본 논문은 터널을 굴착중인 시공현장에서, 변위계측치를 이용하여 터널의 안정성을 신속하고 정량적으로 평가하기 위한 기법 개발에 관한 것이다. 국내외 터널시공현장에는 시공관리 기준치를 제시하고 있다. 그러나 이러한 관리기준치들은 그 근거가 불명확하며 시공현장마다 일관적인 기준이 설정되어 있지 않다. 본 연구에서는 시공관리기준의 합리성을 확보하기 위하여 한계변형률 개념을 새롭게 도입하였다. 그리고 한계변형률 개념에 대한 공학적 의미에 대한 상세 검토를 수행하였다. 이를 위해서 먼저, 기존 연구자들에 의해 적용된 한계변형률 개념의 터널안정성 평가방법에 대한 공학적 타당성을 이론해석적인 방법으로 검토하였다. 이어서 상용프로그램을 이용하여 터널굴착시 발생한 굴착면의 변위정보를 획득하고, 이를 기존의 평가방법과 동일한 방법으로, 한계변형률 개념에 의한 터널안정성 평가를 수행하였다. 또한, 상용프로그램에 의해 획득한 굴착면 변위를 입력치로 하여 터널주변지반의 변형률을 수치역해석 기법으로 산정한 후, 이를 이용하여 한계변형률 개념에 의한 터널안정성 평가를 추가로 수행하였다. 결과적으로 한계변형률 개념을 활용함으로써 굴착중인 터널에 대하여 터널안정성을 신속하고 정량적으로 평가하는 것이 가능한 것으로 확인되었다.
본 논문은 터널을 굴착중인 시공현장에서, 변위계측치를 이용하여 터널의 안정성을 신속하고 정량적으로 평가하기 위한 기법 개발에 관한 것이다. 국내외 터널시공현장에는 시공관리 기준치를 제시하고 있다. 그러나 이러한 관리기준치들은 그 근거가 불명확하며 시공현장마다 일관적인 기준이 설정되어 있지 않다. 본 연구에서는 시공관리기준의 합리성을 확보하기 위하여 한계변형률 개념을 새롭게 도입하였다. 그리고 한계변형률 개념에 대한 공학적 의미에 대한 상세 검토를 수행하였다. 이를 위해서 먼저, 기존 연구자들에 의해 적용된 한계변형률 개념의 터널안정성 평가방법에 대한 공학적 타당성을 이론해석적인 방법으로 검토하였다. 이어서 상용프로그램을 이용하여 터널굴착시 발생한 굴착면의 변위정보를 획득하고, 이를 기존의 평가방법과 동일한 방법으로, 한계변형률 개념에 의한 터널안정성 평가를 수행하였다. 또한, 상용프로그램에 의해 획득한 굴착면 변위를 입력치로 하여 터널주변지반의 변형률을 수치역해석 기법으로 산정한 후, 이를 이용하여 한계변형률 개념에 의한 터널안정성 평가를 추가로 수행하였다. 결과적으로 한계변형률 개념을 활용함으로써 굴착중인 터널에 대하여 터널안정성을 신속하고 정량적으로 평가하는 것이 가능한 것으로 확인되었다.
This paper intends to develop an assesment technique for the rapid and quantitative evaluation of tunnel safety during tunnel excavation by using displacement measurements. Control criteria for the field measurements are provided at tunnel construction sites in Korea and other countries. However, it...
This paper intends to develop an assesment technique for the rapid and quantitative evaluation of tunnel safety during tunnel excavation by using displacement measurements. Control criteria for the field measurements are provided at tunnel construction sites in Korea and other countries. However, it was known that the criteria were not clear and varied depending on the construction sites. In order to make a reasonable support for guidelines, critical strain concept is introduced in this study. And the engineering meanings of the critical strain concept are investigated precisely. In order to do this, at first, the engineering meanings of the original concept from the previous researchers was investigated theoretically for the evaluation of tunnel safely. Subsequently displacement data were obtained by using the commercial program, then the evaluation of tunnel safely was conducted with the view point of previous researches. Additionally, strains are determined from the feedback analyses program by inputting measured displacements that were obtained from the commercial program, then the evaluation of tunnel safety was discussed with the critical strain concept. Consequently it can be concluded that the evaluation of tunnel safety can be determined quantitatively and rapidly in the field by introducing the critical strain concept.
This paper intends to develop an assesment technique for the rapid and quantitative evaluation of tunnel safety during tunnel excavation by using displacement measurements. Control criteria for the field measurements are provided at tunnel construction sites in Korea and other countries. However, it was known that the criteria were not clear and varied depending on the construction sites. In order to make a reasonable support for guidelines, critical strain concept is introduced in this study. And the engineering meanings of the critical strain concept are investigated precisely. In order to do this, at first, the engineering meanings of the original concept from the previous researchers was investigated theoretically for the evaluation of tunnel safely. Subsequently displacement data were obtained by using the commercial program, then the evaluation of tunnel safely was conducted with the view point of previous researches. Additionally, strains are determined from the feedback analyses program by inputting measured displacements that were obtained from the commercial program, then the evaluation of tunnel safety was discussed with the critical strain concept. Consequently it can be concluded that the evaluation of tunnel safety can be determined quantitatively and rapidly in the field by introducing the critical strain concept.
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문제 정의
본 논문에서는 영국터널협회(BTS, 2004)에서 최근 새롭게 개정된 Tunnel lining design guide의 Critical strain(한계변형률) 개념을 터널시공에 활용하기 위한 공학적 의미에 대해서 재조명해보았다 이를 위해 먼저 한계변형률 개념의 정의와 한계변형률이 가지는 공학적 의미에 대해 상세한 고찰을 실시하였다. 이어서, 지중 응력이 작용하는 지반에 무지보 원형터널을 모델링하여 탄성, 탄소성지반에 대한 FEM해석을 수행하였다 해석 결과로 얻어진 터널굴착변위를 이용하여 변형률을 산정한 다음 이를 한계변형률 개념으로 평가하였다.
변형률을 산정하기 위해서는, 천단변위를 이용하는 간이법과 해석 모듈을 이용하는 수치해석 기법을 각각 적용하였다. 본 연구는 한계변형률 개념의 공학적 활용성과 시공 현장 실무에 대한 활용 가능성에 대해 검토한 것이다
본 연구에서는 영국터널협회에서 최근 새롭게 추가된 Critical strain 개념을 터널시공 실무에 활용하기 위하여 한계변형률 개념의 공학적인 의미와 그 특성에 대하여 검토한 것이다. 다음은 본 연구의 결론을 정리한 것이다
이 방법은 이미 앞에서 소개한 바와 같이 실무에 적용되었던 방법이다. 여기서는, 탄성 및 탄 소성 지반에 대해 상용 FEM 프로그램에 의한 결과를 이용하여 새롭게 평가하고자 한다. 표 3은 앞에서 수행한 결과인 천단변위(표 2의 A점 Y 변위)를 이용하여 구한 변형률을 나타낸 것이다.
가설 설정
지반의 초기 응력조건은 ^=0.49 MPa, (σy=1.03 MPa, txv=0.2 MPa로 해석영역 전체에 걸쳐, 응력이 일정한 것으로 가정하였다. 연직응력을 토피압에 의해 발생한 것으로 가정하면, 약 40~50 m 정도의 토피고를 가지는 것을 알 수 있다.
또한 전단응력을 고려한 것은 지표면의 경사 등을 반영하여 보다 실제적인 지반조건에 가깝게 재현하기 위함이다 해석영역은 표 1에서와 같은 지반물성치를 사용하였으며, 풍화토지반과 연암지반에 대해 각각 검토하였다. 터널직경은 10 이로 가정하였으며, 탄성 지반 및 탄소성지반에 대하여 굴착 후 무지보 상태로 해석을 수행하였다 해석을 수행한 후 천단부(A점)와 측벽 부(B점과 C점)에서의 굴착변위를 표 2에 정리하였다
제안 방법
(1) 천단변위를 터널의 반경으로 나누어 결정된 변형률을 한계변형률 개념에 활용하는 것은 공학적으로 타당한 것으로 나타났다 수치해석기법을 이용하여 탄성, 탄소성 지반에 대해 천단변위를 한계변형률 개념에 활용하여 터널 안전성을 평가하였다. 그 결과 변위 계측 결과를 활용하여 터널 시공실무에서 안정성 평가가 가능한 것으로 나타났다.
다음으로는, 해석모듈에서 구한 지반물성치와 응력치들을 이용하여 터널 주변지반에 대한 변형률 분포 및최대압축변형률을 구하여 이를 한계변형률 개념으로 터널 안정성을 평가하였다. 한계변형률 개념을 처음 제안한 Sakurai는 한계변형률 도표를 작성하기 위하여, 코아샘플에 대한 일축압축실험을 실시하였다 따라서 해석 모듈을 이용한 경우에서도 터널 주변지반의 최대압축변형률을 구하여 평가하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.
연직응력을 토피압에 의해 발생한 것으로 가정하면, 약 40~50 m 정도의 토피고를 가지는 것을 알 수 있다. 또한 전단응력을 고려한 것은 지표면의 경사 등을 반영하여 보다 실제적인 지반조건에 가깝게 재현하기 위함이다 해석영역은 표 1에서와 같은 지반물성치를 사용하였으며, 풍화토지반과 연암지반에 대해 각각 검토하였다. 터널직경은 10 이로 가정하였으며, 탄성 지반 및 탄소성지반에 대하여 굴착 후 무지보 상태로 해석을 수행하였다 해석을 수행한 후 천단부(A점)와 측벽 부(B점과 C점)에서의 굴착변위를 표 2에 정리하였다
이어서, 지중 응력이 작용하는 지반에 무지보 원형터널을 모델링하여 탄성, 탄소성지반에 대한 FEM해석을 수행하였다 해석 결과로 얻어진 터널굴착변위를 이용하여 변형률을 산정한 다음 이를 한계변형률 개념으로 평가하였다. 변형률을 산정하기 위해서는, 천단변위를 이용하는 간이법과 해석 모듈을 이용하는 수치해석 기법을 각각 적용하였다. 본 연구는 한계변형률 개념의 공학적 활용성과 시공 현장 실무에 대한 활용 가능성에 대해 검토한 것이다
본 장에서는 한계변형률 개념에 대한 공학적 활용성을 보다 구체적으로 파악하기 위하여, 수치해석적인 방법을 이용한 다양한 검토를 실시하였다 먼저 상용프로그램을 이용하여, 터널굴착시 발생한 천단변위를 이용하여 변형률을 산정한 후, 이를 한계변형률 개념으로 터널안정성 평가를 실시하였다 또 다른 방법으로는, 터널굴착시 발생한 굴착 면에서의 변위 정보를 입력하여 주변지 반의 압축변형률 분포 및 최대압축변형률을 구하여 이를 한계변형률 개념으로 터널안정성 평가를 실시하였다. 굴착면에서의 변위 정보를 이용하여 변형률을 구하기 위해서는 역해석에 근거한 수치해석 모듈이 필요한데, 본 연구에서는 기존에 개발된 해석모듈(박시현 신용석, 2008)을 활용하였다
이러한 수치해석 결과를 이용하여 한계변형률 개념에 의한 터널안정성을 평가하기로 한다. 이를 위해서는, 터널 굴착 시 발생한 천단변위를 터널의 반경으로 나누어서 변형률을 산정한다.
터널안정성을 평가하기로 한다. 이를 위해서는, 터널 굴착 시 발생한 천단변위를 터널의 반경으로 나누어서 변형률을 산정한다. 이 방법은 이미 앞에서 소개한 바와 같이 실무에 적용되었던 방법이다.
대해 상세한 고찰을 실시하였다. 이어서, 지중 응력이 작용하는 지반에 무지보 원형터널을 모델링하여 탄성, 탄소성지반에 대한 FEM해석을 수행하였다 해석 결과로 얻어진 터널굴착변위를 이용하여 변형률을 산정한 다음 이를 한계변형률 개념으로 평가하였다. 변형률을 산정하기 위해서는, 천단변위를 이용하는 간이법과 해석 모듈을 이용하는 수치해석 기법을 각각 적용하였다.
이론/모형
터널안정성 평가를 실시하였다. 굴착면에서의 변위 정보를 이용하여 변형률을 구하기 위해서는 역해석에 근거한 수치해석 모듈이 필요한데, 본 연구에서는 기존에 개발된 해석모듈(박시현 신용석, 2008)을 활용하였다
상용 FEM 프로그램으로는 Pentagon-3D(ofl 메랄드소프트사, 2004)를 활용하였으며, 이때 가정한 지반 조건은 그림 4와 같다
성능/효과
(3) 해석모듈에서는 원지반의 응력상태중에서 전단응력을 적절하게 평가하고 있지 못한 것으로 나타났다. 그러나 해석모듈을 이용하여 최대압축변형률을 추정하여 이를 한계변형률 개념에 활용함에 있어서는 타당한 결과를 도출하는 것을 확인하였다.
이는 연직 변위 만에 의한 천단변위에 의한 변형률 산정 방법에서는 전단응력에 의한 영향이 크게 반영되지 못함을 의미하는 것으로 판단된다. 결론적으로 천단변위에 의해 결정된 변형률(CASE니의 1.38, CASE-2의 2.34)과 해석 모듈에 의해 결정된 변형률(CASE-5의 2.06, CASE-6의 4.16) 을 비교한 결과 원지반의 변형률(CASEJ 의 2.06, CASE-2 의 5.38)에 보다 더 가까운 값을 제공하는 것은 해석 모듈에 의한 것으로 나타났다.
활용하여 터널 안전성을 평가하였다. 그 결과 변위 계측 결과를 활용하여 터널 시공실무에서 안정성 평가가 가능한 것으로 나타났다.
그러나 천단변위에 의해 결정된 변형률보다는 해석 모듈에 의해 결정된 변형률이 원지반의 변형률에 보다더 가까운 값을 제공하는 것으로 나타났다
그러나 해석모듈을 이용하여 최대압축변형률을 추정하여 이를 한계변형률 개념에 활용함에 있어서는 타당한 결과를 도출하는 것을 확인하였다.
것을 알 수 있다. 따라서 상기의 검토내용은, 터널 현장실무에서 천단변위와 터널크기를 이용하여 변형률을 개략 산정한 후, 이를 한계변형률 개념을 이용하여 터널 안정성을 평가하는 것에 대한 공학적인 타당한 근거를 제시하고 있는 것으로 판단된다.
탄소성지반의 경우에 더 많은 변위가 발생하는 경향을 확인할 수 있다. 또한 그 변위 차이는연암지반보다 풍화토지반에서 더 큰 것을 알 수 있다천단부에서는 전단력 때문에 비대칭으로 힘이 작용하여, 측벽부에서 대칭적으로 보인 것과 달리 비대칭적인 변위가 발생하는 것을 알 수 있었다 이러한 값들의 변위 차이는 측벽부와 동일하게 연암지반보다는 풍화토지반이 크게 나타나고 있다.
본 연구에서는 표 2에서 구한 변위들 중에서 음영 부분가 개의 변위(천단부의 x, y 좌우측의 X)를 천단부와 측벽 부로 구분하여 해석모듈에 입력하였다 변위를 입력함에 있어서는, 상용 FEM 프로그램의 해석결과를 100%, 70% 입력하는 두 가지 방법을 고려하였다 70%만을 입력한 것은, 실제 터널시공현장에서 계측되는 변위값이총변위보다 적음을 반영한 것이다. 또한, 해석모듈을 이용하여 수치해석을 수행하기 위해서는 먼저 연직 응력에 대해 가정할 필요가 있으며, 표 4와 같이 토피압 100%, 70% 두 가지 방법을 고려하였다 토피압 70%만을 가정한 것은, 실제 터널시공현장에서의 연직토압이 토피압과 서로 다를 수 있음을 반영한 것이다
비록 지반요소가 소성상태인 것을 확인하였더라도 그것이 곧바로 안정성을 판단하는 수단으로 활용치는 못한 것이 현실이었다 그러나 본 연구에서 살펴본 바와 같이, 한계변형률 개념을 활용하게 되면, 터널굴착시 일반적으로 계측되는 천단변위를 활용하여 터널의 안정성을 정량적인 측면에서 평가 가능하며, 실무에 활용성이 높은 것을 알 수 있다
표 2에서 보는 바와 같이, 천단부와 측벽부 모두에서 탄성 지반보다 탄소성지반의 경우에 더 많은 변위가 발생하는 경향을 확인할 수 있다. 또한 그 변위 차이는연암지반보다 풍화토지반에서 더 큰 것을 알 수 있다천단부에서는 전단력 때문에 비대칭으로 힘이 작용하여, 측벽부에서 대칭적으로 보인 것과 달리 비대칭적인 변위가 발생하는 것을 알 수 있었다 이러한 값들의 변위 차이는 측벽부와 동일하게 연암지반보다는 풍화토지반이 크게 나타나고 있다.
풍화토지반, 연암지반에 대해 모두, 해석 모듈의 결과가 천단변위에 의한 결과보다, 변형률이 더 크개 나타난 것을 알 수 있다. 즉 원지반의 응력상태 중에서 전단응력에 대한 추정에서 큰 차이가 발생함에도 불구하고 천단변위에 의한 변형률보다 해석모듈에 의한변형률이 더 큰 변형률을 나타내고 있다.
후속연구
즉, 현장에서 계측되는 변위가 원지반의 변위를 모두 포함한 것은 아니기 때문이다. 또한 천단변위에 의한 간이적평가법으로 안전성을 미리 파악하고, 보다 정밀한 안전성 판단이 필요한 경우에는 해석모듈을 이용하여 보다 상세한 검토를 수행한다는 측면에서도 해석 모듈의 활용성이 기대된다. 할 수 있다.
즉, 본 논문에서 사용하고 있는 측점의 위치는 천단부와 수평부에 대해서만 입력하고 있기 때문에 수평지점의 입력치(표 2)에서 좌우 비대칭성이 반영되어 있지 못하고 있다. 이러한 관점에서 측정점의 위치를 변경하거나 입력개수를 늘리는 등, 보다 다양한 추가 연구에 의해 상세한 검토가 수행될 필요가 있다. 그러나 여기서, 지적해 둘 것은, 해석 모듈을 활용하는 최종적인 목적은 표 4에서 나타낸 바와 같은 원지반조건의 재현이 아니라, 이들을 이용하여 최대압축변형률을 계산해 내고 그 값으로 터널안정성을 평가하는 것이라는 점이다.
그러나, 시공현장에서 계측되는 변위값들은 결과적으로 지반의 상태, 굴착방법, 지보재의 타설방법 .타설량 지반-지보재의 상호거동 등을 보여주는 의미 있는 지표이다 따라서 신뢰성있는 계측변위를 얻을 수 있고 또 이를 제대로 활용할 수 있다면, 터널 시공의 안정성 확보는 물론 지보재의 경제적 시공까지 달성할 수 있을 것으로 판단된다
그림 2의 한계변형률 그래프에서 나타난 상.하한 경계치를 활용함으로써 굴착중인 터널의 안정성을 정량적으로 평가할 수 있을 것으로 기대된다. 한계변형률 개념을 이용하여 굴착중인 터널의 안정성 평가에 대한 활용방안은 기존연구(박시현 신용석, 2007)에 의해 제안된 바 있다
향후 원지반의 전단응력에 대한 추정에 보다 다양한 연구가 수행될 필요가 있으며, 터널굴착에 따른 원지반의 총변위가 아닌 계측변위를 이용하여 한계변형률 개념을 적용하기 위해서는 계측변위와 총변위의 관계 등에 대해서도 구체적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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