국내에서 터널 설계시 암반의 물리적, 역학적 특성에 따라서 $5{\sim}6$개의 암반등급으로 분류한 후 터널의 용도 및 특성을 고려하여 지보시스템을 결정하게 된다. 그러나 이와 같은 방법은 암반의 특성이 균일하다는 가정을 하고 있으며 암반특성이 종 방향으로 변화될 경우 이에 대한 지보시스템의 친정이 달라져야 한다. 본 연구는 3차원수치해석 프로그램(FLAC3D)을 이용하여 NATM 터널시공시 암반특성의 종방향 변화가 암반분류 및 지보시스템 결정에 미치는 영향을 파악하고자 총 14Case를 현장의 시공순서를 고려한 해석을 수행하였다. 암반특성의 종방향 변화시 전 후방 암반의 강성차이가 작은 경우에는 암반경계를 기준으로 0.5D내외, 강성차이가 큰 경우에는 1.0D 내외의 범위에서 유리한 암반등급의 거동과는 다르므로 암반특성에 따라서 암반경계층을 기준으로 $0.5D{\sim}1.0D$구간을 안전측(보수적)으로 평가하여 설계에 반영하거나, 지보패턴을 하향조정하는 것이 시공성, 작업효율성, 공사기간 등의 측면에서 효과적일 것으로 판단된다.
국내에서 터널 설계시 암반의 물리적, 역학적 특성에 따라서 $5{\sim}6$개의 암반등급으로 분류한 후 터널의 용도 및 특성을 고려하여 지보시스템을 결정하게 된다. 그러나 이와 같은 방법은 암반의 특성이 균일하다는 가정을 하고 있으며 암반특성이 종 방향으로 변화될 경우 이에 대한 지보시스템의 친정이 달라져야 한다. 본 연구는 3차원 수치해석 프로그램(FLAC3D)을 이용하여 NATM 터널시공시 암반특성의 종방향 변화가 암반분류 및 지보시스템 결정에 미치는 영향을 파악하고자 총 14Case를 현장의 시공순서를 고려한 해석을 수행하였다. 암반특성의 종방향 변화시 전 후방 암반의 강성차이가 작은 경우에는 암반경계를 기준으로 0.5D내외, 강성차이가 큰 경우에는 1.0D 내외의 범위에서 유리한 암반등급의 거동과는 다르므로 암반특성에 따라서 암반경계층을 기준으로 $0.5D{\sim}1.0D$구간을 안전측(보수적)으로 평가하여 설계에 반영하거나, 지보패턴을 하향조정하는 것이 시공성, 작업효율성, 공사기간 등의 측면에서 효과적일 것으로 판단된다.
The selection of the support system is an important design parameter in design and construction of the tunnel using the new Australian tunnel method. It is a common practice to select the support based on the rock mass grade, in which the rock mass is classified into five rock groups. The method is ...
The selection of the support system is an important design parameter in design and construction of the tunnel using the new Australian tunnel method. It is a common practice to select the support based on the rock mass grade, in which the rock mass is classified into five rock groups. The method is applicable if the characteristics of the rock mass are uniform in the direction of tunnel excavation. However, such case is seldom encountered in practice and not applicable when the properties vary along the longitudinal direction. This study performs comprehensive three dimensional finite difference analyses to investigate the ground deformation pattern for cases in which the rock mass properties change in the direction of the tunnel axis. The numerically calculated displacements at the tunnel crown show that the displacement is highly dependent on the stiffness contrast of the rock masses. The results strongly indicate the need to select the support type $0.5{\sim}1.0D$ before the rock mass boundary. The paper proposes a new guideline for selecting the support type based the results of the analyses.
The selection of the support system is an important design parameter in design and construction of the tunnel using the new Australian tunnel method. It is a common practice to select the support based on the rock mass grade, in which the rock mass is classified into five rock groups. The method is applicable if the characteristics of the rock mass are uniform in the direction of tunnel excavation. However, such case is seldom encountered in practice and not applicable when the properties vary along the longitudinal direction. This study performs comprehensive three dimensional finite difference analyses to investigate the ground deformation pattern for cases in which the rock mass properties change in the direction of the tunnel axis. The numerically calculated displacements at the tunnel crown show that the displacement is highly dependent on the stiffness contrast of the rock masses. The results strongly indicate the need to select the support type $0.5{\sim}1.0D$ before the rock mass boundary. The paper proposes a new guideline for selecting the support type based the results of the analyses.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 암반특성(암반경계)이 종방향으로 변화하는 경우 암반분류에 미치는 영향을 수치 해석적으로 파악하고자 한다.
본 연구는 NATM 터널시공시 암반특성의 종방향 변화가 암반분류 및 지보시스템 결정에 미치는 영향을 파악하고자 3차원 수치해 석 프로그램(FLAC3D)을 이용하여 해석을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
따라서, 본 연구에서는 측면의 해석범위는 터널유효 직경(D)의 4.5D, 상부로는 지표면까지, 하부로는 3D까지를 모델링하였다.
또한, 굴착직후에 설치된 숏크리트는 양생기간을 거쳐서 서서히 강성상태로 굳어지면서 지반과 일체화가 되는 것을 반영하고자 연성 숏크리트(초기 설치~양생기간 7일) 및 강성 숏크리트(7일 이후) 2가지로 분류하여 단계별 해석에 반영하였다 [16].
또한, 수압파쇄에 의해 측정된 초기응력 값을 설계에 적용함에 있어서 반드시 구조지질학적 조사결과와 결부 시켜 분석하는 것이 세계적이 추세이므로[21], 수압파쇄시험, AE(Acoustic Emission), DRA(Deformation Rate Analysis) 시험 등에 의해 실시된 결과를 상호 분석하여 다음과 같이 산정하였다(Table 4).
본 연구에 적용된 FLAC3D(Itasca, 2002)의 Mohr- Coulomb 파괴기준은 전단파괴와 인장파괴 기능을 같이 사용하고 있으며, 초기응력에 대한 해석을 수행한 후, 변위를 모두 초기화하였으며, Shotcrete는 Shell요소, Rockbolt는 Cable요소를 적용하여 모델링 하였고, Unblance force는 0.1%로 설정하여 정확성을 높였다.
안산암은 화성암의 일종으로 산악터널이 많은 경상도 지역에 많이 분포되어 있는 암종으로써, 물리적 역학적 특성을 분석하기 위하여 다양한 시험(사전조사, 현장조사, 실내시험, 현장시험, 물리탐사 등)에 의해서 얻어진 결과를 적용하였으며, 6건의 설계 프로젝트에서 평가된 암반 등급별 물성치의 최대치 및 최소치를 제외한 평균값을 보수적으로 적용하였다 (Table 1).
터널 시공중 유리한 암반에서 상대적으로 불리한 암반으로 굴착이 진행될 경우 경계부 주변의 응력 집중으로 인한 거동을 파악하고자 각각의 암반등급에서 전방에 유리한 암반, 후방에 불리한 암반을 모델링하여 총 14 Case를 수치해석으로 수행하였으며, 편의상 1&2(1 : 전방의 암반 등급, 2 : 후방의 암반등급)와 같이 표기하고자 한다(Table 5).
터널막장 전방에 불리한 암반이 존재할 경우에 이를 예측하기 위하여 수많은 방법들이 제안되었으나 본 연구에서는 암반특성의 종방향적 변화에 대한 결과 분석을 위하여 터널막장 전방에 파쇄대 혹은 연약대를 추정하는 방법으로써, Schubert and Budil[23]가 제안한 영향선과 경향 선의 개념을 도입하여 판단할 수 있었다. 여기서, 터널의 천단 침하량을 같은 시간에 각기 다른 즉정지점에서 즉 정한 변위를 하나의 선으로 연결한 것으로써, 굴착단계마다 생성되는 선을 영향선(Influence Une)이라 하고, 영향선의 시작점에서 같은 거리(본 연구에서는 굴진장으로 설정함)만큼 떨어진 값들을 연결한 선을 경향선(Trend Line) 이라고정의하였다
해석순서는 암반등급에 해당되는 지보패턴을 선정하여 실제 시공과정과 유사하게 굴착 다음단계에서 연성숏크리트 및 록볼트 설치하고, 7일(단계)간의 양생과정 후 강성숏크리트로 변화하도록 하였으며(Table 3), 인버트 부분을 제외하고 지보재를 설치하였다.
하는 지점을 기준으로 전 . 후방으로 2D, 3D, 4D 까지 확장하여 예비해석을 실시하였다(Fig. 3).
대상 데이터
지반 물성치는 수치해석 결과에 가장 큰 영향을 미치는 영향 인자로써 물성치 결정에 신중을 기하고자 주암종이 안산암이면서 국내에서 턴키방식으로 설계된 6건을 선정하였다 [9-14].
터널단면은 경부고속철도 2단계 구간중 제 13-3공구의 원효터널에 적용된 것으로 굴착단면적 89.815m2, 폭 11.126m, 높이 8.420m로써 유효직경 (D) 이 약 10m 인 단면을 적용하였으며(Fig. 2), 지보패턴은 국내터널에서 가장 많이 적용되는 표준지보패턴을 선정하였다(Table 2).
성능/효과
4, 5). 또한, 후방에 암반 4, 5등급이 존재하는 경우에는 전방의 암반과 강성차이가 크기 때문에 경계부에 근접 시 암반 2, 3등급이 존재하는 경우에 비해서 더 큰 변화를 보이고, 경향선이 수렴되는 시간(굴착단계)도 더 증가됨을 알 수 있다(Fig. 6, 7).
아칭효과(응력전이)는 어느 특정한 상황에서만 볼 수 있는 것이 아니라, 상대적으로 강성의 차이가 있는 암반이 종방향으로 변화할 때 응력전이 차이의 크기가 많고 적음이 있을 뿐 항상 발생되는 것을 알 수 있었다.
암반 2등급이 전방에 존재하고 암반 3등급이 후방에 존재할 경우에는 경계부 전방 -7m에서 -3.5m로 진행되면서 -7m까지 발생된 변화율 보다 다소 커지기 시작하면서 경계부에서 약 140% 정도의 큰 변화를 볼 수 있었으며, 암반 4 등급의 경우는 약 200% 이상의 변화가 발생하였고, 암반 5등급의 경우는 -7m에서 -3.5m로 진행되면서 약 120%가 발생되고 경계부에서는 약 240% 이상의 아주 큰 변화가 나타났는데, 이는 전 . 후방 암반의 강성차이로 경계부에서 응력전이가 전방으로 발생되면서 전방에서 추가적 인 변형이 발생되었기 때문으로 판단된다(Fig.
암반경계부 방향으로 굴착함으로써 강성이 약한 암반에서 강성이 큰 암반(전방에 존재하는 암반)으로 응력이전이 되어 최대주응력이 커지고 있음을 알 수 있으며, 반대로 강성이 작은 암반(후방에 존재하는 암반)의 경우에는 굴착단계가 진행되면서 응력이 감소하는 것을 알 수 있다.
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