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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존 터널에 근접 굴착 시 터널의 안정성을 확보하기 위해 벽체변위가 거의 발생되지않도록 버팀대에 선행하중을 가하는 경우에 흙막이 벽체와 터널, 배면의 지표침하의 거동을 분석하였다. 이를 위하여 실제 시공 과정을 재현한 대형 시험을 실시하였고, 대형 시험과 동일한 조건으로 수치해석을 수행하여 결과를 비교하고 선행하중의 재하모델을 검증하였다.
- 본 연구에서는 기존 터널에 근접하여 흙막이벽체를 설치하고 지반을 굴착할 때 발생된 흙막이벽체의 수평 변위를 버팀대에 설계축력 이상으로 선행하중을 가하여 억제시킴으로써 벽체 배면에 있는 터널의 안정성을 확보하는 방안을 연구하였다. 이를 위해 버팀대에 선행하중을 가하지 않을 때와 선행하중을 가할 때에 대해 대형 시험을 수행하고 대형 시험과 같은 조건으로 수치해석을 실시하여 검증하였으며, 그 결과 다음의 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 설계 축력이상의 큰 선행하중을 가할 수 있도록 선행하중 재하 시스템을 개발하여 굴착 시발 생한 흙막이벽체의 수평변위를 최대한 억제시킴으로써 벽체 배면에 있는 구조물의 안정성을 확보하기 위해축소율 1/10의 대형 시험을 실시하여 검증하였다. 대형시험은 기존의 지하철 복선터널에서 0.
가설 설정
- 0 m(R=6.0 m)이며, 연구대상 지뱐은 탄성계수(Ek) 가 400, 000~500, 000 kN/m2 인 연약한 암에 해당하는 지반를 기준으로 하였고, 시험지반의 탄성계수(Ekm)는 20, 000~30, 000 kN/m?을 기준으로 하였다 모형 터널은 원형으로 가정하고 모형 터널의 직경은 길이에 대한 축소율 1/10을 적용하여 대 단면 복선 터널의 직경 12.0 m를 D=1.2 m로 결정하였다.
제안 방법
- 형강의 flange가 맞물리도록 용접해서 2장을 Iset 로 총 8장을 제작하여 모형 흙막이벽체(철판) 전면에 설치하고 스크류잭으로 형강을 고정하였으며, 굴착은스크류잭을 푸는 방식으로 모사하였다 지반은 총 8단계로 단계별 굴착하였고 버팀대 선행하중은 굴착 시 발생한 흙막이벽체의 수평변위가 "0"(Zero)을 유지하도록 유압잭을 사용하여 굴착 단계별로 가하였다.
- 굴착 단계별로 버팀대에 선행하중을 가하지 않았을 때발생된 내공변위와 선행하중을 가했을 때 억제되는 터널 라이닝의 내공변위의 변화를 1 단 굴착 시작부터 8단 굴착 완료까지 수치해석결과와 대형 시험결과를 비교하였으며 그림 11, 12와 같다.
- 굴착 단계별로 버팀대에 선행하중을 가하지 않았을 때와 가했을 때 흙막이벽체 수평변위에 대해 대형 시험 결과와 수치해석결과를 비교하였으며, 이러한 흙막이 벽체의 수평변위 형상은 그림 5, 6과 같다.
- 대형 시험에 사용된 모래 지반의 물리적 성질은 습윤상태의 모래로 다짐하였고, 지반이 조성된 상태에서 시료를 채취하여 입도분포시험, 비중시험, 현장 단위 중량시험 및 함수량시험을 실시하여 확인하였다. 시험지반을 통일 분류법에 의해 분류하면 미세립자가 적으며 입도 분포가 균등하고 불량한 모래(SP)로 나타났으며, 시험 결과는 그림 2와 표 1과 같다.
- 대형시험은 기존의 지하철 복선터널에서 0.5D(6.0 m) 이격되어 지하연속벽을 설치하고 8단의 버팀대를 단계별로 설치하면서 굴착을 완료하는 경우에 대해서 2차원 경계조건으로 실시하였다. 대형 시험은 폭 2.
- 모형 토조 전면에 모형 흙막이 벽체를 설치하고, 그 앞에 1-형강을 격자로 설치하였다. 반력강재 3개를 세로로 설치하여 중앙 반력 강재에는 유압잭을 버팀대 위치에 설치하고 양쪽 반력 강재에는 스크류잭을 설치하였다.
- 본 대형 시험의 지반은 모래로 균질하고 등방성인 시험 지반을 조성하여 실시하였으며, 상대밀도를 일정하게 유지하기 위해 토조 바닥에서부터 습윤 상태의 모래를 한번에 30 cm씩 포설하고 진동기로 다짐하여 조성하였다. 조성된 지반의 토질정수는 코어커터(DIN 4021) 를 이용하여 불교란 시료를 채취하여 시험하였다.
- 본 연구는 흙막이벽체의 두께가 80 cm인 지하연속벽배면에 토피 2.0D, 직경 (D) 12.0 m의 복선터널이 벽체에서 0.5D(6.0 m) 이격된 경우에 버팀대 8단을 설치하여 굴착을 완료하는 현장을 대상으로 대형 시험을 실시하였다. 이에 대해 범용 유한요소 해석 프로그램(F.
- 본 해석에서의 흙막이 구조물은 좌우대칭으로 생각하여 반 단면 2차원으로 수치해석을 수행하였으며, 모형 흙막이 벽체와 모형 터널 라이닝이 지반과 접촉된 경계면에는 Interface를 두었다
- 시험 지반의 역학적 성질은 조성된 시험 지반의 함수비와 상대밀도가 같도록 공시체를 만들어서 변형률 제어방식(strain control)으로 직접전단시험을 실시하였다.그 결과 내부마찰각은 38°, 겉보기 점착력(C)은 6.
- 이를 위하여 실제 시공 과정을 재현한 대형 시험을 실시하였고, 대형 시험과 동일한 조건으로 수치해석을 수행하여 결과를 비교하고 선행하중의 재하모델을 검증하였다.
- 연구하였다. 이를 위해 버팀대에 선행하중을 가하지 않을 때와 선행하중을 가할 때에 대해 대형 시험을 수행하고 대형 시험과 같은 조건으로 수치해석을 실시하여 검증하였으며, 그 결과 다음의 결론을 얻었다.
- 0 m) 이격된 경우에 버팀대 8단을 설치하여 굴착을 완료하는 현장을 대상으로 대형 시험을 실시하였다. 이에 대해 범용 유한요소 해석 프로그램(F.E.M) 인 PLAXIS Ver. 8.2를 이용하여 1/10 축소율로 구조물을 2차원으로 모델링하여 흙막이벽체의 수평변위와 부재력(모멘트 전단력), 터널 라이닝의 내공변위와 부재력 (모멘트 전단려 축력), 흙막이벽체 배면의 지표침하를 수치 해석하였다.
대상 데이터
- 대형 시험에 사용된 모형 터널 라이닝은 두께가 30 cm인 콘크리트 라이닝을 기준으로 t=6 mm인 철판 E로 모형 흙막이벽채는 상사율을 적용하여 두께 80 cm인 지하 연속 벽을 t=16 mm인 철판으로 제작흐}였다.
- 0 m) 이격되어 지하연속벽을 설치하고 8단의 버팀대를 단계별로 설치하면서 굴착을 완료하는 경우에 대해서 2차원 경계조건으로 실시하였다. 대형 시험은 폭 2.0 m, 길이 4.0 m, 높이 6.0 m인 모형 토조에서 모래로 지반을 조성하여 실시하였으며, 시험에 사용한 토조의 개략도 및 전경은 그림 1 및 사진 1과 같다.
- 본 대형 시험에서 사용된 모형 토조의 크기는 폭 2.0 m, 길이 4.0 m, 높이 6.0 이이며 모형 토조 양쪽의 측벽은 지반조성 모래와 콘크리트 벽체 사이에 마찰이 작용하지 않도록 특수 처리하였다. 모형 토조 전면에 모형 흙막이 벽체를 설치하고, 그 앞에 1-형강을 격자로 설치하였다.
- 0으로 하고 시간의 축소율을 산정하였으며, 축소율을 산정하기 위해 먼저 길이에 대한 축소율을 정한 후 시간, 밀도 질량, 응력 등의 축소율를차례로 산정하였다 그리고 상사법칙에는 질량, 시간, 가속도 기준의 상사법칙(양형식, 2007; 심현진 외, 2007) 이있으며, 본 연구에서는 축소율이 1/10인 대형 시험을 실시하였다. 연구 대상의 터널 라이닝과 흙막이벽체의 재질은 콘크리트로 단위중량(T)은 25 kN/n? 이고 대형 시험에서 사용된 모형 터널 라이닝과 흙막이벽체의 재질은 철판으로 단위중량(1)을 78 kN/n?으로 가정하였으며 축소율 산정결과는 아래 표 2와 같다.
- 조성된 지반의 토질정수는 코어커터(DIN 4021) 를 이용하여 불교란 시료를 채취하여 시험하였다. 시험지반의 물리적, 역학적 특성은 다음과 같다.
이론/모형
- 본 연구에서는 지반과 라이닝을 강성비(a)로 나타내는 Duddeck과 Erdmann(1985)의 방법으로 모형 터널 라이닝의 두께를 결정하였다.
- 흙막이벽체와 터널 라이닝은 Plate 요소로 버팀대는 Fixed Anchor 요소로 하여 탄성(Elastic)모델로 지반구성모델은 Mohr-Coulomb 모델과 Hardening Soil 모델두 가지를 사용하였으며, 유한요소망은 15절점 삼각형 요소를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 버팀대 선행하중을 설계 축력이상으로 적용시켜 굴착 시 발생된 흙막이벽체의 수평 변위를 거의 발생되지 않도록 억제시켰을 때, 흙막이벽체 배면에 있는 기존 터널의 안정성은 크게 향상되었다.
- 2) 수치해석결과 흙막이벽체의 수평변위를 거의 발생시키지 않는 버팀대 선행하중의 크기는 설계축력의 약 1.2~15배 이내로 나타났다.
- 3) 버팀대 선행하중을 가하지 않았을 때보다 가했을 때 최종 굴착단계에서 흙막이벽체의 수평변위는최대값을 기준으로 대형 시험과 수치해석에서의 Mohr-Coulomb 모델과 Hardening Soil 모델의 경우 모두 감소하였으며 대형 시험결과가 수치해석 결과보다 더 감소되는 것으로 확인되었다. 또한 버팀대 선행하중을 가하지 않았을 때 보다 가했을 때 최종굴착단계에서 흙막이벽체의 부재력의 최대값은 절대값을 기준으로 대형 시험결과 최대 휨모멘트는 증가하고 최대 전단력은 감소하였다 그러나 수치해석결고} Mohr-Coulomb 모델과 Hardening Soil 모델의 경우 최대 휨모멘트와 최대 전단력 모두 증가하였다
- 4) 버팀대 선행하중을 가하지 않았을 때를 기준으로 선행하중을 가했을 때 터널 라이닝의 내공변위는최대값을 기준으로 대형 시험결과와 수치해석결과 Mohr-Coulomb과 Hardening Soil 모델의 경우 모두 대폭 감소하였다 터널 라이닝의 부재력은 대형 시험 결과 최대 훰모멘트와 최대 전단력 모두 감소하였으나 반대로 최대 축력은 증가하였다
- 5) 수치해석 및 대형 시험결과 흙막이벽체의 수평 변위와 터널 라이닝의 내공변위는 굴착 시 단계별로 버팀대 선행하중을 가하지 않았을 때 보다 가했을 때 대폭 감소하는 것으로 나타났다. 즉 선행하중을 가하지 않았을 때는 흙막이벽체의 수평변위와 터널 라이닝의 내공변위는 대형 시험과 수치 해석 결과 모두 터널이 위치하는 버팀대 6단 위치에서 가장 크게 발생되었으며, 이때 터널 라이닝의 형상은 수직으로 줄고 수평으로 늘어나는 납작한 모양으로 변형되었다.
- 6) 지표참하는 버팀대 선행하중을 가하지 않얐을 때보다 가했을 때 대형 시험과 수치해석 결과 Mohr-Coulomb 모델과 Hardening Soil 모델의 경우 모두 대폭 감소하였다.
- 7) 대형 시험결과와 수치해석결과를 비교한 결과 Mohr-Coulomb 모델이 대형 시험결과와 더 잘 부합되었으며 Hardening Soil 모델 값은 전체적으로 크게 나타났다 이처럼 대형 시험결과와 수치해석결과로부터 기존 터널에 근접 굴착 시 단계별로 버팀대에 선행하중을 가했을 때 흙막이벽체 배면에 있는 터널의 안정성이 크게 향상되는 것으로 나타났다. 또한 이러한 결과는 지반 조건과 구조물의 해석조건 등 많은 변수에 의해 달라 질 수 있으므로 향후에도 광범위한 연구와 실측 자료 분석 및 지속적인 연구가 필요하다.
- ① 대형 시험결과 최대 휨모멘트는 -0.20 kNm/m에서 -0.02 kNm/m로 90%, 최대 전단력은 -0.33 kN/m 에서 -0.18 kN/로 45% 감소하였으나, 최대 축력은 -34.38 kN/m에서 -124.86 kN/m로 크게 증가하였다.
- 수치해석결과 Mohr-Coulomb 모델의 경우 최대 휨모멘트는 0.15 kNm/m에서 0.07 kNm/m로 53%, 최대 전단력은 1.16 kN/m에서 0.44 kN/m로 62% 감소하였으나, 최대 축력은 -17.46 kN/m에서 -22.84 kN/m로 31% 증가하였다.
- ③ 수치해석 결과 Hardening Soil 모델의 경우 3.31mm 에서 0.69 mm로 79% 감소하였다.
- ③ 수치해석결과 Hardening Soil 모델의 경우 3.29 mm 에서 0.22 mm로 93% 감소하여 대형 시험결과가 수치해석 결과보다 더 감소하는 것으로 나타났다.
- ③ 수치해석결과 Hardening Soil 모델의 경우 최대 휨모멘트는 0.16 kNm/m에서 0.08 로 50%, 최대 전단력은 0.84 kN/m에서, 0.49 kN/m로 42% 감소하였으나 최대 축력은 -17.95 kN/m에서 -24.55 kN/m 로37% 증가하였다.
- 29 mm 에서 0.22 mm로 93% 감소하여 대형 시험결과가 수치해석 결과보다 더 감소하는 것으로 나타났다.
- 11, 12 참조). 또한 터널 라이닝 부재력(최대 휨모멘트 최대 전단력)은 Mohr-Coulomb 모델과 Hardening Soil 모델의 경우 모두 감소하였으나, 최대축력은 증가하는 것으로 나타났다(그림 13, 14 참조).
- 유지하였다. 선행하중을 가하지 않았을 때 흙막이 벽체의 수평변위와 터널의 내공변위는 Mohr-Coulomb 모델과 Hardening Soil 모델 모두 터널이 위치하는 6단 버팀대 위치에서 가장 크게 나타났다. 이때 터널 라이닝의 내공변위 형상은 수직으로 줄고 수평으로 늘어나는 납작한 모양으로 변형되었다.
- 선행흐}중을 가했을 때 대형 시험결과, 최대 휨모멘트는 증가하고 최대 전단력은 감소한 반면에 수치해석 결과는 최대 휨모멘트와 최대 전단력 모두 증가하는 것으로 나타났다. 선행하중을 가하지 않았을 때와 가했을 때 최종 굴착단계에서 흙막이벽체의 부재력은 수치해석 및 대형 시험결과는 그림 7~10과 같다.
- 수치해석 및 대형 시험결과 모두 터널 라이닝의 최대모멘트와 최대 전단력은 선행하중을 가하여 완화 시킬 수 있었으나, 축력은 증가하는 것으로 나타났다. 선행하중을 가하지 않았을 때와 가했을 때 최종 굴착단계에서의 수치해석 및 대형 시험결과에 의한 터널 라이닝의 부재력은 그림 13, 14와 같다.
- 수치해석 및 대형 시험결과 모두 흙막이벽체의 수평 변위와 터널 라이닝의 내공변위는 굴착 단계별로 버팀대 선행흐}중을 가했을 때 거의 원래의 상태를 유지하였다. 즉 굴착 시 버팀대에 선행하중을 가하지 않았을 때 흙막이 벽체의 수평변위와 터널 라이닝의 내공변위는 수치해석과 대형 시험결과 모두 터널이 위치하는 6단 버팀대 위치에서 가장 크게 나타났으며, 이때 터널 라이닝의 내공 변위 형상은 수직으로 줄고 수평으로 늘어나는 납작한 모양으로 변형되었다.
- 수치해석 및 대형 시험결과 최종 굴착단계에서 버팀대 선행중을 가하지 않았을 때를 기준으로 가했을 때 지표침하는 대폭 감소되었다.
- 수치해석결과 최종 굴착단계에서 최대 수평변위는 적용모델에 따라 약간의 차이를 보였다. 선행하중을 가하지 않았을 때를 기준으로 선행하중을 가했을 때 최대수평변위(&)는 Mohr-Coulomb 모델과 Hardening Soil 모델 모두 대폭 감소하였다(그림 5, 6 참조).
- 수치해석결과도 Mohr- Coulomb 모델과 Hardening Soil 모델의 경우 모두 최대 휨모멘트와 최대 전단력 모두 감소하였으나 최대 축력은 증가하였다
- 수치해석결과와 대형 시험결과 모두 굴착 시 흙막이 벽체의 수평변위에 의해 발생한 터널 라이닝의 내공 변위는 굴착 단계별로 버팀대 선행하중을 가하면 대폭 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 즉 터널 라이닝의 내공 변위는 선행하중을 가하지 않았을 때는 굴착이 진행되는 동안 점점 증가하였으나 굴착 단계별로 버팀대에 선행하중을 가함에 따라 원래의 모양에서 거의 변하지 않았다.
- 즉 굴착 시 버팀대에 선행하중을 가하지 않았을 때 흙막이 벽체의 수평변위와 터널 라이닝의 내공변위는 수치해석과 대형 시험결과 모두 터널이 위치하는 6단 버팀대 위치에서 가장 크게 나타났으며, 이때 터널 라이닝의 내공 변위 형상은 수직으로 줄고 수평으로 늘어나는 납작한 모양으로 변형되었다. 그러나 굴착 단계별로 버팀대에 선행흐}중을 가하여 발생된 흙막이벽체의 수평 변위를 거의 "O"(zero)에 가깝게 억제시킨 경우에는 터널 라이닝의 형상이 원래의 모습에서 거의 변하지 않았다 이러한 흙막이벽체와 터널 라이닝 내공변위의 형상은 그림 15, 16과 같다
- 감소하는 것으로 나타났다. 즉 선행하중을 가하지 않았을 때는 흙막이벽체의 수평변위와 터널 라이닝의 내공변위는 대형 시험과 수치 해석 결과 모두 터널이 위치하는 버팀대 6단 위치에서 가장 크게 발생되었으며, 이때 터널 라이닝의 형상은 수직으로 줄고 수평으로 늘어나는 납작한 모양으로 변형되었다. 그러나 굴착 단계별로 버팀대 선행하중을 가하여 굴착 시 발생된 흙막이벽체의 수평 변위를 거의 "0"(Zero)으로 억제시켰을 경우에는 터널의 형상이 원래의 모습에서 거의 변하지 않았다.
- 지반을 굴착하는 동안에 발생되는 흙막이벽체의 수평 변위는 버팀대에 선행하중을 가하지 않았을 때를 기준으로 선행하중을 가했을 때, 대형 시험결과보다 수치해석 결과가 다소 크게 나타났다. 최종 굴착단계에서의
- 최대 지표침하량은 최종 굴착 단계에서 선행하중을 가하지 않았을 때를 기준으로 선행하중을 가했을 때 Mohr-Coulomb 모델과 Hardening Soil 모델 모두 대폭감소하였으며, Hardening Soil 모델은 Mohr-Coulomb 모델과 비교하여 상대적으로 그 감소량이 적었다(그림 17, 18 참조).
- 터널 라이닝의 내공변위는 버팀대에 선행하중을 가하면 대폭 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다 굴착 시 버팀대에 선행하중을 가하지 않았을 때를 기준으로 선행하중을 가했을 때, 터널 라이닝의 최대 내공변위는Mohr -Coulomb 모델과 Hardening Soil모델 모두 대폭 감소하였다(그림 11, 12 참조). 또한 터널 라이닝 부재력(최대 휨모멘트 최대 전단력)은 Mohr-Coulomb 모델과 Hardening Soil 모델의 경우 모두 감소하였으나, 최대축력은 증가하는 것으로 나타났다(그림 13, 14 참조).
후속연구
- 것으로 나타났다. 또한 이러한 결과는 지반 조건과 구조물의 해석조건 등 많은 변수에 의해 달라 질 수 있으므로 향후에도 광범위한 연구와 실측 자료 분석 및 지속적인 연구가 필요하다.
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