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지반의 한계변형률을 이용한 터널수치해석 및 현장 적용성 연구
A Study on Numerical Analyses and Field Application for Tunneling Using the Critical Strain in the Ground 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.18 no.3 = no.57, 2008년, pp.339 - 347  

박시현 (한국시설안전공단 지하시설실)

초록
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본 연구는 지반의 한계변형률을 활용하여 터널의 정량적 안정성 평가를 수행한 것이다. 한계변형률은 지반재료에 대한 새로운 역학적 물성치의 하나이다. 한계변형률 개념은 터널굴착 현장에서 계측된 변위정보와 함께 굴착지반의 변형에 대한 한계치 설정에 활용될 수 있다. 이러한 목적을 위해서 본 연구에서는 한계변형률 개념을 터널 안정성 평가에 활용한 것이다. 먼저, 수치해석 프로그램을 이용하여 터널굴착시 발생한 변위를 역해석 기법에 의해 지반변형률로 산정한 후, 이를 한계변형률 개념에 의해 터널 안정성을 평가하였다. 이어서, 터널시공현장에서 계측된 변위정보를 활용하여 실증적으로 한계변형률 관점에서 터널안정성 평가를 수행하였다. 본 연구를 통해 한계변형률 개념에 의해 터널의 안정성을 정량적으로 평가하는 것이 가능한 것을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study was carried out to assess quantitatively the safety of a tunnel by using critical strains in the ground. Critical strain is a new material property of the ground. It can be applied as deformation limits in the ground due to excavation using the measured displacement at the tunnel construc...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 영국터널협회에 의하여 최근 새롭게개정된 Tunnel lining design guide (british tunnelling society, 2004)의 한계변형률(critical strain)을 터널에 활용하여 정량적 안정성 평가를 재조명해 보았다. 이를 위해 먼저, 지중응력이 작용하는 지반에 무지보 원형 터널을 모델링하여 탄성, 탄소성에 대한 FEM해석을 수행하고, 굴착면에서의 변위를 터널반경으로 나누어 변형률을 결정하였다.
  • 이 방법은 Sakurai(1997)와 Hoek and Marinos(2000)에 의해 실무에 적용되기도 하였다. 여기서는, 탄성 및 탄소성 지반에 대해 상용 FEM 프로그램에 의한 결과를 이용하여 한계변형률 개념으로 평가하고자 한다. Table 4는 앞에서 수행한 결과인 천단변위 (Table 2에서 A점의 Y 변위)를 이용하여 구한 변형률을 나타낸 것이다.
  • 또한, 기존 연구박시현과 신용석, 2008)에서 개발된 수치 역해석모듈을 이용하여, 수치해석에서 구한 굴착 면 변위를 입력하여 터널굴착 주변지반의 변형률을 직접 구하고, 이를 다시 한계변형률 개념으로 평가하였다. 이러한 검토는 결과적으로 기존 연구에서 개발한 수치 역해석 모듈의 타당성에 대해서도 동시에 평가하게 된다. 본연구에 이용된 수치 역해석모듈의 상세내용은 생략하기로 하며, 타당성을 검토하기 위한 개략적인 흐름을 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

  • O 우선, 지반조건을 가정하여 상용 FEM 프로그램에 의해 터널굴착 해석을 실시한다.
  • 지반의 초기 응력조건은 σx=0.49 MPa, <^, =1.03 MPa, &y=0.2MPa로, 해석영역 전체에 걸쳐 응력이 일정한 것으로 가정하였다. 연직응력을 토피압에 의해 발생한 것으로 가정하면, 약 40-50 m 정도의 토피고를 가지는 것을 알 수 있다.
  • 해석영역은 Table 1에서와 같은 지반 물성치를 사용하였으며, 풍화토지반과 연암지반에 대해 각각 검토하였다. 터널직경은 10m로 가정하였으며, 탄성지반 및 탄소성지반에 대하여 굴착 후 무지보 상태로 해석을 수행하였다. 해석을 수행한 후 천단부(A점), 측벽부(B점과 C점), 어깨부(D점과 E점)에서의 굴착 변위를 Table 2에 정리하였다.
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참고문헌 (9)

  1. 대한터널협회, 2007, 건설교통부 제정 터널설계기준 

  2. 박시현, 신용석, 2007, 한계변형률 개념을 활용한 터널 안정성 평가에 관한 연구, 한국지반공학회논문집, 23(5), pp.29-42 

  3. 박시현, 신용석, 2008, 터널굴착 변위를 활용한 시공중 피드백 해석기법 연구, 한국지반공학회논문집, 24(1), pp.81-89 

  4. 에메랄드소프트사, 2004, PENTAGON-3D 사용자 매뉴얼 

  5. 천병식, 남순성 1996, 서울지하철 터널의 계측관리 기준치에 관한 연구, 대한토목학회논문집, 16(III-1), pp.47-59 

  6. British Tunnelling Society, 2004, Tunnel lining design guide, ICE 

  7. Hoek, E. and Marinos, P., 2000, Predicting tunnel squeezing problems in weak heterogeneous rock masses, Tunnels and Tunnelling 

  8. ISRM. 1981, Basic geotechical description of rock masses, Int J. Rock Mech Min. & Geomech Abstr. 18, pp.85-110 

  9. Sakurai, S., 1997, Lessons Learned from Field Measurements in Tunnelling, Tunnelling and Underground Space Technology, 12(4), pp. 453-460 

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