[논문]터널공학을 중심으로 한 한계변형률의 공학적 적용성

신용석; 박시현

doi:10.9711/ktaj.2009.11.4.403

터널공학을 중심으로 한 한계변형률의 공학적 적용성
Engineering interpretation of critical strains in the ground based on the tunnel engineering 원문보기

터널기술 : 한국터널공학회논문집, v.11 no.4, 2009년, pp.403 - 410

초록
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본 논문은 시공현장에서 계측된 변위값을 이용하여, 터널구조물의 안정성을 정량적으로 평가하는 한계변형률 개념의 활용성에 관한 것이다. 한계변형률 개념의 활강성을 높이기 위해서 (1) 변위개념을 활용한 기존의 현장 및 연구사례를 정리하여 한계변형률 개념의 공학적 의미; (2) 터널공학적 및 지반공학적 관점에서 한계변형률 개념의 타당성; (3) 터널굴착에 의해 발생하는 지반의 변위 구분 및 총변위와 계측변위의 관계성; (4) 국내 터널시공 현장의 계측사례를 활용하여 한계변형률 관점에서의 터널안정성 평가; 그리고 마지막으로 (5) 기존에 현장에서 활용된 시공관리기준치를 한계변형률 관점에서 재평가 등에 대한 연구를 수행하였다. 결론적으로, 한계변형률 개념은 터널공학적인 측면에서 타당한 근거가 있으며, 통일된 관리기준으로 활용가능 한 것으로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper discusses an application method of critical strains concept for tunnels' safety by using the values of measured displacements which are obtained in the field. The aim of this paper is to: (1) study on the engineering meanings of critical strains concept by reviewing the previous researches and application examples with measured displacement values; (2) study on the engineering reasonability of critical strains concept with the view point of a tunnel engineering and a geotechnical engineering; (3) study on the features of ground deformation due to tunneling and reciprocal relation between total displacement and measured displacement; (4) evaluate a tunnel safety by using domestic measurements collected in the field; and (5) re-evaluate the control criteria which were previously used in the field, with the view point of critical strains concept. Consequently, it was confirmed that critical strains in the ground has a reasonability and a possibility of unified or common concept with the view point of a tunnel engineering.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 한계변형률 개념을 활용하게 되면 터널 현장에서 막장 굴착후 신속하게 계측된 계측변위만을 이용하더라도 터널안정성을 일관성 있게 평가하는 것이 가능한 것을 확인하였다 한편 본 논문에서는 국내 시공사례 1건에 대해 검토한 것이다. 국외에서 적용된 사례도 앞에서 검토하였으나, 향후 보다 다양한 국내외 계측 결과를 활용하여 현장적용성에 대한 평가를 통해 본 해석기법의 타당성에 대한 추가적인 검토가 수행될 필요가 있다
본 논문은 시공현장에서 계측된 변위값을 이용하여 터널 구조물의 안정성을 평가하는 방법으로 최근에 새롭게 주목받고 있는 한계변형률 개념의 활용성에 대한 연구이다. 현장에서 계측된 변위값을 이용하여, 한계변형률 개념을 제안한 것은 櫻井(1982)가 최초이다.
본 연구에서는 지반의 한계변형률을 이용하여, 터널 안정성 평가와 관련된 다양한 내용을 검토한 것이다. 다음은 본 연구의 결론을 정리한 것이다.
이러한 관점에서, 본 연구에서는 다음과 같은 분야에 대한 연구를 수행하여 한계변형률 개념의 실무 활용성을 높이고자 한다. (1) 먼저 터널시공현장에서 사용된 계측 관리기준들을 수집하여 비교하였다.

가설 설정

이동(그림 3(b) 참조)된 점선의 경계선을 사용하여야 합리적이다. 이러한 관점에서 Sakurai가 실무에 활용하도록 제안한 상하한 경계선(그림 3(a) 참조)은 선행변위를 제외한 것으로서, 실무 활용성 측면에서도 활용성이 높은 것을 확인할 수 있다.

제안 방법

높이고자 한다. (1) 먼저 터널시공현장에서 사용된 계측 관리기준들을 수집하여 비교하였다. (2) 변위개념을 활용한 기존의 연구사례를 정리하여 한계변형률 개념의 공학적 의미를 검토하였다 (3) 한계변형률 개념의 공학적 타당성을 터널공학적 관점과 지반공학적 관점에서 각각 검토하였다.
(1) 먼저 터널시공현장에서 사용된 계측 관리기준들을 수집하여 비교하였다. (2) 변위개념을 활용한 기존의 연구사례를 정리하여 한계변형률 개념의 공학적 의미를 검토하였다 (3) 한계변형률 개념의 공학적 타당성을 터널공학적 관점과 지반공학적 관점에서 각각 검토하였다. (4) 터널굴착에 의해 발생하는 지반의 변위를 구분하였으며, 총변위와 계측변위의 관계성 등에 대해 검토하였다.
(2) 변위개념을 활용한 기존의 연구사례를 정리하여 한계변형률 개념의 공학적 의미를 검토하였다 (3) 한계변형률 개념의 공학적 타당성을 터널공학적 관점과 지반공학적 관점에서 각각 검토하였다. (4) 터널굴착에 의해 발생하는 지반의 변위를 구분하였으며, 총변위와 계측변위의 관계성 등에 대해 검토하였다. 그리고 (5) 마지막으로 기존에 현장에서 활용된 시공관리기준치를 한계변형률 괸 점에서 새롭게 평가하였다.
3에서 언급한 바와 같이 터널굴착에 의해 발생하는 계측변위를 활용하여, 한계변형률 관점에서의 터널 안정성 평가의 타당성에 대해 국내계측결과를 활용하여 검토한 것이다. 국내터널 시공현장의 계측 결과를 수집함에 있어서는 신중하고 신속한 계측활동과 동시에 막장 굴착이 전에 발생한 선행변위도 함께 계측한 곳을 대상으로 하였다 즉, 선행변위를 포함하는 경우와 그렇지 않은 경우에 대해 한계변형률 관점에서 터널 안정성을 평가함으로써, 한계변형률 도표의 경계선이 가지는 실무 활용 상의 특징에 대해 검토하여 기술하였다.
(4) 터널굴착에 의해 발생하는 지반의 변위를 구분하였으며, 총변위와 계측변위의 관계성 등에 대해 검토하였다. 그리고 (5) 마지막으로 기존에 현장에서 활용된 시공관리기준치를 한계변형률 괸 점에서 새롭게 평가하였다.
다음은 3.3에서 언급한 바와 같이 터널굴착에 의해 발생하는 계측변위를 활용하여, 한계변형률 관점에서의 터널 안정성 평가의 타당성에 대해 국내계측결과를 활용하여 검토한 것이다. 국내터널 시공현장의 계측 결과를 수집함에 있어서는 신중하고 신속한 계측활동과 동시에 막장 굴착이 전에 발생한 선행변위도 함께 계측한 곳을 대상으로 하였다 즉, 선행변위를 포함하는 경우와 그렇지 않은 경우에 대해 한계변형률 관점에서 터널 안정성을 평가함으로써, 한계변형률 도표의 경계선이 가지는 실무 활용 상의 특징에 대해 검토하여 기술하였다.
and Marinos, 2000). 이 연구들에서는 터널 굴착 시 계측된 천단변위를 터널의 반경으로 나누어 변형률을 구하였으며, 그 값을 한계변형률 도표에 도시하여 터널 안정성을 평가하였다. 그림 3(a)는 Sakurai와 Hoek가각각 발표한 연구내용을 본 연구에서 통합적으로 하나의 도표상에 표현한 것이다.
표 1에서 제시한 관리기준치들에 대해 한계변형률 개념으로 새롭게 재평가하였다. 이때 터널의 폭은 10 m 를 사용하였으며 그 결과는 그림 7에 나타내었다 먼저 프랑스 공업성의 경우는 서울지하철 복선구간(K0=0.

이론/모형

계측이 실시된 지점들은 모두 풍화토 지반에 해당하며, 계측결과를 이용하여 한계변형률 도표에 표시한 것이 그림 6(b)이다. 그림의 지반분류는 ISRM (1981)의 일축압축강도를 기준으로 하였다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 3지점의 계 측 값은 선행변위 유무에 관계없이 상한 경계선보다는 아래에 위치하고 있다.

성능/효과

1. 천단변위를 터널반경으로 나누어서 결정된 변형률은 터널 굴착에 의한 지반의 압축변형률과 동일하다는 것을 밝혔다.
2. 탄성지반에서 무지보 원형터널 굴착시, 지반의 최대압축변형률은 최대전단변형률에 비해 약 40% 더 큰 값을 나타내게 됨을 밝혔다. 이는 곧 터널굴착시, 압축변형률을 이용한 지반안정성 평가가 전단변형률을 이용한 지반안전성 평가보다 보수적인 평가임을 밝힌 것이 향후 실무 활용성이 인정된다.
3. 국내시공현장에서 수행한 사례를 통해, 터널 굴착에 따른 지반변위를 상세하게 검토한 결과 선행변위는 총 변위에 비해 약 44-58% 정도 발생한 것을 확인하였다. 또한, Sakurai의 한계변형률 도표에서 제시한 상하한 경계선은 실내실험에서 얻은 경계선을 45~65% 정도 줄여서 실무에 활용한 것으로 확인되었다.
4. 기존에 터널현장에 적용된 관리기준치는, 한계변형률 개념에 의해 새롭게 통합적으로 설명이 가능한 것을 확인하였다. 이는 터널실무 측면에서 중요한 사항이므로 향후 이에 대한 추가적인 실증연구가 필요한 것으로 판단된다.
국내시공현장에서 수행한 사례를 통해, 터널 굴착에 따른 지반변위를 상세하게 검토한 결과 선행변위는 총 변위에 비해 약 44-58% 정도 발생한 것을 확인하였다. 또한, Sakurai의 한계변형률 도표에서 제시한 상하한 경계선은 실내실험에서 얻은 경계선을 45~65% 정도 줄여서 실무에 활용한 것으로 확인되었다. 이는 터널굴착 현장에서 발생하는 선행변위를 감안하여 줄인 것으로 판단되며, 그 정도는 타당한 것으로 판단된다.
4γmax이 된다. 즉 터널굴착시 지반의 최대압죽변형률은 최대전단변형률에 비해 40% 더 큰 값을 나타내게 됨을 알 수 있다. 또한 상기의 식 전개를 통해, 천단변위와 터널반경으로 구해진 압축변형률은 터널 굴착 시 발생하는 전단변형률 값보다 더 큰 값을 보여주고 있기 때문에, 전단변형률을 이용하여 지반의 안정성을 검토하는 것보다 더 보수적인 관점에서의 평가가 이루어지고 있음을 이해 할 수 있다.

후속연구

대해 검토한 것이다. 국외에서 적용된 사례도 앞에서 검토하였으나, 향후 보다 다양한 국내외 계측 결과를 활용하여 현장적용성에 대한 평가를 통해 본 해석기법의 타당성에 대한 추가적인 검토가 수행될 필요가 있다
시공현장에서 계측되는 변위값들은 지반상태, 지반굴착 방법' 지보재 양과 설치방법, 지반-지보재의 상호 거동 등이 함축되어 나타나게 되는 의미있는 지표이다. 따라서 신뢰성있는 계측변위를 얻고, 또 이를 제대로 평가할 수 있다면, 시공중인 터널의 안정성 평가는 물론 지보재의 적절성에 대한 평가까지 가능하게 되어, 결과적으로는 경제적인 터널시공이 가능할 것으로 판단된다.
탄성지반에서 무지보 원형터널 굴착시, 지반의 최대압축변형률은 최대전단변형률에 비해 약 40% 더 큰 값을 나타내게 됨을 밝혔다. 이는 곧 터널굴착시, 압축변형률을 이용한 지반안정성 평가가 전단변형률을 이용한 지반안전성 평가보다 보수적인 평가임을 밝힌 것이 향후 실무 활용성이 인정된다.
기존에 터널현장에 적용된 관리기준치는, 한계변형률 개념에 의해 새롭게 통합적으로 설명이 가능한 것을 확인하였다. 이는 터널실무 측면에서 중요한 사항이므로 향후 이에 대한 추가적인 실증연구가 필요한 것으로 판단된다.

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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