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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

손영진 (고려대학교, 高麗大學校 大學院)

지도교수
李寅模
발행연도
2016
저작권
고려대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

초록· 키워드

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Subsea tunnels, unlike a typical land tunnel, can be vulnerable to seawater intrusion caused by unpredictable high water pressure during construction, which demands a high level of ground reinforcement. A novel technique of artificial ground freezing will be a promising alternative to conventional reinforcement or water-tightening technologies because the frozen ground formation withstands such high water pressure. The artificial ground freezing is carried out by circulating refrigerant such as brine or liquid nitrogen through freeze pipes pre-installed in the target water-bearing ground formation in which pore water becomes ice leading to an impervious frozen area with sufficiently high strength. In case of freezing with brine, there is a disadvantage that the longer freezing time is needed due to the high boiling point. On the other hand, liquid nitrogen, which freezes more quickly than brine, inevitably imposes a limitation that if vaporizes into nitrogen gas and may suffocate the tunnel workers in the isolated and enclosed circumstances such as long-span subsea tunnels.
In this research, considering the characteristics of these refrigerants, liquid air that is safe, capable of rapid freezing and suitable for long-span subsea tunnels is chosen as an alternative refrigerant in the artificial ground freezing. In order to evaluate the feasibility of artificial ground freezing using liquid air, an optimum mixture ratio of liquid oxygen and liquid nitrogen was suggested and the stability of liquid air was verified in accordance with the pressure and flow rate measured from laboratory experiments.
A lab-scale freezing chamber was devised to investigate changes in the thermal and mechanical properties of sandy soil corresponding to the variation of the salinity and water pressure. The freezing time was measured with different conditions during the chamber freezing tests. Further, the thermal conductivity of the frozen soil samples was measured and used as input values for the numerical analysis.
A theoretical model of heat flow for a single freeze pipe and freeze wall was developed to compute the energy and time required for freezing and maintaining frozen status.
The freezing energy and time requirement was calculated by the theoretical model of the heat flow to estimate the total amount of refrigerant required for applying the artificial ground freezing. Then, its validity was evaluated by comparing the results between the freezing chamber experiment and the numerical analysis. In particular, the freezing time showed no significant difference between the theoretical model and the numerical analysis. The amount of refrigerant for artificial ground freezing was estimated from the numerical analysis and the freezing efficiency obtained from the chamber test. In addition, the energy ratio for maintaining frozen status was calculated by the proposed formula.
The required time to freeze a cross passage tunnel and the amount of refrigerant were estimated to provide a preliminary economic analysis through simulating the process of heat transfer during freezing the cross passage tunnel, which is an essential structure in the subsea twin tunneling.
Analyzing the amount of refrigerant associated with the application of artificial ground freezing for constructing a cross passage tunnel in a virtual design, the applicability of rapid artificial ground freezing utilizing liquid air was evaluated. When utilizing liquid air as a refrigerant, the quantity of liquid air would increase compared to the liquid nitrogen. But considering the risks for accidents related to gas leaks of liquid nitrogen and ventilation cost for a long-span tunnel, it is fairly acceptable to use liquid air as a refrigerant for artificial ground freezing.

목차

제 1 장 서론
1.1 연구배경
1.2 연구목적 및 구성
1.2.1 연구 목적
1.2.2 논문 구성
제 2 장 동결공법 터널공사 적용사례
2.1 동결공법 냉매특성비교
2.1.1 브라인
2.1.2 액화질소
2.2 액화질소 적용사례
2.2.1 DTSS(Deep Tunnel Sewerage System) 제4공구 Ang Mo Kio 터널
2.2.2 Platform tunnel of the Universita Station in subway-Line 1, Naples
2.3 브라인 적용사례
2.3.1 Westerscheled Tunnel
2.3.2 Furth Subway?Line U1 Stadthalle~Klinikum 구간
2.3.3 Oslofjord Subsea Road Tunnel
2.3.4 Bothnia Line
2.4 복합 적용사례(브라인+액화질소)
2.5 액화공기 냉매의 필요성
제 3 장 동결특성에 대한 이론적 배경
3.1 동결토의 구성 성분
3.2 간극수(물)의 동결특성
3.3 동결토의 열적 특성
3.3.1 열전도도
3.3.2 열용량
3.3.3 잠열(latent heat)
3.3.4 현열(sensible heat)
3.4 열 흐름 이론 모델
3.4.1 단일 동결관 열 흐름에 대한 이론적 모델
3.4.2 동결벽체 열 흐름에 대한 이론적 모델
제 4 장 액화공기 적용 가능성 평가
4.1 액화공기 제조 방법
4.1.1 액화공기 직접 생산 방법
4.1.2 액화질소 및 액화산소 혼합 방법
4.2 액화공기 혼합 실험장치 개념 및 구성
4.2.1 액화공기 혼합 실험장치 개념
4.2.2 액화공기 혼합 실험 목적
4.2.3 액화공기 혼합 실험 장치 설비
4.2.4 액화공기 혼합 실험 방법
4.3 액화공기 혼합 실험 결과
4.3.1 혼합 비율에 따른 대기중 산소 농도
4.3.2 압력에 따른 대기중 산소 농도
4.3.3 사용 유량에 따른 대기중 산소 농도
4.4 액화공기 제조에 대한 결과분석 및 고찰
제 5 장 간극수 염분농도 및 수압에 따른 다공질체 동결특성 평가
5.1 실내 동결 챔버 실험
5.1.1 동결 챔버 실험장치
5.1.2 시료 특성
5.1.3 시료 조성
5.1.4 동결 챔버 실험 방법
5.1.5 동결실험 조건
5.1.6 냉매별 동결 냉매 투입량 비교
5.1.7 결과 분석 및 고찰
5.2 동결토의 열전도도 평가
5.2.1 열전도도 시험장비
5.2.2 시료 조성 및 시험 방법
5.2.3 열전도도 측정 시험 결과
5.2.4 열전도도 결과 분석 및 고찰
제 6 장 동결공법의 소요 냉매량 산정
6.1 열 흐름 이론 모델에 의한 동결결과 분석
6.1.1 단일 동결관 열 흐름 이론 모델에 의한 조건별 소요 냉매량
6.1.2 단일 동결관 열 흐름 이론 모델의 결과 분석 및 고찰
6.2 동결과정 수치묘사를 통한 비교
6.2.1 동결 챔버 수치해석 경계조건 및 물성치 설정
6.2.2 동결 챔버 실험의 수치해석 결과
6.2.3 동결 챔버 실험의 수치해석 결과 분석 및 고찰
6.3 동결 챔버 실험의 동결효율 산정
6.3.1 냉매 사용량 산정
6.3.2 수치해석에 의한 에너지량 산정
6.3.3 동결효율 결과 분석 및 고찰
6.4 동결상태 유지 냉매량 산정
제 7 장 가상설계를 통한 냉매량 산정
7.1 가상설계 개요
7.2 동결벽체 열 흐름 이론 모델에 의한 동결시간 예측
7.3 횡갱(Cross Passage) 수치해석을 통한 실투입량 산정
7.3.1 횡갱 수치해석 경계조건 및 물성치 설정
7.3.2 횡갱 수치해석 결과
7.3.3 횡갱 수치해석 동결시간에 대한 분석 및 고찰
7.4 횡갱 동결공법 보강에 따른 냉매 사용량 분석
제 8 장 결론
참고문헌
Appendix A. 식 3.14 유도

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