[논문]터널 굴착시 인접구조물의 침하억제를 위한 마이크로파일의 두부조건 및 설치영역에 따른 효과

임종철; 박이근; 오명렬

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 도심지 토사지반에 건설되는 얕은 토층(도심지 공사에서 가장 많이 직면할 수 있는 토피고 2D(D : 터널 직경) 이내인 터널)을 상정하고, 터널 노선상에 지상 구조물이 존재할 경우, 구조물의 침하 억제 방법 및 부등침하 억제, 또한 구조물로 인해 터널에 발생하는 응력을 모형실험을 통하여 분석하였다.
모형실험의 결과를 지표면 침하 및 터널에 작용하는 2방향의 응력에 대해서 정리하였다. 2방향응력은 그림 11과 같이 터널면에 작용하는 반경방향응력과 접선방향 응력을 말한다.
고효율의 마이크로 파일 공법이 적절하다고 판단된다. 본 연구에서는 마이크로 파일의 설치 위치와 설치각도 및 두부 고정도를 달리한 실험을 실시하여 토압 및 지표면 침하를 중심으로 그 영향을 평가하였다. 본 연구에서 행한 실험의 종류는 표 2와 같다.

가설 설정

Vs를 구하는데 있어서, 지표면침하는 (-3.0 ~ 4.0)D의 영역에서 발생하는 것으로 가정하고(그림 7), 즉 L=-3.0과 L=4.0에서 침하량을 0으로 하고 침하영역의 부피를 구하였다.

제안 방법

(1) 토조 : 토조의 앞면과 뒷면은 30皿두께의 투명 아크릴판을 사용하여 지반의 변형을 반영하는 타겟의 움직임을 사진 촬영할 수 있게 하였으며, 아크릴판과 지반과의 마찰을 최소로 하기 위해 표면이 매끄러운 아스테이지로 처리하였다. 이 평면변형률 토조의 제 원은 1700(L)x410(W)x760(H)nm 이다.
(3) 토압 측정 장치 : 터널 원형 단면을 구성하는 8개의 세그먼트에 2방향 로드 셀을 한 개씩 설치하여, 각 세그먼트에서 반경방향웅력(수직웅력)과 접선 방향 응력(전단응력)을 측정한다.
그림 8의 (a)는 60 °, (b)는 90 °, (c)는 60&90 ° 로 마이 크로 파일을 보강하였을 때의 지표면 침하를 나타내며, 각각에 대해서 두부 고정과 자유의 영향을 알아보았다.
11). 그래서, 모형실험에서 지반을 제작한 낙 하고와 동일한 낙하고(1.2m)로 공중낙하 하여 요소시험 용 공시체를 성형하였으며, 이를 수침시킨 후, 동결하여 공시체를 평면변형률 압축시험기에 세팅하였다. 세팅이 완료된 공시체에 구속압을 준 상태에서 동결된 공시체 가 녹을 때까지 구속압을 유지하였다가 등방압밀배수 상태로 평면변형률 압축시험을 실시하였다.
단부를 고정하여 60 ° 와 90 ° 로 엇갈리게 설치한 마 이크로 파일의 설치위치에 대한 영향을 보기 위해, 설치 위치 A를 구조물좌단으로부터 50(거리비 A/Lp=0.25), 100(0.5), 150(0.75), 200(1.0)mm로 변화시켜 토피고 1D 및 2D에 대하여 실험하였다.
도심지 얕은 터널로서 토피고 2D(D : 터널직경)이하의 상태를 평면변형률 토조에서 모델링하고, 마이크로 파일의 두부 고정 여부 및 설치 위치에 대한 실험을 실시하였다. 마이크로파일을 터널 종방향으로 60 ° 와 90 ° 로 엇갈리게 설치하였으며, 두부 고정 여부에 있어서는 60 ° 및 90 ° 각각에 대해서도 그 효과를 확인하였다.
등방압밀배수(CID) 평면변형률 압축시험에 사용한 구속압( 偽)은 80kPa, WOkPa, 150kPa, 200kPa의 네 가지 이며, 변형률 제어법으로 시험하였다. 각 시험에서의 축변형률과 축차응력과의 관계는 그림 2와 같다.
2). 따라서, 본 연구에서는 토충비 1, 2 정도의 얕은 터널에 대한 터널 시공을 고려하였다. 이러한 얕은 터널에서는 터널 축 선상에 존재하는 지상 구조물 의 손상이 우려된다.
3%부근이 될 때, 터널 어깨부와 천 단부에서 터널에 작용하는 토압은 최대가 된다. 따라서, 이하에서는 터널 어깨부와 천단부에 대한 토압을 비교하여 마이크로 파일의 보강효과를 분석한다.
원형으로 조립된 터널 단면은 외부에서 손잡이를 회전하 므로써 터널 단면이 변하게 설계되어 있다. 또한, 각 세그먼트에는 2방향 로드셀(渡辺, 1977)이 부착되었으며, 이 로드 셀을 통하여 터널 주변 지반의 변형에 따라 터널에 작용하는 토압을 측정한다. 조립 완성된 모 형 터널의 외형은 사진 1과 같다.
터널 굴착 시 지상 구조물의 침하억제를 위해 마이크 로파일을 적용하였으며, 마이크로파일의 적용패턴에 따라 부등침하를 효과적으로 억제할 수 있는 가능성을 제시한다. 또한, 마이크로 파일 두부 처리가 고정인 경우와 자유인 경우를 서로 비교하고, 터널 굴착 시 인접 구조물 에 대한 지반의 거동을 분석하여 보다 적절한 보강의 영역을 제안한다.
마이크로 파일을 그림 5와 같이 설치하면, 마이크로 파일의 두부조건을 어떻게 처리하여야 할지가 의문시 된다. 마이크로 파일간 두부의 연결여부에 따라 지표침하에 미치는 영향에 대해 알아보고자 토피고 2D에 대해서 실험하였다.
도심지 얕은 터널로서 토피고 2D(D : 터널직경)이하의 상태를 평면변형률 토조에서 모델링하고, 마이크로 파일의 두부 고정 여부 및 설치 위치에 대한 실험을 실시하였다. 마이크로파일을 터널 종방향으로 60 ° 와 90 ° 로 엇갈리게 설치하였으며, 두부 고정 여부에 있어서는 60 ° 및 90 ° 각각에 대해서도 그 효과를 확인하였다. 2.
2m)로 공중낙하 하여 요소시험 용 공시체를 성형하였으며, 이를 수침시킨 후, 동결하여 공시체를 평면변형률 압축시험기에 세팅하였다. 세팅이 완료된 공시체에 구속압을 준 상태에서 동결된 공시체 가 녹을 때까지 구속압을 유지하였다가 등방압밀배수 상태로 평면변형률 압축시험을 실시하였다.
실내모형 실험에서 평 면변형률 상태를 재현하므로, 지반재료(주문진 표준사)의 강도 정수를 구하기 위하여 평면변형률 압축시험을 실시하였다. 모래로 모형지반을 제작할 경우, 낙하고에 따라 밀도가 변화한다(박, 1998, 임 2000.
터널 굴착 시 지상 구조물의 침하억제를 위해 마이크 로파일을 적용하였으며, 마이크로파일의 적용패턴에 따라 부등침하를 효과적으로 억제할 수 있는 가능성을 제시한다. 또한, 마이크로 파일 두부 처리가 고정인 경우와 자유인 경우를 서로 비교하고, 터널 굴착 시 인접 구조물 에 대한 지반의 거동을 분석하여 보다 적절한 보강의 영역을 제안한다.
터널축소율(a)에 따라 터널에 작용하는 토압을 2방 향 로드셀에 의해 반경방향응력 및 접선방향응력으로 나누어 나타내었다. 2방향응력에 대한 개념은 그림 11 을 참고하기 바란다.

대상 데이터

실내모형실험에 사용한 지반재료는 공인된 주문진 표준사(KS.L 5100)이며, 주문진 표준사의 물리시험 결과는 표 1과 같으며 입도 분포 곡선은 그림 1과 같다. 또한, 평면변형률 토조 내에서 제작된 지반의 평균 건조 밀도는 1.

성능/효과

(1) 마이크로 파일의 두부를 고정하는 것이 고정하지 않는 것보다 터널 주변지반의 변형이 지표면에 전달되는 영향을 줄이는데 더 효과적이었다. 본 연구에서는 고정의 경우가 자유의 경우보다 최소 7% 정도의 효과 차이가 나는 것으로 나타났다.
(2) 모형터널 : 모형 터널은 직경이 200mm, 길이 400mm로 서, 모두 8개의 원형 세그먼트로 이루어져 있다. 원형으로 조립된 터널 단면은 외부에서 손잡이를 회전하 므로써 터널 단면이 변하게 설계되어 있다.
(2) 터널 축소율(a)이 0.21% 이하인 초기의 작은 변형에 서, 거리비( A/LJ 0.5이내에서 22%~37%정도의 마 이크로 파일의 보강효과가 보인다. 하지만, a= 0.
(3) 터널축소율 0.3%부근에서 토압의 변화폭이 크며, 구 조물쪽 터널 측벽에서의 변화폭이 가장 크다. 그러나, 토압이 가장 크게 걸리는 곳은 터널 어깨부이며 이곳에서의 무보강에 대한 비로서는 크게 차이가 나 지 않지만, 토압감소량은 가장 크다.
(4) 지표면 침하와 터널에 작용하는 토압을 통틀어 볼 때, 60 ° 와 90 ° 로 엇갈리게 일렬로 설치한 마이크로 파일의 보강효과가 최소한 10%정도는 있는 것으로 보아 거리비 A/Lp=1.0되는 지점(천단지표점)까지 전체적으로 보강하면, 터널 굴착시 지상구조물의 손 상방지에 큰 효과가 있을 것이라고 판단된다.
그리고, 전체적으로 10%이상의 효과는 보이므로 천단 지표점( A/Lp=1.0되는 지점)에서 구조물 위치까지 전 영역에 걸쳐서 실제로 보강하면 터널 굴착시 지상구조 물의 손상방지에 큰 효과가 있을 것이라고 판단된다.
이를 그림 10에 나타내었는데, 종축은 무보강에 대한 보강시의 지표침하 차이로서 보 강효과를 표현한 값이다. 대체적으로 1D와 2D에서 마 이크로 파일 설치 거리비( A/LJ가 0.5이내에서 효과가 좋은 것을 알 수 있으며, 이 범위에서 대략 22%-37% 정도의 침하 감소효과가 있음을 알 수 있다.
마이크로 파일을 설치함으로써 지표침하를 저감시키 는 효과는, 토피고가 1D인 경우에는 터널축소율( a)이 0.3%부근에서, 토피고가 2D인 경우에는 0.6%부근에서 가장 큰 효과를 보였다. 이를 그림 10에 나타내었는데, 종축은 무보강에 대한 보강시의 지표침하 차이로서 보 강효과를 표현한 값이다.
(1) 마이크로 파일의 두부를 고정하는 것이 고정하지 않는 것보다 터널 주변지반의 변형이 지표면에 전달되는 영향을 줄이는데 더 효과적이었다. 본 연구에서는 고정의 경우가 자유의 경우보다 최소 7% 정도의 효과 차이가 나는 것으로 나타났다.
그러나, 토압의 크기가 가장 크게 작용하는 곳은 LCN₅에서이다. 전체적으로 보면, A/Lp가 0.5 이내인 곳에서의 보강의 경우 터널에 작용하는 토압을 많이 감소시켜주는 것을 알 수 있다. A/Lp가 1.
터널축소^(a) 0.3% 부근에서 터널 주변지반의 변형이 지표면에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 토 피고 ID, 2D에서는 초기의 터널 주변지반 변형의 40% 에서 최대 99%정도까지 지표면에 전달되는 것으로 나타났다. 토피고 1D보다 2D에서 터널 주변지반의 변 형이 지표면에 미치는 영향( Vs/K.

후속연구

또한, 터널 주변 지반의 변형에 따라 터널에 작용하는 토압도 변화할 것이다. 이의 변화는 지표면침하의 측정과 함께 각 로드 셀을 통하여 계즉한다.

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