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문제 정의
- 기본단면과 연구단면의 형상으로 각각 설계된 터널의 지반 공학적인 안정성을 해석적으로 검토하기에 앞서 지보설계 방안에 대해 논한다.
- 본 연구는 최소 토피고가 11 m에 불과한 저토피고의대단면 터널과 관련하여 세 가지 요소를 토대로 설계 방향을 검토하였다 첫 번째 요소는 단면형상의 영향으로 국내.외 설계 예와 기준에 기초한 세 가지 비교 단면을 선정하여 부재력을 검토한 결과 터널천반과 측벽부에 단일한 곡률반경을 적용한 기본단면도 허용치를 만족하나 상부 3심원을 적용하여 우각부에도 일정한 곡률반경을 제공하는 연구단면이 천반부의 응력분포에 유리한 형상임을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 국내.외 대단면 터널의 적용사례를 토대로 설계 단면의 형상효과를 알아보고자 세 가지 비교단면을 선정한 후설 계상의 제약조건(저토피고, 라이닝 두께)을 반영한 콘크리트 라이닝의 구조해석을 우선 실시하였다 해석 결과를 토대로 기본단면과 연구단면을 규정하고 지보재 및 지반의 역학적 거동을 고찰함으로써, 제반조건을 적용한 기본설계안의 타당성과 앞으로의 설계적용을 위해 연구 검토할 단면설계안의 주요 내용들을 살펴보고자 한다.
제안 방법
- 국내에서 대단면 터널정거장으로서 시공된 사례는 1-arch 터널의 경우(단면폭 21 ~23 m, 높이 15~17 m) 와 3-arch 터널의 경우(단면폭 21 ~24 m, 높이 10 m) 로구분할 수 있으며, 복합지층이 아닌 경암 암반 내에 위치하는 지질조건과 기능실을 포함하는 건축한계 그리고아칭효과의 극대화를 위해 1-arch 터널을 기준으로 단면 형상을 계획 하였다
- 이와 같은 결과는 전 토피를 고려한 상재토압의 적용이 과중한 작용하중을 초래할 수 있음을 암시한다. 그러므로 설계상의 제약조건 하에서 양호한 응력상태를 나타내고 합리적 인 철근 배근량을 제시하는 비교단면 1을 기본 설계단면으로 아칭효과에 가장 유리할 것으로 판단되는 비교단면 3을 연구단 면으로 정의하고 연구단면에 대한 이완하중의 적용성을 검토 하였다
- 록볼트 설치는 경험식에 따라 설계되기도 하나, 등가 소성 영역을 고려한 록볼트 길이와 암반변위 억제를 위한 볼트밀도에 관한 연구(Indraratna & Kaiser, 1990)를토대로 설계하였다 등가소성영역은 그림 9와 같이 단면반경(a), 록볼트 길이, 록볼트 내 전단응력 변환지점 (p), 등가소성영역의 직경에 관해 세 가지 카테고리로 나누어진다
- 안정하며 환기 .배기를 위한 기능실의 건축한계(46 m2)와 승강장 소요공간을 만족하는 단면 형상의 결정이다 이를 위해 비교단면으로 세 가지 형상을 선정하고 개착정거장 외벽두께 1.2 m를 고려한 콘크리트 라이닝(두께: 1000 mm)에 대해 구조해석을 실시하였다
- 본 연구의 기본단면과 연구단면에 적용한 록볼트 설계는 3단 분할굴착 중 두 번째 벤치가 굴착되고 천단변위가 수렴할 것으로 예상되는 단면에 내접하는 원의 반경 (5.5 m)을 a로 정의하고 록볼트 길이가 단면 반경의 80%일 때 설치밀도를 0.15 이상으로 설정하는 검토 안에 기초하였다. 설계 적용 안으로서 암반의 자체 지보력을손상시킬 수 있는 과지보를 피하기 위해 내접원 반경의 90% 수준인 록볼트 길이에 대해 0.
- 부재력 검토를 통해 인지된 단면형상의 역학적 특성을 토대로 1000 mm 두께의 라이닝을 보강하기위해 설계기준, ‘한국콘크리트학회(2003)’에 따라 산정한 철근량을 검토함으로써 비교단면의 설계 적용성을 검토한다. 표 5는 3.
- 수행된다. 부재력 검토에서 가장 중요한 요소는 작용하중의 조합으로 본 과업과 같이 최소 토피고가 11 m인 설계 조건에서는 전토피고를 고려한 상재토압을 적용할 것인가 아니면 암반의 소성영역만을 고려한 이완하중을 적용할 것인가에 관한 비교. 검토가 필요하다 안정성 측면과 설계상의 제약에 따라 비교 단면들의 구조적 특성을 검토하기 위해 우선적으로 상재토압을 고려하였고 이완하중의 적용은 비교단면 3과 관련하여 3.
- 상기의 단면설계와 지보설계를 통해 저토피 대단면 터널에 적용 가능한 지보방안을 토대로 단면형상에 따라 기본설계안과 연구단면안을 유도할 수 있었고, 이를 검증하고자 시공대상 지역의 암반조건을 반영한 터널의 안정성을 탄소성모델에 기초한 해석적 기법으로 검토하였다
- 15 이상으로 설정하는 검토 안에 기초하였다. 설계 적용 안으로서 암반의 자체 지보력을손상시킬 수 있는 과지보를 피하기 위해 내접원 반경의 90% 수준인 록볼트 길이에 대해 0.15의 볼트밀도를 설정하였다 그러므로 아치부와 측벽부에 설계 적용된 록 볼트 길이는 5 m로 결정되었고 볼트밀도 0.15, 마찰계수 (#) 0.5, 볼트직경 25 mm에 대해 록볼트의 종. 횡방향설치간격(%, %)의 기준 치는 식 ⑹과 같이 구하였다
- 지반 조건상 최대 침하가 예상되는 천단부의 록볼트는 최대한 천단침하를 억제하고 정착초기부터 암반에 록볼트의 인장력과 동일한 내압을 작용시 켜 아치부에 형성된 암반 의지 내력이 조기에 전파되어 아칭효과가 유발될 수 있도록 스웰렉스 록볼트(Swellex rock bolt)로 선정하였다. 스웰렉스 록볼트의 길이는 사암과 셰일 층의 퇴적암반에 적용한 사례로 0.5 m의 부착 길이라면 암반에서 마찰력에 의한 저항력이 충분히 전달됨을 고찰한 연구(지왕률과 유인항 1998)를 근거로 3 m인 상용규격을 적용하고 설치 간격은 전면 접착형 록볼트와 동일하게 하였다
- 1 절에서 검토되어진 부재력과 유사하게 단면 직상부보다 아치부 부근에서 전단력의 발생이 두드러지리라 판단되어 록볼트의 적용은 천단부와 인버트를 제외한 단면요소 - 아치부 측벽부 - 로 나누어 달리 적용하였다. 인버트는 이축 평면응력상태의 터널단면에 관한 실험 결과(정형래와 김종우, 2006)에서 발견되는 하반융기에 대응하며 저토피 대단면의 구조적 폐합을 위해 계획하였다
- 저 경사각의 층리가 발달되고 급격한 지질학적 변화가 없는 저토피의 대단면에 대해 지보재에 작용하는 응력은 3.2.1 절에서 검토되어진 부재력과 유사하게 단면 직상부보다 아치부 부근에서 전단력의 발생이 두드러지리라 판단되어 록볼트의 적용은 천단부와 인버트를 제외한 단면요소 - 아치부 측벽부 - 로 나누어 달리 적용하였다. 인버트는 이축 평면응력상태의 터널단면에 관한 실험 결과(정형래와 김종우, 2006)에서 발견되는 하반융기에 대응하며 저토피 대단면의 구조적 폐합을 위해 계획하였다
- 1 절에서 결정한 바대로 설계안에 반영하였다. 지반 조건상 최대 침하가 예상되는 천단부의 록볼트는 최대한 천단침하를 억제하고 정착초기부터 암반에 록볼트의 인장력과 동일한 내압을 작용시 켜 아치부에 형성된 암반 의지 내력이 조기에 전파되어 아칭효과가 유발될 수 있도록 스웰렉스 록볼트(Swellex rock bolt)로 선정하였다. 스웰렉스 록볼트의 길이는 사암과 셰일 층의 퇴적암반에 적용한 사례로 0.
- 현지반의 응력상태를 모사하기 위한 측압계수의 적용은 최대수평 주응력방향(N20°W)과 정거장터널의 굴착방향을 고려하여 터널 축방향으로 1.5, 터널 반경 방향으로 2.0을 적용하였다
대상 데이터
- 설계구간(대구 OO공구 연장 1.8 km)은 백악기 경상분지 내 유천층군들이 분포하는 유천소분지의 서북구에 위치하며, 그림 1의 지질도에 나타낸 바와 같이 중.소 단층이 일부 교차하고 안산암질의 중성암맥이 관입하고 있다 본선 및 정거장터널은 일부 파쇄대를 제외하고 보통 암과 경암 구간을 통과하며, 기반암은 10°내외의 층리가 발달한 흑색셰일로 구성되어있다.
이론/모형
- 작용 하중으로서 상재토압.이완하중 이외에 지하수위(지하 1.3 m)를 반영한 잔류수압과 지상의 도로상에 작용하는 노면활화중 그리고 건조수축의 영향을 포함하였고 검토 결과의 신뢰도를 위해 상용프로그램(Midas사의 civil2006) 이 활용되었다
- 천반침하의 억제와 지반강성 향상을 위한 보조공법으로 훠폴링, 파이프루프 강관다단그라우팅공법 등이 있으나 57 이상의 RQD와 층리가 존재하는 셰일층에서 그라우트의 침투는 마이크로시멘트를 사용하더라도 시공 효과가 미미하므로 퇴적암반에서 선행 변위량의 억제 효과가 확인된 바(김상수 2003; Volkmann & Schubert, 2006)있는 파이프루프를 채택하였다 파이프루프의 설계는 작용모멘트와 처짐량을 계산한 선행연구(류근무 1984)에 따라 검토한 구조적인 안정성에 기초하였다
- 활용과 인장.휨응력에 강한 숏크리트의 적용에 대한 조치로서, 단위중량이 H형강의 54%에 불과하지만 520 MPa 이상의 항복강도를 나타내는 격자지보재를 천반부에 적용하고 터널벽면에 강섬유 보강 숏크리트를 타설하였다 타설 두께는 녹사평 정거장의 시공사례와 대단면 지보기준(日本地盤工学会, 1999b)에 따라 250 mm로 설계하였다
성능/효과
- 비교.검토하였다 비교단면들의 축력발생은 허용치를 만족하나 비교 단면 2의 경우는 허용치에 비교적 근접한 수치를 나타내어 역학적으로 불 만족스런 상태를 나타내었고 아치 부에서 비교단면 1이 보다 더 양호한 응력상태를 나타내었다.
- 기본 단면 안의 경우 아치부에서 주응력의 변화가 예상되었고우각부에서 물리량(응력, 변위)의 발생이 터널 안쪽으로 집중되었다 이에 반해 연구단면안의 경우 천단부와 아치 부에서 주응력의 변화가 없고 우각부에서 물리량의 발생 방향이 터널중심보다 인버트 쪽으로 전이되었다천단 침하량은 두 안에 대해 각각 1.46 mm, 1.87 mm로일본의 침하관리기준치를 고려해서 산정한 침하기준치 10 mm와 비교할 때 매우 안정적인 수치를 나타내었다 터널의 내공변위는 표 9에 기술한 주요 단면부의 변위량 으로부터 5 mm 이내의 크기가 예상되어 두 안 모두 안정적인 설계임을 알 수 있다
- 아치부의 경우 비교단면 1이 비교적 낮은 휨응력을 나타내고 비교단면 3은 단면폭이 가장 크지만 중간수준의 휨응력이 예상된다. 대체 적으로 모멘트의 발생이 천단부 보다 아치부에서 더 큰 값을 나타내어 구조적으로 아치부가 취약할 것으로 판단되지만 비교단면 3은 천단부와 아치부에서 거의 동일한 모멘트가 발생하여 터널천반에서 구조적으로 휨응력의 분산이 잘 이루어지고 있음을 알 수 있다. 우각부의 모멘트 발생양상도 비교단면 2에서 가장 큰 휨응력의 발생을 암시하였고, 비교단면 1과 단면 3이 비교적 안정적인 값을 보였다 발생된 모멘트의 크기는 표 4에 제시된 허용치 이하의 수치를 나타내었다
- 외 설계 예와 기준에 기초한 세 가지 비교 단면을 선정하여 부재력을 검토한 결과 터널천반과 측벽부에 단일한 곡률반경을 적용한 기본단면도 허용치를 만족하나 상부 3심원을 적용하여 우각부에도 일정한 곡률반경을 제공하는 연구단면이 천반부의 응력분포에 유리한 형상임을 알 수 있었다. 두 번째 요소는 작용하중의 적용 방법으로 전토피고를 반영한 상재토압을 적용하며 라이닝 두께를 1000 mm로 산정한 경우, 기본설계안이 비교적 합리적인 철근 배근량을 제시했으나 역학적으로 유리한 연구 단면 안의 경우 시공성이 불량한 직경 32 mm의 고강도 철근이 소요되었다 이로부터 이완하중의 적용 가능성을 인지하고 연구단면안에 적용한 결과 600 mm의 라이닝 두께와 직경 22 mm의 고강도 철근으로도 라이닝 설계가 가능하였다 세 번째 요소는 저토피 대단면에 대한지보방안과 터 널 안정성분석으로 지보방안의 핵심사항은 파이프 루프의 적정설계 이완고를 고려한 록볼트 길이 및 록볼트 밀도 천단부의 스웰렉스 록볼트 적용에 의한 암반 지내력의 조기전파, 강섬유숏크리트의 적정두께 등으로 요약될 수 있다. 현지반의 제반조건을 적용한 터널 안정성 분석을 통해 기본설계안과 연구단면안 모두 허용치 이내의 안정적인 변형거동을 나타내었고 터널 주변의 응력분포는 연구단면안이 더 유리함을 알 수 있었다.
- 따라서 1000 mm의 라이닝 두께와 전토피고를 적용한 하중조건에서 비교단면 1 이 가장 양호한 철근배근을 제시하는 것으로 판단된다.
- 1 m 임을 알 수 있었다. 따라서 암반 물성치의 변화가 예상 되는 손상영역은 약 1 m 이내인 것으로 판단되며 소성범위는 최대 4.1 m까지 예상되었다 이완고는 이완 하중을 적용하는 범위로서 3.5 m까지 고려하는 것이 역학적으로 타당하리라 사료되었다
- 상기한 부재력의 검토결과 발생크기는 비교단면 모두가 설계 허용치 이하의 값을 보이나, 비교단면 2가 역학적으로 가장 불리한 형상임을 알 수 있었다. 또한 터널천반의 응력 상태는 비교단면 3이 비교적 일정한 분포를 나타내었으나 응력 치는 비교단면 1 이 낮은 수치를 나타내었고 우각부의 경우는 비교단면 3이 역학적으로 유리한 단면임을 알 수 있었다
- 상기의 결과로부터 이완하중의 적용은 부재력의 감소이에 따른 설계허용치의 하향설정 그리고 철근배근의시공성 향상을 초래할 것임을 알 수 있었다. 그리고 단면 폭이 23 m에 이르는 연구단면이 600 mm의 라이닝 두께, 직경 22 mm의 고강도철근, 125 mm의 배근 간격으로 구성되는 라이닝 설계가 가능하다는 사실은 저 토피 지반조건에서도 기반암의 상태에 따라 이완 하중의 적용성을 검토할 필요가 있음을 지시한다.
- 이는 우각부에서 양호한 곡률을 제공하는 비교단면 3의 단면형상에 기인하는 것으로 사료된다. 상기한 부재력의 검토결과 발생크기는 비교단면 모두가 설계 허용치 이하의 값을 보이나, 비교단면 2가 역학적으로 가장 불리한 형상임을 알 수 있었다. 또한 터널천반의 응력 상태는 비교단면 3이 비교적 일정한 분포를 나타내었으나 응력 치는 비교단면 1 이 낮은 수치를 나타내었고 우각부의 경우는 비교단면 3이 역학적으로 유리한 단면임을 알 수 있었다
- 설계대상 암반과 유사한 지질특성을 나타내는 석산에서의 시험발파를 통해 얻은 발파진동속도에 삼승근식이적용 가능했으며 임계진동속도에 도달하는 거리는 1.1 m 임을 알 수 있었다. 따라서 암반 물성치의 변화가 예상 되는 손상영역은 약 1 m 이내인 것으로 판단되며 소성범위는 최대 4.
- 8 km 구간 내에 교차로 4개소, 경산소방소와 영남대 박물관 및 대학로 등 3차로 이상을 요구하는 교통소요가 존재한다. 시공 중 장비의 출입을 위한수직구 및 개착구간 공사로 인한 교통지체도와 오전 첨두시 3 정거장에 인접한 대학로 부근 교차로 서비스 수준은 민원발생을 야기할 것으로 예상되었다 그 결과 3 정거장 전 구간을 개착식으로 굴착.시공할 경우 소요되는 토 공비 증가, 기회비용의 증가는 터널굴착의 가능성을 검토하게 하 였고 이로부터 정거장 구간 150 m 중 대학로에 근접한 35.
- 영향으로 국내.외 설계 예와 기준에 기초한 세 가지 비교 단면을 선정하여 부재력을 검토한 결과 터널천반과 측벽부에 단일한 곡률반경을 적용한 기본단면도 허용치를 만족하나 상부 3심원을 적용하여 우각부에도 일정한 곡률반경을 제공하는 연구단면이 천반부의 응력분포에 유리한 형상임을 알 수 있었다. 두 번째 요소는 작용하중의 적용 방법으로 전토피고를 반영한 상재토압을 적용하며 라이닝 두께를 1000 mm로 산정한 경우, 기본설계안이 비교적 합리적인 철근 배근량을 제시했으나 역학적으로 유리한 연구 단면 안의 경우 시공성이 불량한 직경 32 mm의 고강도 철근이 소요되었다 이로부터 이완하중의 적용 가능성을 인지하고 연구단면안에 적용한 결과 600 mm의 라이닝 두께와 직경 22 mm의 고강도 철근으로도 라이닝 설계가 가능하였다 세 번째 요소는 저토피 대단면에 대한지보방안과 터 널 안정성분석으로 지보방안의 핵심사항은 파이프 루프의 적정설계 이완고를 고려한 록볼트 길이 및 록볼트 밀도 천단부의 스웰렉스 록볼트 적용에 의한 암반 지내력의 조기전파, 강섬유숏크리트의 적정두께 등으로 요약될 수 있다.
- 대체 적으로 모멘트의 발생이 천단부 보다 아치부에서 더 큰 값을 나타내어 구조적으로 아치부가 취약할 것으로 판단되지만 비교단면 3은 천단부와 아치부에서 거의 동일한 모멘트가 발생하여 터널천반에서 구조적으로 휨응력의 분산이 잘 이루어지고 있음을 알 수 있다. 우각부의 모멘트 발생양상도 비교단면 2에서 가장 큰 휨응력의 발생을 암시하였고, 비교단면 1과 단면 3이 비교적 안정적인 값을 보였다 발생된 모멘트의 크기는 표 4에 제시된 허용치 이하의 수치를 나타내었다
- 전토피고가 아닌 암반의 소성영역으로 작용하중의 적용 범위가 한정되므로 라이닝 두께를 1000 mm, 800 mm, 600 mm로 달리하여 연구단면의 구조적 특징을 검토하였다 동일한 작용하중과 내부 단면적 하에서 천단부와 아치부의 부재력 - 모멘트(M), 축력(P), 전단력 (S)- 은 표 7에 기술된 바와 같이 라이닝 두께에 따라 다른 양상을 보였다 축력은 역학적으로 의미 있는 차이를 나타내지 못했으나 라이닝 두께의 감소에 따라 모멘트의 감소 경향은 두드러짐을 보였다
- 두 번째 요소는 작용하중의 적용 방법으로 전토피고를 반영한 상재토압을 적용하며 라이닝 두께를 1000 mm로 산정한 경우, 기본설계안이 비교적 합리적인 철근 배근량을 제시했으나 역학적으로 유리한 연구 단면 안의 경우 시공성이 불량한 직경 32 mm의 고강도 철근이 소요되었다 이로부터 이완하중의 적용 가능성을 인지하고 연구단면안에 적용한 결과 600 mm의 라이닝 두께와 직경 22 mm의 고강도 철근으로도 라이닝 설계가 가능하였다 세 번째 요소는 저토피 대단면에 대한지보방안과 터 널 안정성분석으로 지보방안의 핵심사항은 파이프 루프의 적정설계 이완고를 고려한 록볼트 길이 및 록볼트 밀도 천단부의 스웰렉스 록볼트 적용에 의한 암반 지내력의 조기전파, 강섬유숏크리트의 적정두께 등으로 요약될 수 있다. 현지반의 제반조건을 적용한 터널 안정성 분석을 통해 기본설계안과 연구단면안 모두 허용치 이내의 안정적인 변형거동을 나타내었고 터널 주변의 응력분포는 연구단면안이 더 유리함을 알 수 있었다.
후속연구
- 향상을 초래할 것임을 알 수 있었다. 그리고 단면 폭이 23 m에 이르는 연구단면이 600 mm의 라이닝 두께, 직경 22 mm의 고강도철근, 125 mm의 배근 간격으로 구성되는 라이닝 설계가 가능하다는 사실은 저 토피 지반조건에서도 기반암의 상태에 따라 이완 하중의 적용성을 검토할 필요가 있음을 지시한다.
- 이러한 연구결과는 기본설계안의 안정성과 합리성에 대한 자료를 제공하고 있지만, 향후 대단면 터널설계에서 단면형상에 대한 고찰과 저토피고 조건이라도 암반 상태에 따라 이완하중의 적용이 검토되어야할 필요가 있음을 대변한다.
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