토피고가 낮아 지반의 자립성이 적은 토사층, 풍화암층에서 시공되는 터널 구조물의 경우, 시공중 붕락을 방지하고 단기적인 안정성을 확보하기 위해서 보조공법들이 사용되는데 특히, 터널의 보강과 차수효과를 동시에 얻을 수 있는 강관 다단 그라우팅 공법(Umbrella Arch Method)이 많이 적용되고 있다. 그러나, 국내에서는 아직 본 공법의 적용에 있어 외국자료나 경험적 방법에 의한 설계 및 시공이 이루어지고 있는 실정임을 감안할 때, 합리적이고 이론적인 설계 및 해석기법의 도입이 필요하다. 본 논문에서는 강관 다단 그라우팅 공법을 적용한 NATM 현장에서 계측을 통해 터널 굴착에 따른 강관의 거동을 분석하고, UAM 설계시에 적용할 수 있는 하중계를 제안하였다. 그리고, 제안된 하중계를 바탕으로 실제 현장에서 적용할 수 있는 UAM의 설계지침 즉, 강관길이$(L_e , L_b)$, 중첩시공거리(x), 횡방향 설치간격 등을 결정할 수 있는 설계법을 제안하였다.
토피고가 낮아 지반의 자립성이 적은 토사층, 풍화암층에서 시공되는 터널 구조물의 경우, 시공중 붕락을 방지하고 단기적인 안정성을 확보하기 위해서 보조공법들이 사용되는데 특히, 터널의 보강과 차수효과를 동시에 얻을 수 있는 강관 다단 그라우팅 공법(Umbrella Arch Method)이 많이 적용되고 있다. 그러나, 국내에서는 아직 본 공법의 적용에 있어 외국자료나 경험적 방법에 의한 설계 및 시공이 이루어지고 있는 실정임을 감안할 때, 합리적이고 이론적인 설계 및 해석기법의 도입이 필요하다. 본 논문에서는 강관 다단 그라우팅 공법을 적용한 NATM 현장에서 계측을 통해 터널 굴착에 따른 강관의 거동을 분석하고, UAM 설계시에 적용할 수 있는 하중계를 제안하였다. 그리고, 제안된 하중계를 바탕으로 실제 현장에서 적용할 수 있는 UAM의 설계지침 즉, 강관길이$(L_e , L_b)$, 중첩시공거리(x), 횡방향 설치간격 등을 결정할 수 있는 설계법을 제안하였다.
In case of tunnel construction with a shallow soil cover in cohesionless soils or highly weathered rocks, reinforcement measures are required for a tunnel stability during the tunnel construction. Recent developments show that the use of Umbrella Arch Method(UAM) as tunnel reinforcement and water cu...
In case of tunnel construction with a shallow soil cover in cohesionless soils or highly weathered rocks, reinforcement measures are required for a tunnel stability during the tunnel construction. Recent developments show that the use of Umbrella Arch Method(UAM) as tunnel reinforcement and water cut-off in domestic projects has increased. Unfortunately, guidelines for the design and construction of UAM have not been established, only empirical designs and applications in tunnel construction have been performed so far. In this study, behaviour of the steel pipes installed on the tunnel roof was analyzed through the monitoring of bending and axial stresses of the pipes with the advance of the tunnel face. The monitoring results were used in the establishment of the loading mechanism around the pipe. This paper suggests, the guidelines used in the determination of the total length, overlapping length and lateral spacing of the reinforcing pipes obtained from the established loading mechanism.
In case of tunnel construction with a shallow soil cover in cohesionless soils or highly weathered rocks, reinforcement measures are required for a tunnel stability during the tunnel construction. Recent developments show that the use of Umbrella Arch Method(UAM) as tunnel reinforcement and water cut-off in domestic projects has increased. Unfortunately, guidelines for the design and construction of UAM have not been established, only empirical designs and applications in tunnel construction have been performed so far. In this study, behaviour of the steel pipes installed on the tunnel roof was analyzed through the monitoring of bending and axial stresses of the pipes with the advance of the tunnel face. The monitoring results were used in the establishment of the loading mechanism around the pipe. This paper suggests, the guidelines used in the determination of the total length, overlapping length and lateral spacing of the reinforcing pipes obtained from the established loading mechanism.
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문제 정의
현장에 강관의 전 길이에 스트레인 게이지를 부착하여 터널굴착에 따라 강관에서 발생하는 응력의 변화를 분석하고, UAM 설계시 적용할 수 있는 하중계를 제안하였다. 그리고, 제안된 하중계를 바탕으로 실제 현장에서 적용할 수 있는 UAM의 설계지침을 마련하고자 한다.
본 연구에서는 강관 다단 그라우팅 공법(UAM)을 적용한 NATM 현장에 강관의 전 길이에 스트레인 게이지를 부착하여 터널굴착에 따라 강관에서 발생하는 응력의 변화를 분석하고, UAM 설계시 적용할 수 있는 하중계를 제안하였다. 그리고, 제안된 하중계를 바탕으로 실제 현장에서 적용할 수 있는 UAM의 설계지침을 마련하고자 한다.
가설 설정
또한, 강관에 작용하는 하중은 그림 15와 같이 이완 하중 높이(丑i= H, )와 강관의 횡방향 설치간격(5)만큼의 토괴가 강관에 작용하는 것이며, 그라우트 주입 시 확공폭을 현장에서 확인한 천공경만큼으로 가정하고, 강관의 단면력은 그림 16과 같이 천공경 내의 강관과 그라우트의 복합강도로 하였다.
제안 방법
(1) 현장계측을 통해 강관의 거동을 분석한 결과, 터널 굴착에 따라 강관에 작용하는 하중의 분포와 크기로부터 그림 9와 같은 하중계를 제안하였다. 제안된 하중계는 일단고정 일단롤러의 부정정보에 이완 하중 높이만큼의 상재토압이 강관설치각도만큼 기울어져 작용하는 하중계이다(그림 11).
(2) 제안된 하중계로부터 UAM 적용 시 강관 길이(식 (4) 와 식 ⑺) 및 강관의 중첩시공거리(식 (13))를 설계할 수 있는 식을 제안하였다. 설계는 식 (2)의 조건을 만족하는 범위 내에서 결정되는 것이며, 지반의 물성치, 터널의 단면, 토피고 강관의 횡방향 설치간격, 강관직경 등을 모두 고려하여 설계할 수 있다
그러나 본 연구에서는 현장 계측 결과로부터 강관에 작용하는 응력의 크기와 분포를 분석하여 강관 설계 시 적용할 수 있는 그림 11 및 그림 12와 같은 하중계를 제안하였다. 제안된 하중계는 일단고정 일단롤러의 부정 정보에 상재토압이 설치각도만큼 기울어져 작용하는 하중계로서 乙。길이에 해당하는 이완하중이 강관에 가해지고 6길이만큼은 상재압과 지반 및 그라우트재의 영향으로 인해 마찰력이 작용하게 된다.
전토압식은 토피가 터널단면 크기에 비해 상당히 작고 큰 상재하중이 가해지는 경우에 주로 적용하고 있으며, 터널단면에 비해 토피가 깊은 경우에는 Culmann 식이나 Bierbaumer 식들을 이용하고 있다(김영근, 1999). 본 설계에서 이완고( 必 = 7七)에 의한 이완하중( 巳) 은 국내 설계에서 주로 적용하고 있는 Terzaghi 이^(그림 17)을 적용하였다(박이근, 2003).
Steel rib와 forepoling 하부의 막장면 지반을 탄성체로 가정하고 지보길。|( /)와 하중(?)의 관계로부터 굴착에 따라 fiarepoling에서 발생하는 모멘트를 구하여 forepoling의 설계에 반영하였다. 본 설계에서는 인접한 부분에 설치된 forepoling의 다중지지보효과 (multi-supported beam effect)와 막장의 무지보부분의길이 및 지반반력계수 등에 따라 forepoling에 작용하는 하중을 감소시켜 적용하였다.
본 연구는 현장계측을 통해 강관의 거동을 분석하고, 이를 바탕으로 실제 현장에서 적용될 수 있는 UAM의 설계지침을 제안하였으며, 결론은 다음과 같다.
현장 계측용 강관에는 전기저항식 변형율 게이지를 24 개씩 부착하여, 터널 천단부와 어깨부에 각각 하나씩 설치하였다. 계측용 강관이 설치된 단면은 STA.
대상 데이터
계측용 강관이 설치된 단면은 STA.12K515.2으로서 수직갱(STA.12K507.1)으로부터 8.1m 떨어진 위치이다. 강관의 설치위치 및 변형율 게이지 부착 위치는 그림 6 및 그림 7과 같으며, 변형율 게이지는 강관의 한 단면에서 상 .
본 연구에서 강관 거동 분석을 위한 계측대상 위치는 부산지하철 3호선 309공구 터널구간으로서 총 연장 302m, 평균 토피고 18m, 터널 직경 9.6m의 마제형 터널이다(임종철 등, 2003).
성능/효과
(3) 강관길이 및 중첩시공거리를 구하는데 있어 강관의 중첩시공과 강관 시공 시 남겨지는 막장면 코아 및 터널 굴착과 함께 시공되는 강지보 등에 의해 강관에 작용하는 하중의 감소효과를 고려하여야 한다. (그림 26 및 그림 27).
(4) 본 연구에 의해 제안된 UAM 설계법에 의한 결과와 현장 시공사례를 비교한 결과 거의 유사하였다(그림 29).
이하가 대부분이었다. 또한, 강관이 시공되는 단면의 막장면 mapping 결과는 그림 3과 같이 절리가 많은 풍화암이 주를 이루었으며, 터널 양측벽으로 많은 양의 지하수 유출이 나타났다. 그러므로 실제로 터널이 굴착되는 지반은 풍화토에 가까운 지반 및 파쇄가 심한 풍화암이 대부분인 것으로 판단된다.
본 현장에서 계측구간의 지반 주상도는 그림 1과 같으나 실제 지반의 상태는 막장면 관찰에 의한 RQD가 대부분 0~40의 범위에 있으며, 점하중시험에 의한 암석의 일축압축강도는 그림 2와 같이 300 kgf! cm2 이하가 대부분이었다. 또한, 강관이 시공되는 단면의 막장면 mapping 결과는 그림 3과 같이 절리가 많은 풍화암이 주를 이루었으며, 터널 양측벽으로 많은 양의 지하수 유출이 나타났다.
후속연구
강관 상부에 작용하는 이완하중의 크기는 여러 연구자들에 의해 제안되어 있는 터널의 이완하중을 이용하면 되는데, 이들 중 가장 잘 맞는 하중의 크기에 대해서는 향후 시공실적과 연구에 의해 결정되어야 할 사항이다. 전토압식은 토피가 터널단면 크기에 비해 상당히 작고 큰 상재하중이 가해지는 경우에 주로 적용하고 있으며, 터널단면에 비해 토피가 깊은 경우에는 Culmann 식이나 Bierbaumer 식들을 이용하고 있다(김영근, 1999).
그림 28과 같았다. 또한, 그림 29와 같이 309공구 현장과 비슷한 조건으로 UAM을 설계하여 비교한 결과 강관 길이 및 중첩시공거리에 있어서 실제 시공과 유사한 결과가 나타나 본 제안 설계법으로 향후 UAM을 설계할 수 있을 것으로 판단된다.
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