[논문]수치해석 및 계측자료 분석을 통한 막장볼트의 보강효과에 관한 연구

서경원; 김웅구; 백기현; 김진웅

doi:10.9711/ktaj.2010.12.5.359

수치해석 및 계측자료 분석을 통한 막장볼트의 보강효과에 관한 연구
A comparative analysis of prediction and measurement for reinforcement effect of face bolts 원문보기

터널기술 : 한국터널공학회논문집, v.12 no.5, 2010년, pp.359 - 368

서경원 (대우건설 기술연구원) , 김웅구 (대우건설 기술연구원) , 백기현 (대우건설 기술연구원) , 김진웅 (한국도로공사)

초록
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국내의 경우 터널 지반보강증 강관다단그라우팅 공법이 폭넓게 시용되지만 해외의 경우 시공성 및 경제성이 막장볼트 공법이 흔히 적용되고 있다. 본 논문에서는 국내 도로터널 붕락 발생시 적용한 강관다단그라우팅 및 막장볼트의 적용효과에 대해서 수치해석을 통해 분석해 보았다. 또한 해외 시공사례의 계측데이터를 바탕으로 두 공법의 보강효과에 대해 분석해 보았다. 본 연구를 통해 막장 전면에 파쇄대가 발달하는 경우 페이스공법도 막장보강에 효과적임을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Unlike in Korea where steel pipe-reinforced multistep grouting is of commonly used methods for tunnel reinforcement, face bolt method is more widely used due to its better workability and lower construction cost in other countries. In this paper, the effects of both methods after tunnel failure were numerically analyzed and verified based on the oversea construction experiences. As a result it is concluded that the face bolt method may be effective to reinforcement especially when there are some fractured zones developed in the face of tunnel.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 최근 일부 현장에서 붕락부 및 파쇄대 구간을 중심으로 막장볼트 공법을 적용하기 시작한 현장이 있는데 본 논문에서는 붕락부의 강관디단그라우팅 공법과 막장 볼트 공법의 적용을 수치해석적으로 재현하고 막장 볼트의 보강 효과에 대해 고찰해 보았다. 또한 기존 시공사례의 계측 및 해석 데이터 분석을 통해 강관 다단 그라우팅 공법과 막장볼트 공법의 효과의 차이에 대해 분석해 보았다.
본 연구에서는 국내 터널 붕락시 적용한 강관 다단 그라우팅과 막장볼트 공법의 효과 및 보강 메커니즘에 대해 분석하였으며 이를 해외 시공사례와 비교 검토하였다. 위의 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.

가설 설정

0배 정도 상향평가하는 것이 일반적이지만 암반 그라우팅의 경우 절리면 사이의 충진물 형태 및 지하수압 등에 따라 큰 차이를 보이고 있어 모델링 방법에 따라 과대 혹은 과소평가 될 위험이 있다. 그러나 본 연구에서는 후술히는 타현장 계측자료와의 경향 분석을 위해 통상적으로 수행되는 방법인 원지반 물성이 1.5배가 증가하는 것으로 가정하였다. 막장볼트는 현장 시공 시와 동일하게 소구경 강관이 삽입되는 것으로 하였다.

제안 방법

강관다단그라우팅은 천공홀이 자립하지 못하여 직 천공 강관을 시공하였으며 주입재로는 시멘트밀크를 주입하였다 2차 붕락후 공동부는 우레탄 및 경량기포 모르타르로 충전하였고 막장볼트는 현장에서 즉시 자재공급이 가능한 소구경 강관을 사용하였다 굴착은 기계식 굴착으로 하였고 매 막장마다 전방에 삽입된 강관을 산소절단기로 절단하면서 굴착을 진행하였다.
보강 효과에 대해 고찰해 보았다. 또한 기존 시공사례의 계측 및 해석 데이터 분석을 통해 강관 다단 그라우팅 공법과 막장볼트 공법의 효과의 차이에 대해 분석해 보았다.
표 3에는 해석 조건을 나타내었다. 실제 현장에서는 1차 붕락 후 강관다단그라우팅, 2차 붕락 후 막장 볼트를 시공하였지만 본 해석에서는 각 공법의 효과를 비교하기 위해 무보강인 경우 및 두 공법을 동시에 적용한 경우를 추가로 분석하였다. 또한 2차 붕락후 공동을 우레탄 및 경량기포모르타르로 충전하였지만 본 해석에서는 제외하였다.
응급조치는 우선 붕락의 진행을 막기 위해 버력으로 막장면 압성토를 하였으며, 천단부 숏크리트 타설, 지하수 양수작업을 하였다
대상터널의 지반 탄성계수는 2 MPa ~ 10, 000 MPa이고, 토피고는 4-100 이의 범위이다. 자료중에는 계측위치, 보조공법의 타설제원 및 사용재료 등이 불명확한 점도 있지만 각 보조공법의 역할 주된 효과를 분석하기 위해 굴착단면 및 천단침하가 수렴하는 막장후방으로 나누어 분석하였다.
주된 터널 보강은 표 1 처럼 1차 붕락시에는 강관 다단 그라우팅을 주 보강공법으로 시행하였으며, 2차 보강 후에는 막장볼트 공법을 시행하였다.
있었다. 터널 붕락은 6 m 구간에서 2회에 걸쳐 발생하였고, 각각의 붕락발생시 강관다단그라우팅 및 막장 볼트 공법을 주 보강대책으로 시공하였다.
파쇄대는 단층점토 및 단층각력, 지하수 존재 등의 지반 조건과 타 현장 사례를 참고로 정하였다. 특히 본 붕락 구간은 페이스매핑과 지질종단도를 종합하면 파쇄대가 터널 굴착방향으로 약 60º의 각도 및 위폭 5 이의 두께로 분포하고 있어 그림 9와 같이 모델링하였다. 표 3에는 해석 조건을 나타내었다.
막장볼트는 현장 시공 시와 동일하게 소구경 강관이 삽입되는 것으로 하였다. 파쇄대는 단층점토 및 단층각력, 지하수 존재 등의 지반 조건과 타 현장 사례를 참고로 정하였다. 특히 본 붕락 구간은 페이스매핑과 지질종단도를 종합하면 파쇄대가 터널 굴착방향으로 약 60º의 각도 및 위폭 5 이의 두께로 분포하고 있어 그림 9와 같이 모델링하였다.

대상 데이터

그림 14 〜 그림 16에는 시공사례중(徐景源, 2006) 붕락이 발생한 현장의 무보강, 막장볼트, 강관다단그라우팅을 각각 적용한 현장과 동시에 적용한 현장의 계측 및 해석데이터를 나타내었다 수집한 자료는 철도터널, 도로 터널의 23개소이다. 대상터널의 지반 탄성계수는 2 MPa ~ 10, 000 MPa이고, 토피고는 4-100 이의 범위이다.
23개소이다. 대상터널의 지반 탄성계수는 2 MPa ~ 10, 000 MPa이고, 토피고는 4-100 이의 범위이다. 자료중에는 계측위치, 보조공법의 타설제원 및 사용재료 등이 불명확한 점도 있지만 각 보조공법의 역할 주된 효과를 분석하기 위해 굴착단면 및 천단침하가 수렴하는 막장후방으로 나누어 분석하였다.

이론/모형

2와 같이 적용하였다. IV등급 지반 물성값은 실험값을 이용하였는데 완전탄소성체로 모델화하고, 파괴기준은 Mohr-Coulomb의 기준을 적용하였다.
본 장에서는 붕락구간에 적용한 강관다단그라우팅 및 막장 볼트 공법의 변위제어 효과에 대해 유한요소법을 근간으로 하는 범용해석프로그램인 MIDAS GTS를 이용하였다.

성능/효과

보이고 있다 그림 16(b)의 막장볼트만을 시공한 경우는 보강효과가 작고 두 공법을 병행한 경우는 크게 감소하는 것을 알 수 있다 이것은 막장볼트는 굴착 단면에서는 천단침하에 대하여도 보강효과가 있지만 시공 특징상 굴착과 동시에 절단하면서 굴착을 진행하므로 막장 후방에서는 볼트에 의한 영향이 작아지기 때문으로 생각한다.
2. 본 터널과 같이 파쇄대가 터널 굴진방향에 대해 약 60º정도로 발달하고 굴착에 따라 파쇄대가 막장 전면에 발달하는 경우 수치해석상 무보강인 경우에 비해 막장볼트 공법은 막장수평변위가 42.1% 감소하고, 막장볼트와 강관그라우팅을 병행하면 43.1% 감소하고, 강관다단그라우팅을 단독으로 시공하는 경우는 5.1%가 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 파쇄대가 막장 전면에 나타나지 않는 경우는 강관다단그라우팅과 막장볼트의 변위제어 효과는 비슷한 것으로 나타났다.
3. 기존 시공사례의 계측 및 해석데이터 분석 결과 막장 볼트의 타설에 의해 수평변위는 약 47 ~ 82% 감소되며 최종변위는 공통적으로 약 50 mm에서 수렴하고 있는 것을 알 수 있다 막장 후방의 천단침하는 강관다단그라우팅만을 시공한 경우는 50 ~ 70%의 저감효과를 보이고 있으며 막장볼트의 시공에 따른 침하감소 효과는 미미한 것으로 나타났다.
파쇄대가 막장 전면에 발달하는 그림 10과 비교하면 수평변위가 매우 작아 각 공법의 효과를 쉽게 확인할 수는 없다. 그러나 무보강과비교하면 막장볼트 공법은 막장수평변위가 2.5% 감소하고, 막장볼트와 강관그라우팅을 병행하면 5.9% 감소하는 것으로 나타났으며 강관다단그라우팅과 막장 볼트를 단독으로 시공하는 경우는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
공법별 막장 수평변위를 나타내었다. 무보강과 비교하면 막장볼트 공법은 막장수평변위가 42.1% 감소하고, 막장 볼트와 강관 그라우팅을 병행하면 43.1% 감소하는 것으로 나타났으며 강관다단그라우팅을 단독으로 시공하는 경우는 5.1 %가 감소하는 것으로 나타났다. 본 해석 조건에서는 강관다단그라우팅 공법만으로는 파쇄대가 막장 전면에 발달하는 경우 막장 수평변위를 효과적으로 억제하지 못하는 것으로 나타났다.
1. 본 연구에서 소개한 터널 붕락은 터널하반부터 굴착 방향으로 빌달한 파쇄대와 1, 600 ton/day이상의 지하수 유출로 인한 지반 지지력 부족으로 발생하였으며 1 차 붕락시 적용한 강관다단그라우팅으로는 굴진 방향으로 발달한 파쇄대의 막장 수평변위와 막장 면의 낙석을 효과적으로 억제하지 못한 것으로 분석된다.
1 %가 감소하는 것으로 나타났다. 본 해석 조건에서는 강관다단그라우팅 공법만으로는 파쇄대가 막장 전면에 발달하는 경우 막장 수평변위를 효과적으로 억제하지 못하는 것으로 나타났다. 즉, 막장 수평변위의 감소에는 막장볼트 공법의 역할이 큰 것을 알 수 있다.
강관다단그라우팅 단독으로는 수평변위의 감소는 작고 병행공법에 의해 감소효과가 큰 것을 알 수 있다. 이것으로부터 막장의 수평변위에 대해서는 강관다단그라우팅보다 막장볼트가 효과적인 것을 알 수 있다.

후속연구

이와 같은 결과 막장에 파쇄대가 막장 전면에 발달하는 경우 경제성과 시공성이 우수한 막장볼트 공법도 보강공법의 하나로서 유효하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다

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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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