[논문]FEM해석에 의한 막장볼트 및 보조벤치의 막장안정성 효과에 관한 연구

김성열; 윤지선

FEM해석에 의한 막장볼트 및 보조벤치의 막장안정성 효과에 관한 연구
Study on the Effect of Bolt and Sub-bench on the Stabilization of Tunnel Face through FEM Analysis 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.18 no.6 = no.77, 2008년, pp.427 - 435

김성열 (동신기술개발주식회사 기술연구소) , 윤지선 (인하대학교 환경토목공학부)

초록
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본 연구에서는 지반등급 V중에서 막장자립이 곤란한 지반에 대해 지반고유의 지지력을 최대한 이용하기 위한 굴착공법 및 적정벤치길이에 대해 검토하고, 보조공법으로 막장볼트를 적용할 경우 타설 패턴, 타설 개수에 따라 막장 및 막장주변지반에 어떠한 영향이 발생되는지에 대해 3차원 FEM해석을 수행하였다. 보조벤치 병용전단면공법이 조기 단면폐합으로 변위를 크게 줄일 수 있음을 알 수 있었으며, 타설 패턴으로는 격자상, 교호배치형(지그재그형), 원주상순으로 변위억제효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 타설 개수 증가에 따라 막장축방향 수평변위에 대해 억제효과가 있는 것으로 분석되었으며 보조벤치 병용 전단면공법굴착시공의 경우 막장부 $1.5m^2$에 1개의 막장볼트(격자상) 타설로 막장면 안정성을 확보할 수 있을 것으로 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, review was made for the excavation method and optimum bench length for unstable tunnel face in case of rock classification type V in order to make the best use of in-situ bearing capacity. 3D FEM analyses were performed to investigate the influences on the tunnel face and adjacent area with regard to the pattern and number of bolts when face bolts were used as a supplementary measure. As a result of this study, full section excavation method with sub-bench is effective in reducing the displacement greatly due to early section closure. Displacement-resistant effects in accordance with the bolting patterns are grid type, zig-zag type and then circular type in order of their effect. And horizontal extrusion displacement of tunnel face reduces as the number of bolts increase. A grid type face bolt covering $1.5m^2$ of tunnel face could secure the face stability in case of full section excavation method with sub-bench.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그동안 막장볼트에 대한 연구논문들이 다수 있으나 단면크기, 지반조건, 보강재 특성 등 여러 변수에 따라 그 거동, 이 달라짐으-로 실제 활본 연구에서는 먼저 터널을 보조벤치 병용 전단면 공법으로 굴착할 때 지반등급 V의 지반이 어느 정도의 변형. 강도특성이면 막장자립이 곤란하게 되며 보조공법의 필요성이 생기는지에 대해 알아보고 막장자립이 곤란한 것으로 판단되는 지반 VII (지반등급V중 막장 자립이 곤란한 지반상태)에 대해 지반이 갖는 지지력을 최대한 이용하기 위한 분할위치에 대해 검토를 수행하였다.
막장. 및 막장주변지반에 어떠한 영향이 생기는지에 대하여 고찰하여 보았다.
이 때문에 굴착공법의 차이가 터널 굴착면의 변형 거동에 어떠한 영향이 있는지에 대하여 검토하여 보았다. 점보드릴과 같은 대형기계를 사용하는 전제로 전 단면공법과 상부 반단면공법(벤치길이 : 30 m)에 대해 검토하였다.
보았다. 점보드릴과 같은 대형기계를 사용하는 전제로 전 단면공법과 상부 반단면공법(벤치길이 : 30 m)에 대해 검토하였다. Vh 등급 암반에 대해 전단면공법을 비교 대상으로 한 것은 보조벤치 병용 전단면 공법에 있어서 벤치 길이 3 이의 이점을 알아보기 위해서이다.

제안 방법

변형. 강도정수를 갖게 되며 Vn 지반에서 보조벤치 및 막장 볼트 공법이 막장안정에 미치는 영향을 알아보기 위해 3 차원 유한요소해석을 수행하였다. 본 연구결과에서 이하와 같은 결론을 얻었다.
다음으로 막장의 자립이 곤란한 지반 Vn 에 대해 보조공법으로 페이스볼트를 병용하여 굴착할 경우 3차원 유한요소해석 으로 타설 패턴 및 타설 개수 차이에 따라 막장. 및 막장주변지반에 어떠한 영향이 생기는지에 대하여 고찰하여 보았다.
터널굴진장은 상 하 단면 모두 L0 이로 굴진하며 해석 시 굴착단계는 원지반상태 —*상반굴착 및 막장볼트 타설— 1차지보설치(록볼S, 숏크리트) t 숏크리트 경화 단계 -> 하반굴착-1 차지보설치(록볼트 숏크리트)-, 숏크리트 경화단계의 순서로 하였다. 막장볼트는 굴착과 동시에 타설한 것으로 하였으며 6.0 m 굴착마다 중첩배치 하였다.
막장볼트의 타설 패턴은 격자상으로서 그 타설 개수를 변경시켜 터널막장면의 변형거동에 어떠한 영향이 있는가에 대해 검토하였다. 타설 개수는 이미 타설한 31개를 포함하여 15개와 47개의 3종류이다.
먼저 막장볼트를 배치형상 차이에 의해 터널 굴착 면의 변형 거동에 어떠한 영향이 생기는 가에 대해 검토하였다. 막장볼트의 배치형상으로서는 격자상 교호배치형, 원주상의 3가지를 생각하였다(그림 11(a) ~(c)참조).
본 연구에서는 터널반경이 5, 770 mm로 신간선 4, 750 nun보다 크므로 관리 기준치를 신간선보다 작은 값으로 하는 전제하에『직접 변형율 제어법』(김영수 외, 2008, 東博秋 외, 1998, 久療風 외, 2007)에 의해 터널반경 (R), 한계변형율(e)로 구하여지는 반경방향 변위(&)로서 &= R X e M 60 mm를 막장변위의 관리치로 하였다.
수치해석에서는 막장면의 안정성확보를 위해서 막장 볼트(수평타설)를 병용한 보조벤치 병용 전 단면공법으로 터널을 시공하는 것으로 하였다. 또한 막장 볼트의 타설 길이는 12 m로 하였다.
한다. 여기서는 해석 값이 영향 받지 않도록 그림 2에서와 같이 하부해석 영역을 4D(48 m), 측부를 5D (60 m) 그리고 종단 해석 영 역으로 5D(60 m)를 적용하였다.
다나까(田中)(道廣-利 외, 2002) 는 막장 축방향 수평변위와 관련하여 막장의 안정성 레벨을 객관적으로 판단하는 시도를 하였다. 터널 막장에서 변위를 계측하여 그 결과를 분석함으로써 막장 붕괴예측을 시도하였다. 현장에서는 laser 변위 계를 사용하여 터널 축방향의 변위를 측정하고 있다.
단면은 국토해양부 터널 표준단면도 typeV 를 참고로 하였으며 그림 1과 같다. 편경사를 고려하여 비대칭 단면으로 하였다.
해석에 있어서는 지반은 solid요소, shotcrete는 plate요소, 페이스 볼트는 truss요소로 각각 모델화 하였다.

대상 데이터

예를 들면 지반등급이V인 경우 변형계수(E)는 RMR=20으로부터#(= 2,000 MPa)로 하고 설계적용사례에 의한 점착력은 20 kN/mI 2, 내부마찰각은 30^。로 하였다. 또한 숏크리트의 탄성계수 값에 대해서는 1.5xl04 MPa, 페이스볼트의 탄성계수에 대해서는 글래스화이버파이프(GFRP)를 타설하는 것으로 하여 8.5 xlO₄ MPa로 하였다.
수치해석은 3차원 유한요소법에 의한 탄소성 해석으로 수행하는 것으로 하고 해석모델은 토피 36 m(3D : D는 터널 폭)의 지반 내에 건설되는 2차선 도로 터널로 선정하였다. 단면은 국토해양부 터널 표준단면도 typeV 를 참고로 하였으며 그림 1과 같다.
대해 검토하였다. 타설 개수는 이미 타설한 31개를 포함하여 15개와 47개의 3종류이다.

이론/모형

해석에 이용된 입력정수는 표 1과 같다. 이들 입력 정수 중 지반의 변형계수를 Serafim and Pereira(1983)이 제안하고 있는 식으로부터 추정하고 강도정수로서 점착력과 내부마찰각에 대해서는 지반등급 V에 대한 Bieniawski의 제안 값(申僖淳 외 2004), 설계 적용사례 (박도현 외, 2007, D. Peila et al, 1996, Nick Barton et al, 2008) 등을 참조하여 설정하였다. 예를 들면 지반등급이V인 경우 변형계수(E)는 RMR=20으로부터#(= 2,000 MPa)로 하고 설계적용사례에 의한 점착력은 20 kN/mI 2, 내부마찰각은 30^。로 하였다.
측압계수(k)는 중요 프로젝트의 경우 초기응력 측정으로 결정하는 것이 바람직 하지만 본 연구에서는 Brown and Hoek(조태진 외, 2008)의 측압계수(k) - 지표에서 깊이(2) 관계도 그림 3으로부터 k = 1.5를 적용하였다. 측압계수는 1/3보다 작은 경우도 있지만 잔류응력 크기에 따라 1.
해석프로그램은 지반 및 터널구조물 범용 유한요소해석프로그램인 MIDAS/GTS를 사용하였으며 항복 판정은 Mohr Coulomb의 파괴규준을 적용하였다. 해석에 있어서는 지반은 solid요소, shotcrete는 plate요소, 페이스 볼트는 truss요소로 각각 모델화 하였다.

성능/효과

(1) 막장자립이 곤란한 지반을 링컷, 반단면공법과 같은 분할 굴착을 할 경우 폐합지연으로 내공변위가 증가되므로 라이닝 소요단면 확보가 어렵기 때문에 조기폐합이 7]능하고 작업공간도 넓은 보조벤치 병용 전단 면 공법이 효과적임을 알 수 있었다.
(2) 막장볼트보강효과는 타설밀도에 영향을 받으며 어느 정도의 타설밀도(1.5 n?)를 넘으면 보강하여도 보강 효과 증진에 기여하지 못함을 알 수 있었다. 볼트 수가 어느 정도 이상 증가하면 소요 축력 이상으로 배치되기 때문으로 여겨진다.
(3) 막장볼트 배치형상은 격자상이 가장 억제효과가 좋고 교호배치형, 원주상 순으로 효과가 있는 것을 알 수 있었다. 그 원인은 변위 contour가 큰 중앙부에 어느 배치 형상이 볼트를 많이 배치하였는가에 관련된 것으로 보인다.
터널 미 굴착 부분의 선행변위에 대해서는 굴착공법의 차이에 의한 차이는 거의 없다. 그러나 측벽간의 상대적 변위에 대해서는 상부 반단면공법은 터널 단면 폐합이 막장 면에서 30 m후방에 있기 때문에 하반 굴착 시구 속 응력 해방, 폐합시간차이로 인해 측벽 내공 변위는 최대 약 1.4배 까지도 커지는 것으로 나타났다.
한편, 상부 반 단면공법에 의해 터널을 굴착한 경우에 대해서는 그림 7 에서와 같이 막장면의 축방향 수평변위는 그림 5(a)의 보조 벤치 병용 전단면공법의 결과와 유사하게 나타났다. 불량한 지반등급에 대해 보조벤치(3 m) 적용 시 효과가 큼(막장변위 15%정도 감소)을 확인할 수 있었다.
이상에 나타난 3가지의 배치형상해석 결과에서 막장 면의 축방향 수평변위 억제효과가 큰 패턴으로서는 격자 상 교호 배치형, 원주상의 순서로 나타났으나 그 차이는 미소하다. 그 원인은 변위contour가 큰 막장 중앙부에 어느 배치형상의 막장볼트가 많이 몰려 있는가에 따른 영향으로 판단된다.
이와 같은 것을 고려하여 볼 때 표 2와 같은 VII 지반등급이 되면 막장면의 축방향 수평변위가 현저히 증가함을 알 수 있었고 지반분류등급이 나빠질수록 막장 면의 축방향 수평변위는 증대하는 것을 알 수 있었다. 변형계수가 적어도 300 MPa이상이 될 경우 막장 안정성이 확보되는 것을 알 수 있다.
그리고 원주상의 경우이지만 이것은. 터널아치 벽면 형상으로 배치한 막장볼트로 그 효과는 막장볼트 미 적용 시에 대해 약 60%의 감소효과는 있지만 타설 패턴별 비교 결과 상대적으로 가장 작은 것으로 나타났다.

후속연구

막장의 안전성을 정량적으로 판정할 수 있도록 laser 변위계와 측량기기에 의해 막장 수평변위를 모니터링함으로써 보다 많은 데이터를 축적하여 막장 안전성 레벨설정과 더불어 막장 감시방법의 시스템화에 대한 연구가 이루어져야 할 것이다.
이상의 것으로부터 막장의 자립이 곤란하고 또한 터널 굴착에 따른 내공변위가 우려되는 지반에서는 조기폐합이 가능한 보조벤치 병용 전단면공법(벤치길이 3 m) 으로 굴착하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
이상의 연구 결과에 대해서는 앞으로 실제 현장에서의 계측에 의한 검증이 필요하다.

참고문헌 (16)

김영수, 이재호, 문홍득, 김광일, 2008, 정량적인 막장 안정성 평가 기법을 이용한 NATM터널의 보강공법 평가, 한국지반공학회, Vol.24, No.2, pp38-40
도덕현, 이재현, 고재만, 2003, 암반공동의 설계와 시공, pp98-106, 건설정보사
박도현, 김영근, 2007, 암반능력의 분포특성을 고려한 터널거동분석에 관한 연구, 터널기술, 제9권 3호, pp275-286

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배성호, 김재민, 김장순, 박의섭, 2007, 국내 암반 초기응력의 전반적 분포특성과 공학적 중요성, 춘계 지질 과학기술 공동 학술대회, pp310-312
서경원, Nishimura kazho, 김창용, 2006, 실내실험 및 수치해석을 이용한 막장볼트의 최적타설개수에 관한 연구, 터널과 지하공간, Vol.16, No6 pp.467-674

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윤지선, 2005, 토목지질학, 미래기술, pp235-241
조태진, 윤용균, 이연규, 장찬동, 2008, 21C 암반역학, 건설정보사 PP309-312
D. Peila, P.P Oreste & S. Pelizza, 1996, "Study of the influence of sub-horrizontal fiber glass pipes on the stability", Proc. Int. Conf. on North American Tunneling 96. Vol.1, pp425-431
Nick Barton, ZT Bieniaski, 2008 KMR and Q-setting records straight, tunnels & tunnelling international, February, pp26-29
久溱風？森近裕一郞？山本一郞？藤野晃, 2007 未固結？部を小かぶりで堀る, トンネルと地下, Vol.38, No.3, pp18-19
谷本親佰, 吉岡尙也, 1992, 變形に基づくトンネル地山分類の提案, 材料, 第41卷, 第463？, pp424-429
道廣一利, 吉岡尙也, 2002, 鏡止めボるトの作用效果を三次元 FEMで解析, トンネルと地下, 第33卷, 6？, pp43-48
東博秋？早瀨邦仁？淺井貞一, 1998, ため池の点在する地域を小かぶり施工, トンネルと地下, Vol.29,No.8, pp25-26
徐景源, 2006, 新たな切羽ボルトの打設パタン關する硏究, pp151-180
申僖淳, 鮮于椿, 李斗禾, 2004 토목기술자를 위한 地質調査 및 岩盤分類, 구미서관, pp221-238
田中一雄, 川上純, 池田宏, 怡土一美, 1996, 切羽變位計測にする切羽朋壞豫測の一試み, トンネルと地下, Vol.27, No.6, pp55-60

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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