모델 테스트를 기반으로 한 한랭지 터널의 다양한 배수 구조물 주변의 온도장 변화

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13967(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

배수 구조물의 부적절한 배치와 저온 터널의 단열 조치가 부적절하면 작업 중 서리 형성 정도가 달라질 수 있습니다. 본 연구에서는 Hongtoushan 고속도로 터널을 예로 들어 실내 모델 시험을 통해 다양한 배치 하의 하부 배수 구조물 주변 온도장의 분포 특성을 조사했습니다. 결과는 매몰 깊이가 증가함에 따라 단면 전체의 온도 변화에 상당한 히스테리시스 현상이 있음을 나타냅니다. 주변 암석의 매설 깊이가 증가함에 따라 온도 변화에 대한 이력 현상 시간이 점차 길어집니다. 온도 변화 패턴은 3차 다항식으로 근사화될 수 있습니다. 수직구간에서는 터널깊이가 증가함에 따라 터널 하부 주변암반의 온도가 점차 상승하고 온도변화의 폭은 감소하는 모습을 보이고 있다. 중앙선 근처의 온도는 측면에 비해 상대적으로 낮으며 중앙선에서 멀어질수록 온도가 점차 증가합니다.

서부 기반 시설의 대규모 개발로 인해 지방에 건설된 터널은 지역 수요를 충족시키기에 부족해지고 있습니다. 그 결과, 터널은 더 높은 위도, 고도 및 자연 조건이 극도로 가혹한 추운 지역에 건설되고 있습니다1,2,3. 이러한 지역에 터널을 건설하면 더욱 복잡한 기후, 지질, 기계적, 기술적 과제가 발생합니다4. 또한, 극한의 날씨가 포털 구조물 및 배수 시설의 내한성과 운영 중 터널의 안전성에 미치는 영향을 고려할 필요가 있습니다. 특히, 추운 지역의 터널 건설에서는 터널 배수로의 결빙, 배수관의 동상현상 등 터널 질병을 유발하는 중요한 요인인 일련의 추위 관련 문제를 고려해야 합니다5. 해당 지역의 터널을 안전하고 효율적으로 운영하려면 이러한 문제를 해결해야 합니다.

저온 터널의 일반적인 문제로는 누수, 라이닝 균열, 동결-융해 손상 등이 있습니다6,7. 이 중 물의 누출과 동결-융해는 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 일반 터널의 건설 특성을 고려하는 것 외에도 저온 터널은 배수 시설에 대한 동해 피해라는 추가적인 문제에 직면합니다. 최근 수십 년 동안 중국은 수많은 저온 터널을 건설했습니다. 현장 조사를 통해 극도로 혹독한 기후 조건과 무리한 배수 시설 배치로 인해 고산 냉기 터널의 약 80%가 어느 정도 동해 피해를 입은 것으로 밝혀졌습니다. 이는 정상적인 작동에 영향을 미칠 뿐만 아니라 심각한 교통사고를 유발하여 향후 유지 관리 및 예방에 심각한 어려움을 초래합니다8,9,10. 예를 들어, 중국 간쑤성에 위치한 Qidaoliang 터널과 칭하이성에 위치한 Dabanshan 터널은 혹한기에 극심한 누수, 결빙, 라이닝 균열 등 다양한 질병을 겪었습니다. 배수로의 결빙은 주변 암석과 터널 라이닝 뒤의 지하수 배수에 문제를 일으키고, 주변 암석이 얼고 들뜨게 되어 터널의 정상적인 사용에 심각한 영향을 미치고 많은 양의 자산을 소모하게 됩니다11,12. 최근 일본의 통계 조사에 따르면 철도 터널의 약 30%가 어느 정도 동상 피해를 입었습니다. 일본 홋카이도 지역에서는 대형 고속도로 터널의 방수 및 배수 구조물의 동해 문제가 터널의 정상적인 이용에 심각한 영향을 미치고 있다13. 따라서 고산 추운 지역의 터널 건설 과정에서 터널 라이닝 단열 및 동파 방지 문제를 해결하고 합리적인 방수 및 배수 시스템을 구축하는 것이 터널 동파 방지에 매우 중요합니다.