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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 국내에서 시공된 사례에 대하여 계측 결과와 강재강성 적용효율에 따른 수치해석을 수행하여 분석하였으며, 연약층 터널 굴착시 강재를 이용한 보강 공법 터널 단면의 거동에 미치는 영향에 대해서 기술하였다.
- 본 연구에서는 석탄지대가 많은 강원도 정선지역 oo터널현장에서 현장계측을 실시하면서 유한요소법을 이용하여 강지보재의 지보효과에 대해서 역해석을 수행하여 분석하였다.
제안 방법
- 4는 터널의 단면을 나타낸 것이다. 강관다단 그라우팅은 2단으로 측면까지 계획하였다.
- 본 현장에 적용된 단면을 결정함에 있어 내공 단면의 확보 문제 및 시공상의 어려움 등으로 숏크리트 두께를 증가시키지 않고 강지보재로 강성이 큰 H형강(H-15이口 150口口0)을 50cm 간격으로 시공하도록 설계하였다. Fig.
- 유한요소해석시 에는 Table 2와 같이 숏크리트만 고려한 경우(CASE-1)와 강지보재(H형강)을 숏크리트와 동시에 고려하되 강성률을 50%, 75%, 그리고 100% 고려하는 경우(CASE-2~CASE-4)에 대하여 해석을 수행하였다.
- 크라운부의 강관다단그라우팅 이나 RPUM 공법으로 막장안정을 보강하고, 측면은 그라우팅 이나 앵커로 보강을 실시하여 터널의 안정성을 확보하는 방법을 적용하거나, FRP등으로 막장 전면에 대한 보강을 실시하여 막장의 중심부를 보강하여 지보압을 라이닝에 전이시키는 공법 또는 앵커나 Soil Nail, Micro Pile, Root Pile을 적용하여 주변 지반을 강화시키는 방법을 적용하였다. 대부분 예에서 강재지보가 사용되었다.
- 현장계측 분석은 터널 전체 구간 중에서 Sta.9+140~ Sta.9+240구간에 대하여 변위와숏크리트응력을분석하여 붕적층 구간과 암반 구간에서 의 차이를 검토하였으며, 강재의 응력 계측은 Sta.9+140~Sta.9+160에 대하여 분석하였다. 현장계측 시에는 천단변위, 내공변위, 숏크리트 응력 외 H-형강에서 발생되는 응력을 측정할 수 있도록 스트레인 게이지를 설치하여 함께 계측하였다.
- 9+160에 대하여 분석하였다. 현장계측 시에는 천단변위, 내공변위, 숏크리트 응력 외 H-형강에서 발생되는 응력을 측정할 수 있도록 스트레인 게이지를 설치하여 함께 계측하였다. 계측 수행 내용은 Fig.
이론/모형
- 수치해석은 유한요소법으로 수행하였으며 , 유한요소해석에 적용하기 위한 지반정수는 현장시료에 대한 공내재하시험, 공내전단시험 그리고 국내에서 기존에 적용되었단 붕적층 지반의 설계정수를 조사하여 Table 1과 같이 적용하였다(건설교통부, 2000; 임광토건 주식회사, 2004; 임광토건 주식회사, 2005; 이송 등, 1996).
- 해석에 사용된 프로그램은 국내에서 많이 사용되고 있는 VisualFEA ver 2.20을 사용하였으며(이인모, 2005), 지반모델은 Mohr-Coulomb이 적용된 Solid 요소, 숏크리트 모델은 두꺼운 Shell 요소, 강재는 Frame 요소를 사용하였다(김명모 등, 2004). Fig.
성능/효과
- 1. 강지보공의 설치에 따른 붕적토층 내 터널의 거동에서 강재 지보공의 설치에 따른 변위억제 효과가 높았던 것으로 나타났다.
- 2. 숏크리트에서 발생되는 응력은 강지보재의 설치로 숏크리트 전단면에 응력이 고르게 분배되고 있다는 사실을 확인할 수 있었다.
- 3. 강지보재에서 응력발생 형태는 천단부에서는 갱구 부에서 굴진이 진행될수록 응력이 비례하여 증가하는데 이러한 현상은 상행선과 하행선에서 모두 관찰되었으며, 측벽부에서는 측점 위치와 관계없이 발생 응력의 크기가 비슷한 것으로 나타났다. 따라서 상재하중 증가에 따른 추가적인 응력증가는 강재가 대부분 부담하는 현상을 확인할 수 있었다.
- 4. 터널 측벽부 숏크리트에 대한 수치해석결과, 강성률을 고려하지 않은 경우보다 실제 계측결과는 50%수준 작게 나타나 강재 지보공의 지보효과가매우 높았으며, 강재 지보공을 고려하지 않은 경우에는 허용응력 인 8.4MPa를 초과하여 산정되는 문제점을 확인할 수 있었다. 따라서 수치해석시 강성률을 고려한 해석이 실제와 유사한 결과를 제공해줄 수 있는 것으로 판단되었다.
- 5. 강재 지보공내에서 발생되는 응력은 계측 결과보다 해석 결과가 크게 산정되었는데, 천단부에서는 계측 결과의 2배 내외, 측벽부에서는 2.5배 이상 높게 산정되었다. 따라서 강재의 경우에는 수치해석의결 과가 안전측으로 나타나고 있어 설계의 적용상에 큰 문제는 없을 것으로 판단된다.
- 4 MPa 를 초과한 것으로 산정되었다. 50% 적용시 최대 숏크리트 응력 7.55 MPa, 75% 적용시 6.80 MPa, 100% 적용 시 6.28 MPa로 허용범위 내로 산정되었다.
- 9+140과 Sta. 9+160에서는 강재 지보공을 고려하지 않고 수치해석 결과에 의존한 경우(Case-1; 강성율 0%) 숏크리트 내의 응력이 허용 응력인 8.2 MPa에 가깝게 산정되어 실제보다 과도하게 나타나는 문제점을 확인할 수 있었다. 따라서 수치해석 수행시 강성률을 고려한 해석방식으로 실제와 유사한 결과를 제공해 줄 수 있을 것으로 판단되었다.
- 강지보재에서 응력발생 형태는 천단부에서는 갱구 부에서 굴진이 진행될수록 응력이 비례하여 증가하는데 이러한 현상은 상행선과 하행선에서 모두 관찰되었으며, 측벽부에서는 측점 위치와 관계없이 발생 응력의 크기가 비슷한 것으로 나타났다. 따라서 상재하중 증가에 따른 추가적인 응력증가는 강재가 대부분 부담하는 현상을 확인할 수 있었다.
- 2 MPa에 가깝게 산정되어 실제보다 과도하게 나타나는 문제점을 확인할 수 있었다. 따라서 수치해석 수행시 강성률을 고려한 해석방식으로 실제와 유사한 결과를 제공해 줄 수 있을 것으로 판단되었다.
- 4MPa를 초과하여 산정되는 문제점을 확인할 수 있었다. 따라서 수치해석시 강성률을 고려한 해석이 실제와 유사한 결과를 제공해줄 수 있는 것으로 판단되었다.
- 본 현장의 지층구조는 붕적층, 풍화암층, 연암층으로구성되어 있었으며, 붕적층은 지표로부터 18.0~29.0m 의 두께로서 실트질 모래 및 점토 섞 인 자갈 및 호박돌, 전석으로 구성되어 있고, 표준관입시험 결과 일정 심도에서는 대부분 25/30이상으로 매우 조밀한 상태로 조사되었다. Fig.
- 9+19。부터 일정하게 수렴됨을 보이고 있다. 붕적층 구간에서는 1.0-11.1 MPa로 숏크리트 응력의 전체적인 평균은 약 4 MPa이며, 암 층 구간에서는 0.2 ~5.8 M頂a로 평균 2.4 M頂a로 계측되었다.
- 이상의 연구결과에서 붕적층내 터널설계시 강재 지보공을 사용하는 경우 천단부에서 발생되는 숏크리트내 응력을 제외하고는 대부분 강성률 100%까지도 적용이 가능한 것으로 나타났다. 그러나 이 값을 그대로 적용하기에는 아직 자료부족에 따른 한계가 있으며, 안전측으로 50%~75%내외의 값을 적용하는 정도가 적정하리라고 판단된다.
- 최대 값을 나타낸 것이다. 해석결과 강지보를 무시한 경우 9.76 MPa로 허용 8.4 MPa를 초과하였으나, 강지보를 반영한 경우는 허용범위내로 산정되었다.
후속연구
- 그러나 보다 정확한 강성률의 적용 범위는 추후 연구들에서 토질 및 지형특성, 강지보공의 재료특성 및 설치 간격, 그리고 수치해석 상에서 해석기법 등에 대한 따른 추가적인 연구를 수행하여 결정하는 것이 타당하리라고 판단된다.
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