숏크리트와 록볼트를 지보재로 사용한다고 해서 NATM을 채택한 것은 아니므로 RMR과 Q-system에 의해 설계된 터널은 현대식 터널로 명명하였다. 강지보재로 지보되는 재래식 터널과 숏크리트와 록볼트로 지보되는 현대식 터널은 근본적으로 차이가 있는 것으로 알려져 있다. 현대식 터널은 암반의 하중지지력을 유지하기 위하여 숏크리트 지보를 사용하여 암반의 이완과 과도한 변형을 최소화시킨다고 하나 이에 대한 증명은 명확히 이루어지지 못하고 있다. 재래식 터널과 현대식 터널의 차이점을 살펴보기 위하여 사용되는 암반분류의 지보계 특성과 암반하중을 상호비교 하였다. 재래식 터널은 Terzaghi의 암반하중분류를 대표 암반분류로 채택하고, 현대식 터널은 RMR과 Q-system을 대표 암반분류로 채택하였다. 연구결과 현대식 터널의 주지보재인 숏크리트는 재래식 터널의 주지보재인 강지보 보다 지지력이 우수하였으며 암반분류에서 제시하는 암반하중은 재래식 터널과 현대식 터널의 차이는 없는 것으로 확인되었다. 따라서, 암반분류법에 의하면 숏크리트를 사용하는 현대식 터널의 암반의 하중지지력이 재래식 터널 암반의 하중지지력 보다 크다고 볼 수는 없다.
숏크리트와 록볼트를 지보재로 사용한다고 해서 NATM을 채택한 것은 아니므로 RMR과 Q-system에 의해 설계된 터널은 현대식 터널로 명명하였다. 강지보재로 지보되는 재래식 터널과 숏크리트와 록볼트로 지보되는 현대식 터널은 근본적으로 차이가 있는 것으로 알려져 있다. 현대식 터널은 암반의 하중지지력을 유지하기 위하여 숏크리트 지보를 사용하여 암반의 이완과 과도한 변형을 최소화시킨다고 하나 이에 대한 증명은 명확히 이루어지지 못하고 있다. 재래식 터널과 현대식 터널의 차이점을 살펴보기 위하여 사용되는 암반분류의 지보계 특성과 암반하중을 상호비교 하였다. 재래식 터널은 Terzaghi의 암반하중분류를 대표 암반분류로 채택하고, 현대식 터널은 RMR과 Q-system을 대표 암반분류로 채택하였다. 연구결과 현대식 터널의 주지보재인 숏크리트는 재래식 터널의 주지보재인 강지보 보다 지지력이 우수하였으며 암반분류에서 제시하는 암반하중은 재래식 터널과 현대식 터널의 차이는 없는 것으로 확인되었다. 따라서, 암반분류법에 의하면 숏크리트를 사용하는 현대식 터널의 암반의 하중지지력이 재래식 터널 암반의 하중지지력 보다 크다고 볼 수는 없다.
A tunnel that uses the RMR method or the Q-system is called a 'modem tunnel' because the New Austrian Tunneling Method (NATM) is not employed, even though shotcrete and rock bolts are used as support. It is known that the modem tunnel, which is supported by shotcrete, is basically different from the...
A tunnel that uses the RMR method or the Q-system is called a 'modem tunnel' because the New Austrian Tunneling Method (NATM) is not employed, even though shotcrete and rock bolts are used as support. It is known that the modem tunnel, which is supported by shotcrete, is basically different from the conventional tunnel, which is supported by steel ribs. In order to preserve the load-carrying capacity of the rock mass, loosening and excessive rock deformations must be minimized. Although it is known that this can be achieved by applying shotcrete in the case of the modem tunnel, this has not been clearly demonstrated. In order to inspect the distinctions between the conventional tunnel and the modern tunnel, their support characteristics and the rock loads of the rock mass classifications are compared. Terzaghi's rock load classification was used as the conventional tunnel's representative rock mass classification. The RMR method and the Q-system were adopted as the modem tunnel's representative rock mass classification. The study's results show that the load-carrying capacity of shotcrete, when used as the main support in the modern tunnel, is greater than the load-capacity of the steel ribs used in the conventional tunnel. Because it has been verified that the rock loads of their rock mass classifications are not different, then, according to the rock mass classifications, the load-carrying capacity of the rock mass of the modern tunnel, which uses shotcrete, is not greater than that of the conventional tunnel.
A tunnel that uses the RMR method or the Q-system is called a 'modem tunnel' because the New Austrian Tunneling Method (NATM) is not employed, even though shotcrete and rock bolts are used as support. It is known that the modem tunnel, which is supported by shotcrete, is basically different from the conventional tunnel, which is supported by steel ribs. In order to preserve the load-carrying capacity of the rock mass, loosening and excessive rock deformations must be minimized. Although it is known that this can be achieved by applying shotcrete in the case of the modem tunnel, this has not been clearly demonstrated. In order to inspect the distinctions between the conventional tunnel and the modern tunnel, their support characteristics and the rock loads of the rock mass classifications are compared. Terzaghi's rock load classification was used as the conventional tunnel's representative rock mass classification. The RMR method and the Q-system were adopted as the modem tunnel's representative rock mass classification. The study's results show that the load-carrying capacity of shotcrete, when used as the main support in the modern tunnel, is greater than the load-capacity of the steel ribs used in the conventional tunnel. Because it has been verified that the rock loads of their rock mass classifications are not different, then, according to the rock mass classifications, the load-carrying capacity of the rock mass of the modern tunnel, which uses shotcrete, is not greater than that of the conventional tunnel.
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문제 정의
터널의 지보재로 숏크리트와 록 볼트를 사용한다고 해서 반드시 NATIVE] 채택된 것은 아니다. NATMe 기존에 정립된 많은 굴착기술과 터널 시공 방법의 적절한 조합을 의미하고 가장 안정하고 경제적인 라이닝 설치를 위해 암반 거동에 대한 지속적인 계측과 이를 바탕으로 하여 지보방법을 수정하는 것이다.
본 프루그램은 암반-지보반응곡선법(CCM, Convergence Confinement Method)을 위해 개발된 것이다. 암반-지보 반응 곡선 법은 터널 현장에서 지보재 설치 시기 및 지보 량 산정방법 가운데 이론해석에 의해 암반-지보 상호특성 곡선을 활용한 개략 설계법으로 수치해석법에 비해 게산방법이 간단하다는 장점이 있다.
숏크리트에 의한 지지력을 재래식 터널에서 주지보 재로 사용된 강지보로 대체하였을 경우 어느 정도의 강지보가 필요한지 확인해 보았다. 표 2는 RMR 암반 등급 별 지보패턴에 대한 지지력을 구하고 상응하는 강지보 지보패턴을 산정한 것이다.
터널설계 방법 중 하나인 경험적 설계에서 사용되는 터널 암반 분류는 자체적인 지보하중을 제안하고 있다. 터널의 지보하중을 분석하는 방법은 수치해석이나 계측 등이 있을 수 있으나 본 논문에서는 서론에서 전제하였던 것과 같이 단순히 재래식 터널과 현대식 터널의 차이가 암반 분류 시스템 차이라는 가정하에 대표적인 터널 암반 분류에서 제안하고 있는 암반 하중에 대하여 살펴보았다.
가설 설정
RMR에서 제안하는 지보패턴은 폭 10m 정도의 마제 형이며 발파 굴착공법을 적용한 터널로서 국내의 도로 터널이나 철도 터널의 표준지 보 패턴의 기본이 되고 있다. 그러나, 연구에서는 숏크리트의 지보력을 산정하기 위하여 터널은 원형으로 등방압축 상태로 가정하며 지 보재는 압축력을 지지하는 구조로 가정하였다.
제안 방법
각 암반 분류법에서 제시하는 암반 분류의 터널흐}-중을 단순 비교해 보았다. 이때, 다른 암반 분류와 암반 등급 에 대한 대응 기준이 문제가 될 수 있으나, 단순한 비교를 위하여 Q-system과 RMRe Bieniawski가 제안한 식(11)를 기준으로 대응시켰다.
Cording 등은 Terzaghi의 암반 하중 분류법을 수정하여 현대적인 지보시스템에 적합한 경험적인 지보압 산정 식을 제안하였다(한국지반공학회, 1998). 대형 공동의 지보량과 계측 변위의 관계를 사례를 통하여 분석 공동을 안정화시키는데 필요한 천장 및 측벽의 지보압을 터널의 폭(B), 높이(H), 단위 중량의 함수로 다음과 같이 제안하였다.
재래식 터널과 현대식 터널의 차이점을 고찰하기 위하여 터널설계 및 시공에서 사용하는 대표적인 암반 분류인인 RMR 지보패턴의 지지력을 계산하고, 이에 상응하는 재래식 터널의 주 지보재인 강지보량을 계산하였다. 또한, Terzaghi의 암반 하중 분류, RMR 및 Q-system에 대하여 터널 하중을 비교하였으며, RMR 지보패턴의 지지력과 비교하여 안전율을 산정하였다.
표 2는 RMR 암반 등급 별 지보패턴에 대한 지지력을 구하고 상응하는 강지보 지보패턴을 산정한 것이다. 암반 등급별 강지보의 규격을 증가시켰다. 강지보에 대한 지지력도 Roesupport을 사용하여 계산하였다.
재래식 터널과 현대식 터널의 차이점을 고찰하기 위하여 터널설계 및 시공에서 사용하는 대표적인 암반 분류인인 RMR 지보패턴의 지지력을 계산하고, 이에 상응하는 재래식 터널의 주 지보재인 강지보량을 계산하였다. 또한, Terzaghi의 암반 하중 분류, RMR 및 Q-system에 대하여 터널 하중을 비교하였으며, RMR 지보패턴의 지지력과 비교하여 안전율을 산정하였다.
추가로 암반 하중과 지보력 관계에서 RMR 지보패턴 의 안전율을 검토하였으며, 지보에 대한 안전율 분석을 통하여 경제성을 고려한 공학적인 터널설계 방안 제시에 대한 가능성을 모색하였다.
현대식 터널에서 대표적으로 사용되는 RM低의 지보 패턴별 지보력을 산정하고 지보력과 암반하중에 대하여 재래식 터널과 현대식 터널의 차이점을 분석해 보았다.
대상 데이터
이 경우 록버스팅(rock bursting) 이나 스폴링(spalling)이 발생하며 지중 응력이 암반 강도를 초과하므로 터널지보 에 대한 다른 접근 방법이 필요하다. 본 연구에서는 일반적인 도로 터널이나 지하철 터널 등 토목공학에서 적용되는 터널을 주 대상으로 한정하며 지중 응력이 암반 강도를 초과하는 대심도 터널은 배제하였다.
재래식 터널은 강지보재가 주 지보재이며 현대식 터널에서는 숏크리트와 록 볼트가 주 지보재이다. 현대식 터널에서도 강지보재가 사용되나 보강재 개념으로 사용되므로 수치해석에서는 고려하지 않고 있다.
지보재는 암반 등급별 최소 지보재를 적용하였다. RMR 지보패턴에 대한 지보력은 록볼트와 숏크리트만을 고려하였으며 계산은 Rocscience사의 Roesupport 프로그 캠을 사용하여 계산하였다.
이론/모형
지보재는 암반 등급별 최소 지보재를 적용하였다. RMR 지보패턴에 대한 지보력은 록볼트와 숏크리트만을 고려하였으며 계산은 Rocscience사의 Roesupport 프로그 캠을 사용하여 계산하였다.
암반 등급별 강지보의 규격을 증가시켰다. 강지보에 대한 지지력도 Roesupport을 사용하여 계산하였다. 숏크리트와 록 볼트에 의한 지보 력은 상당히 많은 강지보 설치에 상응하고 있다.
각 암반 분류법에서 제시하는 암반 분류의 터널흐}-중을 단순 비교해 보았다. 이때, 다른 암반 분류와 암반 등급 에 대한 대응 기준이 문제가 될 수 있으나, 단순한 비교를 위하여 Q-system과 RMRe Bieniawski가 제안한 식(11)를 기준으로 대응시켰다. Terzaghi 암반 등급은 낮은 등급부터 순차적으로 RMR 암반 등급에 대응시켰다.
성능/효과
(3) 재래식 터널에 적용하는 Terzaghi의 암반 하중 분류 와 현대식 터널에 사용하는 RMR 및 Q-system의 터 널 하중을 비교한 바로는 재래식 터널에 적용했던 Terzaghi의 암반 하중이 크다고 볼 수 없다.
(4) RMR 지보패턴에 대한 각 암반 분류 하중의 안전율은 1.51 ~5.61로서 일반적인 터널의 1차 지보재의 안전율은 1.50으로 적용이 가능할 것이다.
숏크리트와 록 볼트를 지보재로 채택하는 암반 분류인 RMR과 Q-system에서는 개념적으로 Terzaghi의 암반 하 중과 유사한 지보하중을 제시하고 있다. 따라서, 위의 3가지 암반 분류에서 제시하는 암반 하중이 서로 유사하다면 터널설계 방법은 주지보재가 강지보재에서 숏크 리트로 변화되고 암반 분류가 Terzaghi의 암반 하중 분류 에서 RMR과 Q-system으로 발전된 것으로 재래식 터널과 현대식 터널의 근본적인 차이는 없는 것으로 추정할 수 있을 것이다.
Terzaghi 암 반 분류에서 Deere 등과 Rose에 의해 수정된 암반 하중 높이는는 RQD에 따라 표 4와 같다(한국지반공학회, 1998). 수정된 암반 하중은 RQD가 75% 이하일 경우 지하수 위 면의 위치가 암반 하중의 크기에 거의 영향을 미치지 않는다는 연구 결과를 바탕으로 초기 Terzaghi의 암반 하 중에 비하여 약 50% 정도 낮춘 것이다.
RMR과 Q-systeme 현대식 터널에서 적용하는 암반 분류이며며 Teiyaghi의 암반 하중은 재래식 터널에서 사용하는 암반 하중임을 고려할 때 지보재가 부담해야 하는 하중은 재래식 터널과 현대식 터널 사이에 차이가 없다고 추론 할 수 있을 것이다. 특히, RMR과 Tesghi의 암반 분류에서 제안하는 터널 하중은 매우 유사하며 Q-system도 지반 이 양호한 경우에는 터널 하중이 다른 암반 분류와 유사 하나 지반이 불량할 경우 터널 하중이 급격히 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
따라서, 현대식 터널의 경제성은 단지 가격이 저렴한 재료의 지보재를 사용한다는 것을 의미할 뿐이다. 공학적 타당성도 압축력이 중요한 터널지보를 강재에서 콘크리트 위주로 변경한 것에서 찾는 것이 바람직할 것이다.
터널은 지하에 설치되는 선형구조물로 지반 조건과 사용 목적에 따라 매우 다양한 특성을 보인다. 따라서, 본 연구에서는 대상 지반 조건을 일반적인 지반조건으 로 제한하였다. 우선 본 연구는 심도 1,000m 이하의 지 중 응력 상태로 제한하였다.
안전율이 높은 경우에 대해서는 적용 범위를 조정하므로 적절한 안전율로 낮출 수 있다. 또 안전율이 낮은 경우도 적용 범위를 조 정하여 안전율을 높일 수 있으나, 임시지보재에 대하여 안전율을 얼마 정도로 해야 하는지에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다
Bieniawski. Z.T. (1984), Rock Mechanics Design in Mining and Tunneling, A.A.BALKEMA, pp.101-104, pp.152-154
Deere, D.U., Peck, R.B., Parker, H., Monsees, J.E. and Schmidt, B. (1970), Design of Tunnel Support Systems, Highway Research Record, No. 339, 1970, pp.26-33
Hoek E & E.T. Brown (1980), Underground Excavations in Rock, Institution of Mining and Metallurgy, pp.250-261
Hoek. E (2000), Rocsupport User's Guide, Rocscience Inc., pp.12-26
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