와 암반의 흡입력의 차이로 인해 암반에서 완충재로 지하수가 유입되어 처분 직후 포화도가 감소하다가 이후 원계 암반으로부터 지하수가 유입되어 포화 상태에 도달했다. 처분시스템 내 열응력과 팽윤압 발생에 의한 주변 암반의 파괴 가능성을 평가하고자 모어-쿨롱 파괴기준식과 스폴링 강도를 사용하였다. KRS+ 처분시스템의 처분공의 간격을 감소시키면서 처분시스템의 열적 거동 변화를 확인하였는데, 처분공 간격이 5.5 m 이하에서는 완충재의 설계 기준 온도를 초과하게 된다. 다만, 벤토나이트 완충재 부피의 56.1%의 온도는 90℃ 이하로 유지되었다. 본 연구에서 사용한 수치해석 기법은 향후 응력 모델, 지온 경사 및 입력 물성을 변화시킨 다양한 조건에서의 처분시스템의 THM 복합거동 성능평가에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.


    A numerical study of the performance assesment of coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes in improved Korean reference disposal system (KRS+) for high-level radioactive waste is conducted using TOUGH2-MP/FLAC3D simulator. Decay heat from high-level radioactive waste increases the temperature of the repository, and it decreases as decay heat is reduced. The maximum temperature of the repository is below a maximum temperature criterion of 100℃. Saturation of bentonite buffer adjacent to the canister is initially reduced due to pore water evaporation induced by temperature increase. Bentonite buffer is saturated 250 years after the disposal of high-level radioactive waste by inflow of groundwater from the surrounding rock mass. Initial saturation of rock mass decreases as groundwater in rock mass is moved to bentnonite buffer by suction, but rock mass is saturated after inflow of groundwater from the far-field area. Stress changes at rock mass are compared to the Mohr-Coulomb failure criterion and the spalling strength in order to investigate the potential rock failure by thermal stress and swelling pressure. Additional simulations are conducted with the reduced spacing of deposition holes. The maximum temperature of bentonite buffer exceeds 100℃ as deposition hole spacing is smaller than 5.5 m. However, temperature of about 56.1% volume of bentonite buffer is below 90℃. The methodology of numerical modeling used in this study can be applied to the performance assessment of coupled THM processes for high-level radioactive waste repositories with various input parameters and geological conditions such as site-specific stress models and geothermal gradients.

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    August 2021
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    고정밀도 정압 주입시험에 의한 경주 지역 대심도 저투수성 암반 수리특성 연구

    Hydraulic Characteristics of Deep and Low Permeable Rock Masses in Gyeongju Area by High Precision Constant Pressure Injection Test

    배성호, 김학수, 김장순, 박의섭, 조영욱, 지태구, 원경식

    SeongHo Bae, Hagsoo Kim, Jangsoon Kim, Eui Seob Park, Yeonguk Jo, Taegu Ji, Kyung-Sik Won

    2010년대 이후 고준위 방사성폐기물 심층처분, 지하 CO2 저장과 시추공 조사 기반 심지층 특성화를 대상으로 한 연구 및 실용화 프로젝트의 사회적 중요성이 ...

    Since the early 2010s, the social importance of research and practical projects targeting deep geological disposal of high-level nuclear waste, underground CO ...

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    2010년대 이후 고준위 방사성폐기물 심층처분, 지하 CO2 저장과 시추공 조사 기반 심지층 특성화를 대상으로 한 연구 및 실용화 프로젝트의 사회적 중요성이 점차 높아지고 있다. 이와 관련하여, 대심도 암반의 수리 특성에 대한 정량적이고 신뢰성있는 정보를 얻을 수 있는 현장 시험 기술의 필요성도 크게 증가하고 있다. 수년간의 연구 개발을 통해 자체 기술력으로 설계, 제작된 핵심 장치들을 기반으로 대심도 시추공 수리특성 조사 시스템(DHTS)을 독자적으로 구축하였다. 이 시스템을 사용하여 경주시 중생대 화강암과 퇴적암 지역에 위치한 심도 1 km 급 시추공 2개소에서 고정밀도 정압 주입시험을 성공적으로 수행하였다. 현장 시험에서 미세 유량 주입/조절 모듈을 사용하여 0.01 l/min 미만의 매우 낮은 유량 측정이 가능하였다. 본 논문에서는 DHTS의 주요 특성을 소개하고 대심도 저투수성 암반 환경 하에서 수행된 고정밀도 시험 결과에 대해 간단히 논의하였다.


    Since the early 2010s, the social importance of research and practical projects targeting deep geological disposal of high-level nuclear waste, underground CO2 storage and characterization of deep subsurface by borehole investigation has been increasing. In this regard, there is also a significant increase in the need for in situ test technology to obtain quantitative and reliable information on the hydraulic characteristics of deep rock mass. Through years of research and development, we have independently set up Deep borehole Hydraulic Test System (DHTS) based on the key apparatuses designed and made with our own technology. Using this system, high precision constant pressure injection tests were successfully completed at the two 1 km boreholes located in Mesozoic granite and sedimentary rock regions, Gyeongju. During the field tests, it was possible to measure very low flow rate below 0.01 l/min with micro flow rate injection/control module. In this paper, the major characteristics of DHTS are introduced and also some results obtained from the high precision field tests under the deep and low permeable rock mass environment are briefly discussed.

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    August 2021
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    입자기반 개별요소모델을 이용한 암석 균열의 수리역학 거동해석: 국제공동연구 DECOVALEX-2023 Task G (Benchmark Simulation)

    Hydro-Mechanical Modeling of Fracture Opening and Slip using Grain-Based Distinct Element Model: DECOVALEX-2023 Task G (Benchmark Simulation)

    박정욱, 박찬희, 이창수

    Jung-Wook park, Chan-Hee Park, Changsoo Lee

    본 연구에서는 입자기반 개별요소모델(grain-based distinct element model, GBDEM)을 이용하여 암석 균열의 역학적, 수리적 거동을 평가할 수 있는 수치해석기법을 제시하고 해석해와의 ...

    We proposed a numerical method to simulate the hydro-mechanical behavior of rock fracture using a grain-based distinct element model (GBDEM) in the ...

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    본 연구에서는 입자기반 개별요소모델(grain-based distinct element model, GBDEM)을 이용하여 암석 균열의 역학적, 수리적 거동을 평가할 수 있는 수치해석기법을 제시하고 해석해와의 비교를 통해 검증하였다. 이는 DECOVALEX-2023 프로젝트 Task G의 일환으로 수행된 벤치마크 모델링 연구로, Task G는 결정질 암반 내 균열의 열-수리-역학적 복합거동을 해석하기 위한 수치해석기법을 개발하는 데에 목표가 있다. 본 연구에서는 사면체 개별 입자들을 이용하여 해석모델을 생성하고 3DEC을 이용하여 입자와 접촉에서의 거동을 해석하였다. 이 과정에서 등가연속체 개념을 적용해 입자기반모델의 미시물성을 산정할 수 있는 새로운 기법을 제시하였다. 한편, 균열 경사각과 거칠기, 경계응력조건 및 압력 조건에 따른 해석을 실시하여 각 해석조건이 균열의 수직, 전단방향 거동에 미치는 영향을 살펴보았다. 해석 결과, 제안된 수치모델은 경계응력에 따른 균열의 미끄러짐(fracture slip)과 유체 압력에 따른 균열의 개방(fracture opening), 균열 경사에 따른 응력 분포, 거칠기로 인한 전단변위의 구속 등을 합리적으로 재현하고 있음을 확인하였다. 수치해석을 통해 계산된 균열의 수직방향, 전단방향 변위는 모두 해석해를 통해 계산된 값과 거의 일치하는 결과를 보였다. 본 연구의 해석모델은 Task G에 참여하는 국외 연구팀들과의 의견 교류와 워크숍을 통해 지속적으로 개선하는 한편, 향후 다양한 조건의 실내시험에 적용하여 타당성을 검증할 예정이다.


    We proposed a numerical method to simulate the hydro-mechanical behavior of rock fracture using a grain-based distinct element model (GBDEM) in the paper. As a part of DECOVALEX-2023 Task G, we verified the method via benchmarks with analytical solutions. DECOVALEX-2023 Task G aims to develop a numerical method to estimate the coupled thermo-hydro-mechanical processes within the crystalline rock fracture network. We represented the rock sample as a group of tetrahedral grains and calculated the interaction of the grains and their interfaces using 3DEC. The micro-parameters of the grains and interfaces were determined by a new methodology based on an equivalent continuum approach. In benchmark modeling, a single fracture embedded in the rock was examined for the effects of fracture inclination and roughness, the boundary stress condition and the applied pressure. The simulation results showed that the developed numerical model reasonably reproduced the fracture slip induced by boundary stress condition, the fracture opening induced by fluid injection, the stress distribution variation with fracture inclination, and the fracture roughness effect. In addition, the fracture displacements associated with the opening and slip showed good agreement with the analytical solutions. We expect the numerical model to be enhanced by continuing collaboration and interaction with other research teams of DECOVALEX-2023 Task G and validated in further study experiments.

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    August 2021
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    벤토나이트 완충재 설계 기준 온도에 따른 고효율 처분시스템 처분 간격 및 암반 조건 산정을 위한 수치해석적 연구

    A Numerical Analysis to Estimate Disposal Spacing and Rock Mass Condition for High Efficiency Repository Based on Temperature Criteria of Bentonite Buffer

    김광일, 이창수, 김진섭, 조동건

    Kwang-Il Kim, Changsoo Lee, Jin-Seop Kim, Dongkeun Cho

    본 연구에서는 열-수리-역학적 복합거동 수치해석을 활용하여 국내 고준위방사성폐기물 처분장의 완충재의 설계 기준 온도가 100℃ 및 125℃인 경우, 처분 간격에 따른 처분시스템의 ...

    This study conducts coupled thermo-hydro-mechanical numerical modeling to investigate the maximum temperature and conditions for securing mechanical stability of the high-level radioactive ...

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    본 연구에서는 열-수리-역학적 복합거동 수치해석을 활용하여 국내 고준위방사성폐기물 처분장의 완충재의 설계 기준 온도가 100℃ 및 125℃인 경우, 처분 간격에 따른 처분시스템의 최고 온도를 계산하고, 역학적 안정성을 확보하기 위한 암반의 조건을 도출하였다. 완충재의 설계 기준 온도를 현재와 같이 100℃로 유지할 때, 처분터널 간격이 40 m, 처분공 간격이 5.5 m인 경우와 처분터널 간격이 30 m, 처분공 간격이 6.5 m인 경우, 처분용기와 완충재가 접하는 점에서 최고 온도가 각각 99.4℃ 및 99.8℃로 계산되었다. 완충재의 설계 기준 온도를 125℃로 향상시킨 경우, 처분터널 간격을 30 m, 처분공 간격을 4.5 m까지 감소시켜 처분 면적을 KRS+ 기반 처분시스템 대비 55%까지 감소시킬 수 있었다. 다양한 처분 간격에 대해 암반에서의 역학적 안정성을 평가한 결과, 암반파괴가 발생하지 않기 위해서는 KRS+ 기반 처분시스템은 암반의 RMR 분류법의 Good rock에 해당하는 RMR 72.4 이상의 조건이어야 했다. 처분 간격이 감소할수록 암반의 RMR이 더 높아야 했으며, 처분터널 간격 30 m, 처분공 간격 4.5 m인 경우에는 RMR 87.3 이상이 되어야 암반의 파괴를 방지할 수 있었다. 그러나, 처분 이후 지하수 유입 시 벤토나이트 완충재 및 뒤채움재의 팽윤에 따른 구속압에 의한 암반 강도의 증가를 고려하면, 해석을 수행한 모든 처분 간격에 대해 암반의 RMR이 75 이상이면 역학적 안정성을 확보할 수 있었다.


    This study conducts coupled thermo-hydro-mechanical numerical modeling to investigate the maximum temperature and conditions for securing mechanical stability of the high-level radioactive waste repository when temperature criteria of bentonite buffer are 100℃ and 125℃, respectively. In case of temperature criterion of buffer as 100℃, the maximum temperatures at the interface between canister and buffer are calculated to be 99.4℃ and 99.8℃, respectively for a case with disposal tunnel spacing of 40 m and deposition hole spacing of 5.5 m and for the other case with disposal tunnel spacing of 30 m and deposition hole spacing of 6.5 m. In case of temperature criterion of buffer as 125℃, spacings of disposal tunnel and deposition hole could be decreased to 30 m and 4.5 m, respectively, which reduces the disposal area up to 55% compared to the disposal area of KRS+. According to analysis of mechanical stability for various disposal spacings, RMR of rock mass for KRS+ should be larger than 72.4 which belongs to good rock in RMR classification to prevent failure of rock mass. As disposal spacing is decreased, required RMR of rock mass is increased. In order to prevent failure of rock mass for a case with disposal tunnel spacing of 30 m and deposition hole spacing of 4.5 m, RMR larger than 87.3 is needed. However, mechanical stability of the repository is secured for all cases with RMR over 75 considering the enhancement of rock strength due to confining stress induced by swelling of the bentonite buffer and backfill.

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    August 2021