암반-지보 반응곡선법 (CCM, Convergence Confinement Method)은 수치해석적 접근방법에 비해 암반과 지보 반응특성에 대한 판단이 용이하고, 분석과정에서 발생하는 계산량이 많지 않으므로 현장 계측결과 분석 및 시급성이 요구되는 시공 Feedback 적용성이 뛰어나다. 그러나 종래 연구의 대부분은 기초적인 터널공학의 이해 측면이 강조되어 수행되고 있어 터널 시공과정에서의 CCM 활용에 관한 연구가 부족한 실정이다. 이러한 배경에서 본 연구에서는 기존의 암반-지보 반응곡선법의 주요 문제점 중 하나인 지보설치시기의 결정에 대한 합리적인 접근방법으로서 숏크리트 강도발현과정을 고려한 지보특성곡선 작성 방법을 제시하여, 지보재 설치시기를 용이하게 판단할 수 있는 변위특성곡선과 굴착에 따른 응력해방율을 쉽게 평가할 수 있는 하중특성곡선을 제시하였다. 이어서 기존의 지보재 강성만을 고려한 지보특성곡선이 아닌 시간의존성 지보특성곡선을 제시하여, 시간-변위특성곡선에 의한 변위분담율 뿐만 아니라 시간-하중에 의한 하중분담율 예측 방법을 제안하였다. 최종적으로, 본 연구방법에 의한 CCM 결과와 2차원 수치해석 결과를 비교,분석을 통해 연구결과의 신뢰성을 입증하는 동시에, 합리적인 터널 시공관리가 가능하도록 본 연구결과의 현장 활용 방안을 제시하였다.
암반-지보 반응곡선법 (CCM, Convergence Confinement Method)은 수치해석적 접근방법에 비해 암반과 지보 반응특성에 대한 판단이 용이하고, 분석과정에서 발생하는 계산량이 많지 않으므로 현장 계측결과 분석 및 시급성이 요구되는 시공 Feedback 적용성이 뛰어나다. 그러나 종래 연구의 대부분은 기초적인 터널공학의 이해 측면이 강조되어 수행되고 있어 터널 시공과정에서의 CCM 활용에 관한 연구가 부족한 실정이다. 이러한 배경에서 본 연구에서는 기존의 암반-지보 반응곡선법의 주요 문제점 중 하나인 지보설치시기의 결정에 대한 합리적인 접근방법으로서 숏크리트 강도발현과정을 고려한 지보특성곡선 작성 방법을 제시하여, 지보재 설치시기를 용이하게 판단할 수 있는 변위특성곡선과 굴착에 따른 응력해방율을 쉽게 평가할 수 있는 하중특성곡선을 제시하였다. 이어서 기존의 지보재 강성만을 고려한 지보특성곡선이 아닌 시간의존성 지보특성곡선을 제시하여, 시간-변위특성곡선에 의한 변위분담율 뿐만 아니라 시간-하중에 의한 하중분담율 예측 방법을 제안하였다. 최종적으로, 본 연구방법에 의한 CCM 결과와 2차원 수치해석 결과를 비교,분석을 통해 연구결과의 신뢰성을 입증하는 동시에, 합리적인 터널 시공관리가 가능하도록 본 연구결과의 현장 활용 방안을 제시하였다.
Convergence Confinement Method (CCM) makes a more simple judgement in a ground-support reaction than numerical method. Also this method is good for the applicability of construction feedback and the analysis of field measurement. However, there has been little research with respect to the applicatio...
Convergence Confinement Method (CCM) makes a more simple judgement in a ground-support reaction than numerical method. Also this method is good for the applicability of construction feedback and the analysis of field measurement. However, there has been little research with respect to the application of CCM in tunnel construction. One of the problems in CCM is a decision of the time to support installation. To decide a reasonable supporting installation time, support characteristic curve and displacement characteristic curve considering construction stage are proposed. In addition, to predict displacement distribution ratio and load distribution ratio, the time dependent support reaction curve is used. Finally, through a comparison of the result between CCM and numerical analysis, the trust of this study is proved and the practical application is proposed to control resonable tunnel construction management.
Convergence Confinement Method (CCM) makes a more simple judgement in a ground-support reaction than numerical method. Also this method is good for the applicability of construction feedback and the analysis of field measurement. However, there has been little research with respect to the application of CCM in tunnel construction. One of the problems in CCM is a decision of the time to support installation. To decide a reasonable supporting installation time, support characteristic curve and displacement characteristic curve considering construction stage are proposed. In addition, to predict displacement distribution ratio and load distribution ratio, the time dependent support reaction curve is used. Finally, through a comparison of the result between CCM and numerical analysis, the trust of this study is proved and the practical application is proposed to control resonable tunnel construction management.
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문제 정의
본 연구에서는 시공과정을 고려한 암반-지보 반응곡선 작성시스템을 Hoek and Brown (1997) 이론식을 토대로 개발하는 것에 목적을 두고, 막장면 진행에 따른 터널 응력해방비, 변위특성을 반영할 수 있는 일반식을 제시한다. 또한, 터널 주요 지보부재인 숏크리트의 시간 의존성 경화 특성을 고려할 수 있는 지보반력식을 제시함과 동시에 종래의 2차원해석 결과와 비교 검토하여 최종적으로 간단하면서 정량적인 터널 시공관리가 가능하도록 본 시스템의 현장 활용 방법을 제시한다.
본 연구에서는 시공과정을 고려한 암반-지보 반응곡선 작성시스템을 Hoek and Brown (1997) 이론식을 토대로 개발하는 것에 목적을 두고, 막장면 진행에 따른 터널 응력해방비, 변위특성을 반영할 수 있는 일반식을 제시한다. 또한, 터널 주요 지보부재인 숏크리트의 시간 의존성 경화 특성을 고려할 수 있는 지보반력식을 제시함과 동시에 종래의 2차원해석 결과와 비교 검토하여 최종적으로 간단하면서 정량적인 터널 시공관리가 가능하도록 본 시스템의 현장 활용 방법을 제시한다.
가설 설정
모델은 2차로 도로터널 (반경 약5.4m)이 균질한 암반에 굴착되는 것으로 가정하였으며, 시공단계를 고려하여 보통암 및 풍화암에 대해 각각 해석을 실시하였다. 경계 조건은 터널 직경의 10배 이상으로 설정하였으며, 해석 모델은 그림 5와 같다.
제안 방법
2. 지보특성곡선상에서 지배적인 역할을 하는 숏크리트의 두께 및 숏크리트의 시간의존성 거동을 반영할 수 있는 지보반응곡선으로부터 시공단계를 고려한 지보 압력 및 변위를 예측할 수 있는 방법을 제시하였다.
: 중심방향 최대 수렴 변위, R: 원형터널의 반경이다. LDP는 현장데이터를 통해 작성하는 것을 원칙으로 하지만, 본 연구에서는 수치해석결과를 통해 얻은 결과를 활용하여 시간이력에 따른 변위곡선을 작성·제안하였다.
그림 3에서 굴착의 진행 방향이 시간의 진행방향이 되고 하중과 변위특성곡선은 관측점에서 시간에 따른 변화를 의미한다. 그리고 Hoek-Brown의 파괴기준에 따른 암반의 반응곡선을 산정하여 X-축에 변위를 Y-축에 지보압력을 각각 표시하였다. X-Z 평면의 굴진장에 따른 변위곡선과 Y-Z평면의 지보압력곡선을 3차원 공간상에서 연결하여 3차원 암반반응곡선이 작성되었다.
시공단계를 고려하여 그림 3과 같이 막장면 진행에 따른 터널 굴착면 응력 및 변위를 3차원 공간에서 암반특성 곡선을 표현함으로써, 막장위치-변위 특성곡선에 의한 변위분담율 뿐만아니라 막장위치-하중에 의한 하중분담율 또한 예측되었다.
암반-지보 반응곡선법에 따라 산정된 평형지보압을 이용하여 굴착과 연화숏크리트, 경화 숏크리트의 시공단계 (막장면 위치)에 대한 하중분담율을 구하도록 하였다.
즉 사전해석 혹은 계측 결과로부터 그림 2와 같이 막장면 진행속도를 고려한 시공단계별 응력해방율을 결정하고 (α값) 초기변위값 및 지보부재 타설시 변위량을 계산한다. 이어서 숏크리트의 경화 특성을 고려하여 암반-지보반응 곡선을 통한 지보 부재력 및 터널변위량이 허용치 이내여부를 평가한다. 그리고 지보량의 증감을 결정하여 시공에 반영한다.
해석영역은 터널굴착에 의한 주변지반의 거동을 정확히 파악하기 위하여 좌․우 경계는 터널중심으로부터 4D (D, 터널직경), 하부경계는 3D로 하였다. 한편 2차원 수치해석에 사용된 하중분담율은 표 6과 같이 변위에 의한 하중분담율과 하중에 의한 하중분담율을 사용하여 해석을 수행하였으며 이를 비교하여 어느 것에 의한 하중분담율이 암반-지보특성 곡선식을 통한 예측치와 유사한지를 비교하였다.
한편, 지보 특성곡선의 경우 숏크리트 강성이 지배적이고 상대적으로 록볼트 혹은 강지보공에 의한 복합 지보 반력은 그 영향이 미비하므로 본 연구에서의 시간의존성 지보반력특성곡선은 숏크리트만을 고려하도록 하였다. 숏크리트의 최대지보 압력 산정식 및 강성에 관한 식은 다음 식 (5)와 식 (6)과 같다.
해석심도는 보통암에서 100m, 풍화암에서 50m로 모델링 하였다. 해석영역은 터널굴착에 의한 주변지반의 거동을 정확히 파악하기 위하여 좌․우 경계는 터널중심으로부터 4D (D, 터널직경), 하부경계는 3D로 하였다. 한편 2차원 수치해석에 사용된 하중분담율은 표 6과 같이 변위에 의한 하중분담율과 하중에 의한 하중분담율을 사용하여 해석을 수행하였으며 이를 비교하여 어느 것에 의한 하중분담율이 암반-지보특성 곡선식을 통한 예측치와 유사한지를 비교하였다.
대상 데이터
본 연구에 적용된 물성치는 기존 적용사례 (Goodman, 1980)와 기존문헌 (Hisatake, 1989)을 토대로 선정하였으며 지반물성치와 숏크리트 물성치는 표 2와 표 3에 각각 나타내었다.
해석에 사용된 암반 및 지보재 물성치는 3차원해석과 같이 표 2 및 표 3와 같으며, 해석단면은 원형단면으로 제원도 동일하다. 해석심도는 보통암에서 100m, 풍화암에서 50m로 모델링 하였다. 해석영역은 터널굴착에 의한 주변지반의 거동을 정확히 파악하기 위하여 좌․우 경계는 터널중심으로부터 4D (D, 터널직경), 하부경계는 3D로 하였다.
데이터처리
3차원 해석을 통해 막장위치에 따른 변위를 파악한 후, 심도 및 암반등급과 관계없는 하나의 식으로 표현하기 위해 정규화 시켰으며, 이를 회귀분석하여 식 (2)와 같은 굴진장과 연관된 종방향 변위 곡선식을 산출하였다.
본 장에서는 2차원 수치해석을 수행하여 본 연구에서 제안한 지보특성 곡선식에 의한 결과값과 비교, 분석하여 본 연구 제안식을 검증하였다. 이는 앞에서 설명한 바와 같이 암반-지보 반응곡선에 의한 시공관리에 활용할 경우 비교적 간편한 변위분담율을 적용할 것인가 아니면 응력해방율을 적용할 것인가를 정량적으로 비교, 분석하기 위함이다.
이론/모형
굴착단계별 종방향 변위산정을 위해 Pentagon- 3D 프로그램을 이용하여 Hoek-Brown 모델을 사용한 3차원 해석을 실시하였다.
시공단계별 암반과 지보의 상호 거동특성을 규명하기 위하여 3차원 해석을 통한 암반등급별 종방향 변위곡선 식이 산출되었다. 또한, 시공관리 활용측면을 고려하여 막장면 위치를 cycle time과 결부시켜 시간의존성을 따르는 지보특성 곡선이 계산되었으며, 이 지보특성곡선의 경우 숏크리트의 재령에 따른 강도의 시간의존 (막장 진행)성이 반영된 특징이 있다.
성능/효과
1. Hoek-Brown모델을 사용한 3차원 해석을 통해 암종별 막장의 진행에 따른 종방향 변위곡선을 구할 수 있었으며, 이를 정규화하여 회귀분석한 식 (2)와 같은 하나의 대표식으로 나타낼 수 있었다. 각 지보타입별 굴진장이 정해질 경우 간단, 신속하게 암반-지보 반응곡선 작성이 가능하며 정량적인 지보재 설치시기를 산정할 수 있다.
3. 본 연구에서 제시한 암반-지보 특성곡선에 의한 시공관리 방법의 적정성을 검증하고, 현장에서는 수행 곤란한 수치해석결과와의 비교를 위해 2차원 FDM 해석을 수행한 결과, 예측값과 해석결과는 비교적 일치 하는 것으로 나타났다.
4. 또한, 2차원 해석결과 보통암에서는 변위에 의한 하중 분담율 해석결과가 풍화암에서는 하중에 의한 하중분담율이 상대적으로 양호한 일치성을 보이고 있다. 풍화암의 경우 사전 보강없이는 터널 굴착이 곤란한 연약층이라는 점과 해석입력과 암반지보반응곡선법의 입력 물성치의 상대적 민감도가 그 원인으로 사료된다.
표 6으로부터 보통암의 경우 변위와 하중에 의한 시공 단계별 응력해방율 (변위발생율)은 큰 차이를 보이지 않 으나, 풍화암의 경우에는 많은 차이가 있음을 알 수 있다. 즉 풍화암 굴착단계에서의 변위발생율은 39%인 것에 비해 응력해방은 63.4%가 진행되어 20% 이상의 응력해방이 발생한 것으로 분석되었다. 이는 풍화암의 암반 특성곡선이 보통암과 비교하여 상대적으로 민감하기 때문인데, 암반 특성곡선의 작성시 중요한 결정변수인 일축압축강도 등과 해석입력 물성치와의 차이에서 기인하는 것으로 사료된다.
해석결과 보통암에서 변위 예측치는 1.5mm이고 변위에 의한 하중분담율과 하중에 의한 하중분담율을 사용한 수치해석 결과치는 각각 2.3mm, 2.6mm로 약간 크게나타났으며, 숏크리트 지보압력은 예측치가 25t/m2이고 변위에 의한 하중분담율을 사용한 경우 19.74t/m2, 하중에 의한 하중분담율을 사용한 경우 20.50 t/m2로 하중에 의한 하중분담율이 암반-지보특성 곡선에의한 예측치와 더 근접하게 나타났다. 한편 풍화암의 경우에도 변위와 숏크리트 지보압력이 하중에 의한 하중분담율을 적용한 결과와 비슷하게 나타났다.
후속연구
한편, 본 연구에서는 보통암과 풍화암에 국한되어 Hoek-Brown 모델만을 사용하였으나 다양한 암반조건과 현장조건 및 다양한 암반모델을 통해 database를 구축한다면, 간단한 예비해석만을 통해 시공단계별 지보압력 및 변위를 예측할 수 있을 것으로 보이며이를 통한지보재 설치시기와 평형지보압, 그리고 최종변위에 의한 터널 시공관리에 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
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