선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 서로 비슷한 굴착 단면적을 가지고 있으나 단면형상에 있어서 차이를 나타내는 고속도로 2차로 자연환기터널과 선로중심간격 4.3m 의 복선철도단면에 대해 암반등급 및 토피고, 측압계수변화 등을 통해 지보재를 설치하지 않고 두 터널 주변암반에 발생하는 주응력의 크기 및 축차 응력비교를 통한 안정성을 파악하였다.
제안 방법
- 경계조건은 좌·우측면 경계는 수평방향 변위를 구속하고, 하부경계는 수직방향 변위를 구속하였으며, 해석영역은 굴착시 터널주변에 미칠 수 있는 영향을 고려하여 좌·우는 터널폭의 3배이상, 터널상 부는 선정한 토피고를 각각 적용하였다.
- 다양한 상태에서의 응력상태 비교를 위해 암반 등급은 I~W등급으로 구분하고, Case별 암반 등급에 따라 토피고를 30m, 50m, 100m, 200m로 구분하였으며, 측압계수는 0.5, 1.0, 2.0을 적용하였다.
- 단면형상에서 철도터널이 고속도로 터널보다 다소안정된 상태라고는 하나 이는 측압계수 등의 변화에따라 가변적이기 때문에 동일한 조건(암반등급, 경계조건 등)하에서 측압계수를 변화시키면서 수치해석을 수행하였다.
- 따라서, 본 검토에서는 두 터널의 관리기관인 한국도로공사와 철도시설공단에서 제시하고 있는 각각의 지보패턴을 비교하고, 지보패턴별 지보재를 설치한 후 수치해석을 실시하여 숏크리트 및 록볼트에걸리는 응력과 축력을 비교해보고, 터널 주변암반에발생하는 응력 등도 함께 분석하였다.
- 또한, 두 터널의 관리기관인 한국도로공사와 철도시설공단에서 제시하고 있는 표준지보패턴 비교후같은 지반조건에서 철도터널의 지보재량을 상대적으로 적게 적용하여 수치해석을 수행하여 지보재 발생응력 및 축력, 터널 주변암반에 발생하는 응력을 통해 지보재를 설치하지 않은 경우와 비교하여 지보재보강효과 및 안정성을 확인하였다.
- 또한, 두 터널의 관리기관인 한국도로공사와 철도시설공단에서 제시하고 있는 표준지보패턴을 비교·분석하였고, 지보재를 설치하지 않은 경우 전반적으로 철도터널이 고속도로터널에 비해 안정성 측면에서 유리하다는 결과에 기초하여 철도터널의 지보재량을 고속도로터널보다 적게 적용하여 수치해석을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 서로 비슷한 굴착단면적을 가지고있으나 단면형상에서 다소 차이를 나타내는 고속도로 2차로 자연환기 터널과 선로중심간격 4.3m의 복선 철도 터널에 대해 지보재를 설치하지 않고 수치해석을 실시하여 두 터널 주변암반에 발생하는 응력을 비교하여 그 발생크기 및 상대적 안정성을 분석하였다.
- 암반등급 및 측압계수, 토피고 변화에 따라 굴착후 고속도로와 철도터널 주변암반에 발생한 응력을주응력비 형태로 나타내어 두 터널간 발생응력의 크기를 비교하였다.
- 암반등급 및 측압계수, 토피고에 따른 축차웅력비를 살펴보았다.
- 굴착후 수렴된 상태에서 천단부 및 좌.우 측벽 부에 발생한 응력을 철도터널에 대한 고속도로 터널의 주응력비 및 축차응력비로 표현하여 발생한 응력의 크기 및 상대적인 안정성을 확인하였다.
- 적용물성치는 일반적인 값을 사용하고자 국내 철도 터널 설계시 적용된 사례를 참조하여 주로 이들의 평균치를 사용하였다.3)
- 지보재 설치후 고속도로터널과 철도터널의 천단부및 좌·우 측벽부 암반에 발생하는 응력을 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 서로 비슷한 조건에서의 비교를 위해 고속도로는 2차로 자연환기단면을, 철도는 선로중심간격 4.3m의 복선단면을 선정하였으며 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
- 수치해석은 유한차분법에 근거를 둔 FLAC-2D Ver3.304)을 이용하였으며, 모델링 조건 및 적용물성치는 Table 2와 Table 3에 정리하였다.
성능/효과
- 1) 지보재를 설치하지 않고 암반등급 및 토피고, 측압계수 변화에 따른 두 터널 주변암반에 발생하는 응력분석결과, 천단부에서는 약간의 차이는 있으나 전반적으로 두 터널이 서로 비슷한 응력 상태를 보이는 반면 측벽부에서는 측압계수가 증가함에 따라 주응력비도 함께 증가하며, 모두 1 이상을 나타내는데, 이는 터널의 안정성 확보에도 불리해질 수 있다는 것을 의미한다.
- 2) 분석된 지점의 국부적 안정성을 판단할 수 있는축차응력비 분석결과, 주응력 발생경향과 매우유사하게 천단부에서는 서로 비슷하며, 좌·우 측벽부에서는 고속도로터널에 더 큰 축차응력이 발생하는 것으로 나타나 안정성 측면에서 철도터널이 보다 안정한 상태라는 것을 알 수 있다.
- 3) 표준지보패턴 비교 결과, 굴착공법, 암반 분류 방법, 숏크리트 두께, 록볼트 길이 등은 동일하며, 굴진장과 록볼트 종·횡방향 간격에 있어서는 철도 터널이 지보패턴별 선택의 폭이 넓게 되어있다. 이는 철도터널 표준지보패턴이 최근에 제정 (2004년)되어 그 동안의 고속도로 경험과 단면 형상에서 유리한 점을 반영한 결과로 판단된다.
- 4) 동일한 지반조건으로 철도터널과 고속도로 터널에 대해 지보패턴Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ에 대한 수치해석을 수행한 결과, 지보패턴Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ에서는 철도터널의지보량을 고속도로 터널보다 적게 적용하였음에도 불구하고 전반적으로 철도터널에 발생되는 지보재 응력 및 축력이 고속도로터널에서 발생하는 양보다 적은 것을 알 수 있었다.
- 5) 또한, 지보재 설치후 터널 주변암반에 발생하는응력을 주응력비 및 축차응력비로 분석한 결과, 지보재 설치전의 경우와 매우 유사한 경향 및 크기를 나타내고 있어 적용한 지보량으로는 암반내발생응력 변화에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
- 무지보 상태에서 터널 형상차이에 따른 안정성분석결과에서 살펴본 바와 같이 굴착후 터널 주변에발생하는 주응력 및 축차응력 등에서 천단부는 두터널간 차이가 크지 않으나, 좌·우 측벽부에서는 고속도로터널에 더 큰 응력이 발생하고, 안정성 측면에서도 철도터널에 비해 불리하게 나타났다.
- 반면, 좌·우 측벽부는 모두 1.0이상을 보이며 이또한 측압계수가 증가함에 따라 축차웅력비도 함께증가하는 것으로 나타났다.
- 반면, 좌·우 측벽부에서는 측압계수의 증가에 따라 휨압축응력비도 함께 증가하는데 그 크기에 있어서는 K=0.5에서 약 1.5정도이나 K=2.0에서는 최대 3배 정도 더 크게 발생하는 것으로 나타났다.
- 암반등급별 측압계수 변화에 따른 주응력비를 살펴보면 측압계수가 증가함에 따라 천단부 및 측벽부모두 함께 증가하는 것으로 나타나며, 천단부의 경우에는 측압계수 증가와 함께 주웅력비도 증가하나그 크기에 있어서는 모두 1.0이하로서 철도터널에더 큰 웅력이 발생하는 것을 알 수 있다.
- 이상에서 살펴본 바와 같이 고속도로터널과 철도터널의 위치별 발생응력 및 안정성에는 차이가 있는것을 알 수 있으며, 전반적으로 단면형상이 보다 원형에 가까운 철도터널이 안정성 확보차원에서는 유리하다는 것을 알 수 있다.
- 지보패턴 Ⅱ에 대한 결과를 분석해보면 천단부는 측압계수 1.0을 기준으로 그 이하는 K=0.5에서 약 2배 이상 크게 발생하며, K=2.0에서 약 0.6배 정도까지 감소하여 변화의 폭이 매우 큰 것을 알 수 있다.
- 지보패턴별 숏크리트에 발생하는 휨압축응력은 천단부 및 측벽부 모두 허용치(0.4fck = 8.4MPa) 이내로 나타났으나 위치별 및 상대적인 발생크기에 있어서는 차이가 있는 것으로 분석되었다.
- 축차웅력비 발생경향 또한 앞에서 살펴본 주웅력비의 경우와 매우 유사하게 나타나는데, 천단부는 측압계수 변화에 관계없이 모두 1.0이하를 나타내고측압계수가 증가함에 따라 함께 증가하는 경향을 보였다.
- 축차응력비 또한 지보재를 설치하지 않은 경우와 비교 시 차이가 거의 없는 것으로 나타났으며, 이 결과로 볼 때 천단부는 고속도로와 철도터널의 안정성은 서로 비슷한 수준이라 판단되며, 좌·우 측벽 부에서는 철도터널의 안정성이 보다 양호하다 사료된다.
- 한편, 암반등급별 토피고 변화에 따른 최대 주웅력비의 차이는 매우 미소한 것으로 나타났다.
- 한편, 측압계수 증가에 따른 록볼트 축력비 발생경향을 보면 지보패턴에 관계없이 모두 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 이상에서 살펴본 바와 같이 비슷한 굴착 단면적임에도 불구하고 철도터널이 고속도로 터널에 비해 안정성 측면에서 유리하므로 향후 철도터널의 설 계시 본 논문의 분석결과를 참고하여 보다 적극적인 지보재 적용성을 검토할 수 있으리라 사료되며 이는 곧 경제성 향상으로 이어질 수 있을 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.