[논문]GLI(Ground-Lining Interaction)모델을 이용한 터널 콘크리트라이닝의 현장 설계변경 사례에 대한 연구

장석부; 이수열; 서영호; 윤기항; 박연준; 김수만

GLI(Ground-Lining Interaction)모델을 이용한 터널 콘크리트라이닝의 현장 설계변경 사례에 대한 연구
A Study on Field Change Case of Tunnel Concrete Lining Designs Using GLI(Ground Lining Interaction) Model 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.20 no.1 = no.84, 2010년, pp.58 - 64

장석부 ((주)유신코퍼레이션 터널부) , 이수열 (수원대학교 토목공학과 대학원) , 서영호 (현대건설) , 윤기항 (현대건설) , 박연준 (수원대학교 토목공학과) , 김수만 (수원대학교 토목공학과)

초록
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지반과 터널라이닝의 상호작용을 고려한 GLI모델은 기존의 Terzaghi 이완하중과 골조모델을 이용한 방법에 비해 터널의 2차라이닝(콘크리트라이닝)에 작용하는 지반하중을 합리적으로 경감할 수 있음이 입증된 바 있다. 이에 본 연구에서는 기존의 골조모델을 이용하여 설계된 OO선O공구의 콘크리트라이닝에 대해 GLI모델을 도입한 현장설계를 통해 경제성 및 시공성을 개선하였다. 다양한 안전측 고려사항에도 불구하고 철근량의 약 50%가 감소하여 철근자재비를 감소시킬 수 있었고 적정한 철근간격을 확보하여 콘크리트 밀실충전이 용이하였다. 지반조건이 불량한 터널일 수록 더 큰 철근량 절감효과가 있었으며, 이는 Terzaghi 이완하중이 불량한 지반에서 과도하게 산정되기 때문이다.

Abstract ▼ AI-Helper

GLI model was verified to consider the interaction between a ground and a tunnel lining and to rationally reduce the ground load acting on the secondary lining(concrete lining) of a tunnel. In this study, the economy and the construction condition of tunnel concrete linings designed by a conventional frame model at Lot O of OO line were highly enhanced through a field design change using GLI model. For a few safe considerations, not only about 50% saving of reinforcing steel could reduce the material cost but also the wide space between bars could make it easy to pour concrete mix without voids. There was large saving effect of reinforcing steel for poor ground conditions because Terzaghi's load used in the conventional frame model produces too much high loads for those conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

GLI모델의 이론적 검증 및 설계적용 사례는 기존 문헌(서성호 등, 2002, 장석부 등, 2006)에 수록되어 있으므로 본 논문에서는 간단히 소개토록 한다. GLI모델은 기존의 터널수치해석이 굴착과 지보과정으로 한정된 것을 콘크리트라이닝 시공과정까지 확장한 것으로 이해할 수 있다.
본 논문에서는 기존의 골조모델로 설계된 콘크리트라이닝의 문제점을 검토하고 현장여건을 고려하여 GLI모델을 이용한 현장설계 적용사례를 소개하였다. 지하수압, 건조수축 등의 하중은 당초 설계와 동일하게 기존의 골조모델을 이용하고 지반하중만을 GLI모델을 이용하여 콘크리트라이닝 단면력을 산출하였다.

가설 설정

1) Terzaghi 이완하중이 과다하여 과다보강의 주요인이 된다.
2) 복잡한 지반조건을 고려하기 곤란하다.
3) 터널굴착 및 지보 과정을 고려할 수 없다.
1) 터널지보재에 가능한 최대 하중이 작용하도록 하중 분배율은 적용하지 않았다. 즉, 콘크리트라이닝으로 전이될 하중을 최대한 발생시키기 위해 굴착과 동시에 지보재가 설치되는 이상적 조건을 가정하였다.

제안 방법

5를 적용하였다. PD-5, 6은 토사층에 위치하여 이완하중고가 토피를 초과하기 때문에 전토피가 적용되었고 PD-4는 터널천정부가 풍화암층에 위치하여 이완하중고는 0.4(터널폭+터널높이)를 적용하였다. 지반하중의 재하방식은 Fig.
강도설계법을 위한 하중조합은 다음의 3가지 조합을 적용하였으며, 균열검토를 위해 하중계수를 1.0으로 한 하중조합을 추가하였다.
이고, 보강철근의 항복강도는 300MPa이다. 설계하중으로는 라이닝자중, 지반하중(연직, 수평), 잔류수압, 콘크리트건조수축이 고려되었으며 골조모델이 사용되었다. 지반하중의 연직하중은 Terzaghi 이완하중법을 이용하였고 수평하중은 측압계수 0.
콘크리트라이닝 설계시에는 지반하중을 더 보수적으로 반영하기 위해 △U를 ‘0’으로 고려함으로써 △P 만큼 더 큰 하중이 작용토록 하였다. 즉, 콘크리트라이닝이 설치되기 전에 지보재는 굴착과 동시에 설치되는 조건으로 해석하여 지보재에 작용할 수 있는 최대하중을 구현하였다. 콘크리트라이닝이 타설된 후 지보재가 제거되면 하중전이로 인해 콘크리트라이닝은 점B'에서 점C'경로를 따르게 된다.
지하수압, 건조수축 등의 하중은 당초 설계와 동일하게 기존의 골조모델을 이용하고 지반하중만을 GLI모델을 이용하여 콘크리트라이닝 단면력을 산출하였다. 지반조건에 따라 3개의 터널단면에 대해 분석하여 지반조건별 기존 골조모델과 GLI모델에 따른 보강량 차이를 평가하였다.
본 논문에서는 기존의 골조모델로 설계된 콘크리트라이닝의 문제점을 검토하고 현장여건을 고려하여 GLI모델을 이용한 현장설계 적용사례를 소개하였다. 지하수압, 건조수축 등의 하중은 당초 설계와 동일하게 기존의 골조모델을 이용하고 지반하중만을 GLI모델을 이용하여 콘크리트라이닝 단면력을 산출하였다. 지반조건에 따라 3개의 터널단면에 대해 분석하여 지반조건별 기존 골조모델과 GLI모델에 따른 보강량 차이를 평가하였다.
콘크리트라이닝 설계시에는 지반하중을 더 보수적으로 반영하기 위해 △U를 ‘0’으로 고려함으로써 △P 만큼 더 큰 하중이 작용토록 하였다.
현장 설계변경은 지반하중 이외에 모든 조건은 당초 설계와 동일한 골조모델을 이용하여 콘크리트라이닝 단면력을 산출하였다. 지반하중은 GLI모델에서는 연직과 수평성분을 구분할 수 없기 때문에 안전측으로 하중계수를 1.

대상 데이터

지반조건은 한강충적지대의 영향을 받아 지표로부터 약 20 m 정도의 모래층 및 모래자갈층이 위치하고 그 하부에는 비교적 얇은 풍화암층이 위치한다. 본 구간의 대표단면은 총 3개로써 지반조건, 굴착공법, 지보량은 Table 1과 같으며, 토사 A는 충적모래층이고 토사 B는 충적 모래자갈층을 의미한다.
본 현장은 ㅇㅇ선 ㅇ공구로서 지하철 복선터널이 지하 20 m 정도에 위치한다. 지반조건은 한강충적지대의 영향을 받아 지표로부터 약 20 m 정도의 모래층 및 모래자갈층이 위치하고 그 하부에는 비교적 얇은 풍화암층이 위치한다.
콘크리트라이닝의 설계강도는 24 MPa, 단위중량은 25 kN/m³이고, 보강철근의 항복강도는 300MPa이다. 설계하중으로는 라이닝자중, 지반하중(연직, 수평), 잔류수압, 콘크리트건조수축이 고려되었으며 골조모델이 사용되었다.

이론/모형

8로 하였다. GLI모델 적용을 위한 해석프로그램은 FLAC(Itasca, 2000)을 사용하였고 Table 2는 당초 설계시 적용된 지반물성치로서 변경설계에도 동일하게 적용되었다.
본 논문에서는 지반조건이 불량한 터널현장에서 당초 골조모델로 철근보강된 콘크리트라이닝의 합리적 설계를 위해 GLI모델을 적용하였다. 당초 설계의 기본 설계개념을 유지하기 위해 잔류수압, 건조수축 하중 등은 기존의 골조모델을 이용하였고 지반하중만 GLI모델을 적용하였다.
, 2003, 장석부 등, 2006). 본 논문에서는 지반조건이 불량한 터널현장에서 당초 골조모델로 철근보강된 콘크리트라이닝의 합리적 설계를 위해 GLI모델을 적용하였다. 당초 설계의 기본 설계개념을 유지하기 위해 잔류수압, 건조수축 하중 등은 기존의 골조모델을 이용하였고 지반하중만 GLI모델을 적용하였다.
그러나, 1990년대 중반부터 구조계산을 통한 콘크리트라이닝 보강이 이루어지면서 개착구조물과 동일한 방식의 골조모델(frame model)이 적용되기 시작했다. 주요 하중으로는 지반하중과 수압을 들 수 있는데, 전자는 Terzaghi 이완하중법이 적용되었고 후자는 잔류수압개념이 적용되었다.
설계하중으로는 라이닝자중, 지반하중(연직, 수평), 잔류수압, 콘크리트건조수축이 고려되었으며 골조모델이 사용되었다. 지반하중의 연직하중은 Terzaghi 이완하중법을 이용하였고 수평하중은 측압계수 0.5를 적용하였다. PD-5, 6은 토사층에 위치하여 이완하중고가 토피를 초과하기 때문에 전토피가 적용되었고 PD-4는 터널천정부가 풍화암층에 위치하여 이완하중고는 0.

성능/효과

1) 당초설계에 비해 철근량을 50% 정도 절감하였다.
1) 터널지보재에 가능한 최대 하중이 작용하도록 하중 분배율은 적용하지 않았다. 즉, 콘크리트라이닝으로 전이될 하중을 최대한 발생시키기 위해 굴착과 동시에 지보재가 설치되는 이상적 조건을 가정하였다.
2) 철근간격 증대를 통한 콘크리트 밀실충전이 용이해져 콘크리트라이닝 품질관리가 용이해졌다.
2) 콘크리트라이닝의 배근계획시에는 발생한 단면력에 대해 산정된 보강 철근량보다 다소 높은 철근량을 적용하였다.
3) 현장설계변경 당시 발주예산대비 철근자재비 급등에 대한 현장부담이 경감되었다.
4) 본 현장사례를 토대로 GLI 모델의 실제 적용성이 검증되었다.
4) 원형이 아닌 터널의 경우 지반반력계수 산정이 모호하다.
결론적으로 GLI모델은 기존의 골조모델에 비해 지반조건과 터널굴착 및 지보조건을 정교하게 고려할 수 있는 장점이 있다. 특히 지반조건이 불량할수록 기존 골조모델에 적용하고 있는 Terzaghi 이완하중은 과다설계를 유도하므로 GLI모델 적용시 합리적 설계가 가능하다.
전체적으로 현장에서는 약 50% 정도의 철근자재비를 절감하여 자재비 상승에 의한 현장 부담 경감과 더불어 사업비 또한 절감할 수 있었다. 시공성 측면에서는 PD-6의 경우 주철근 직경은 감소하고 간격이 증가하여 주철근간 공간이 68 mm에서 123 mm로 약 2배가 증가하였다.
GLI모델을 이용하여 3개 단면에 대한 터널 콘크리트라이닝 해석결과는 Table 3과 같다. 지반조건이 불량할수록 모멘트는 크게 증가함을 알 수 있으며, 축력 또한 같은 경향을 보이나 토피의 영향으로 인해 PD-5가 PD-6에 비해 약간 높다. 최대 모멘트는 PD-5와 PD-6과 같이 측벽과 인버트가 만나는 우각부에서 발생하는 것이 일반적이나 PD-4는 바닥부분의 지반조건이 경암으로 매우 양호하기 때문에 암층경계부인 어깨부에서 최대모멘트가 발생하였다.
우리나라 도로, 철도와 같은 대부분의 교통터널은 지보재와 2차라이닝인 콘크리트라이닝으로 지지되는 구조로 건설되고 있다. 터널지보재는 숏크리트와 록볼트가 주지보재로 고려되고 있으며 지반과 지보재가 상호작용하면서 굴착하중을 분담할 수 있는 수치해석법을 통해 보강량의 적정성을 판단하는 것이 보편화되었다. 그러나, 콘크리트라이닝은 지반을 단순히 반력스프링으로 고려한 골조모델이 사용됨에 따라 콘크리트라이닝과 지반의 상호작용을 적절히 고려하지 못하는 문제를 내포하고 있으며 이는 과다설계의 주원인으로 지목되어 왔다.

후속연구

다만, 기존의 양호한 암반터널의 콘크리트라이닝에 적용한 ‘발파에 의한 이완하중’과 같이 그 근거가 모호한 구조계산보다는 GLI모델 적용시 무근콘크리트의 구조적 적정성을 공학적으로도 검토할 수 있는 객관적이고 정량적인 계산방법이 될 것으로 판단된다.
특히 지반조건이 불량할수록 기존 골조모델에 적용하고 있는 Terzaghi 이완하중은 과다설계를 유도하므로 GLI모델 적용시 합리적 설계가 가능하다. 따라서, 터널콘크리트 라이닝 구조계산에 GLI모델을 적용함으로써 무근 라이닝이 적용되는 산악암반터널은 공학적 근거 제시가 가능하고 지반조건이 불량한 터널에서는 합리적 설계를 유도할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 콘크리트라이닝의 문제점은 무엇인가?	터널지보재는 숏크리트와 록볼트가 주지보재로 고려되고 있으며 지반과 지보재가 상호작용하면서 굴착하중을 분담할 수 있는 수치해석법을 통해 보강량의 적정성을 판단하는 것이 보편화되었다. 그러나, 콘크리트라이닝은 지반을 단순히 반력스프링으로 고려한 골조모델이 사용됨에 따라 콘크리트라이닝과 지반의 상호작용을 적절히 고려하지 못하는 문제를 내포하고 있으며 이는 과다설계의 주원인으로 지목되어 왔다.
	대부분의 교통터널은 어떤 구조로 건설되는가?	우리나라 도로, 철도와 같은 대부분의 교통터널은 지보재와 2차라이닝인 콘크리트라이닝으로 지지되는 구조로 건설되고 있다. 터널지보재는 숏크리트와 록볼트가 주지보재로 고려되고 있으며 지반과 지보재가 상호작용하면서 굴착하중을 분담할 수 있는 수치해석법을 통해 보강량의 적정성을 판단하는 것이 보편화되었다.
	GLI모델의 기본개념은 무엇으로 설명되며, 이론적 적정성은 무엇을 통해 검증되었는가?	GLI모델은 콘크리트라이닝이 설치되는 시공과정과 지반의 하중이력을 고려할 수 있는 새로운 방법이다. 본 모델의 기본개념은 질량-스프링의 이상적 모델로 설명된 바 있으며, 이론적 적정성은 지반-지보 반응곡선을 이용하여 굴착-지보-2차라이닝(콘크리트라이닝)의 상호작용이 검증되었다(서성호 등, 2002). 본 GLI모델의 핵심개념은 콘크리트라이닝에 작용하는 하중의 근원을 터널지보재에 작용하는 하중으로 고려한 것이다.

참고문헌 (7)

서성호, 장석부, 이상덕, 2002, 지반-1차지보재-2차라이닝의 상호작용을 고려한 터널 2차라이닝 해석 모델, 한국암반공학회지, 제12권, 제2호, pp.107-114

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이인모, 김주현, L. N. Reddi, 2000, 흙/부직포 시스템에서 투수능 저하현상-투수능저하현상의 이방성을 중심으로-, 대한토목학회 논문집, 제20권, 제3호, pp.229-242
장석부, 허도학, 문현구, 2006, 지반-라이닝 상호작용 모델을 이용한 터널 2차라이닝 설계에 관한 연구, 터널기술, 제8권, 제8호, pp.365-375
한국터널공학회, 2009, 터널설계기준해설서, 도서출판 씨？ 아이？알, ISBN 978-89-92259-27-9 93
Chang, S. Seo, S., Lee, S., 2003, Design of the secondary tunnel lining using a ground-primary support-secondary lining interaction model, International Symposium on the Fusion Technology of Geosystem Engineering, Rock Engineering and Geophysical Exploration, Seoul, Korea, Nov. 18-19, pp.109-114
Itasca Consulting Groups, 2000, FLAC Ver 4.0 Manual, Minneapolis, Minnesota, USA
Proctor, R.V. & White, T.L., 1961, Rock tunneling with steel supports, Commercial shearing & stam, pp. 277

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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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