최근 아치슬래브를 이용한 새로운 반개착식 터널공법이 터널안정성 확보와 건설비용 감소, 환경훼손 최소화를 위해 적용되고 있다. 반개착식 공법은 원지반을 터널 천단아치부 까지만 굴착하고 아치형 구조물을 설치하여 복토한 후에 터널하반을 굴착하는 공법이다. 본 논문에서는 편경사 지역에서 반개착식으로 굴착 할 경우 편경사에 따른 아치슬래브의 거동을 실내모형실험으로 규명하였다. 연구결과, 아치슬래브의 거동은 원지반의 편경사 크기, 굴착심도, 굴착사면의 경사 및 기반암의 위치에 영향을 받는 것으로 나타났다. 아치슬래브의 측력은 전반적으로 압축력이 지배하나 편경사가 커질수록, 저지대에서 부분적으로 인장력이 발생하였다. 아치슬래브의 모멘트는 편경사가 증가할수록 고지대에서는 압축모멘트가 발생하며, 저지대에서는 인장모멘트가 발생하였다. 지점반력은 편경사가 커질수록 고지대에서는 증가하며, 저지대에서는 감소하여 좌우편차가 발생하였다.
최근 아치슬래브를 이용한 새로운 반개착식 터널공법이 터널안정성 확보와 건설비용 감소, 환경훼손 최소화를 위해 적용되고 있다. 반개착식 공법은 원지반을 터널 천단아치부 까지만 굴착하고 아치형 구조물을 설치하여 복토한 후에 터널하반을 굴착하는 공법이다. 본 논문에서는 편경사 지역에서 반개착식으로 굴착 할 경우 편경사에 따른 아치슬래브의 거동을 실내모형실험으로 규명하였다. 연구결과, 아치슬래브의 거동은 원지반의 편경사 크기, 굴착심도, 굴착사면의 경사 및 기반암의 위치에 영향을 받는 것으로 나타났다. 아치슬래브의 측력은 전반적으로 압축력이 지배하나 편경사가 커질수록, 저지대에서 부분적으로 인장력이 발생하였다. 아치슬래브의 모멘트는 편경사가 증가할수록 고지대에서는 압축모멘트가 발생하며, 저지대에서는 인장모멘트가 발생하였다. 지점반력은 편경사가 커질수록 고지대에서는 증가하며, 저지대에서는 감소하여 좌우편차가 발생하였다.
Recently, the number of shallow tunnel construction increases to improve the structural safety and environment-friendliness. In semi-cut-and-cover Method, ground is excavated to the crown arch level and arch slab is set to backfill before the excavation of lower face. In this study, laboratory model...
Recently, the number of shallow tunnel construction increases to improve the structural safety and environment-friendliness. In semi-cut-and-cover Method, ground is excavated to the crown arch level and arch slab is set to backfill before the excavation of lower face. In this study, laboratory model tests was performed to clarify the behavior of the arch slab constructed perpendicular to the slope. Results show that Arch slab is affected by perpendicular to the slope and bedrocks. Negative moment at the upper part of the arch slab at hillside and positive moment at the upper part at the other side are generated as perpendicular to the slope increases. Reaction load at the hillside support was larger than that at the other side.
Recently, the number of shallow tunnel construction increases to improve the structural safety and environment-friendliness. In semi-cut-and-cover Method, ground is excavated to the crown arch level and arch slab is set to backfill before the excavation of lower face. In this study, laboratory model tests was performed to clarify the behavior of the arch slab constructed perpendicular to the slope. Results show that Arch slab is affected by perpendicular to the slope and bedrocks. Negative moment at the upper part of the arch slab at hillside and positive moment at the upper part at the other side are generated as perpendicular to the slope increases. Reaction load at the hillside support was larger than that at the other side.
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문제 정의
arch slab를 이용한 굴착공법은 반개착식 공법의 일종이며, 저토피구간에서 원지반을 터널 천단아치에해당하는 지점까지만 굴착하고 arch slab를 설치하여 복토한 후에 터널하반을 굴착하는 공법으로 기존 개착공법에서 발생되는 대절토 사면 발생과 굴착면 보강에 따른 고비용, 불안정성 증대 및 공사 중 교통난 등을 해결할 수 있다. 그러나, arch slab를 이용한 굴착공법은 국내에 덜 알려져 있으며, 공학적 거동특성도 완전히 규명되지 않아 실제 토목기술자들이 그 적용여부를 두고 망설이고 있는 실정이다 현재 국내외 기술진에 의하여 이 공법의 거동을 규명하기 위한 연구가 진행되고 있으며, 본 연구에서는 Arch Slab 에 편토압이 작용할 경우의 거동특성을 실내모형실험으로 규명하고자 한다.
본 연구는 터널갱구부 및 저토피부 터널굴착시 안정성을 확보하고 공사비 절감과 자연친화적인 효과를 얻기 위하여 적용하는 반개착식 터널굴착 공법의 Arch Slab에 편토압이 작용할 경우에 거동특성을 실내모형실험으로 규명하였으며 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구는 편경사지에 arch slab를 이용한 반 개착식공법이 적용될 경우, 아치슬래브와 지점부의 거동을 실내모형실험으로 분석하였다. 주된 변수로는 원지 반의 편 경사, 굴착사면 경사, 되메움 높이, 기반암 위치 등으로 설정하였다.
제안 방법
각 지점부는 현장상황을 고려하여 힌지조건으로 설정하였고, 강사장치를 이용하여 모형지반을 균질하게 조성하였다 모형지반은 0.25D(D: 아치슬래브 직경) 마다조성하였으며 하중지반이 안정화 된 후 계측을 수행하였다.
원지반의 편경사와 굴착사면의 경사는 모형지반의 전단강도를 고려하여 0°, 15°, 30º로 계획하였으며, 되메움 높이는 최대 L5D(D:아치슬래브의 직경)이다. 또한, 기반암의 위치가 슬래브에 미치는 영향을 분석하기 위하여 기반암선이 Arch Shib의 한쪽 지점 하부를 통과하는 경우와 Slab천단에 접하여 통과하는 조건으로 나누어서 연구를 수행하였다. 이와 같이 선정된 실험변수들은 그림 3과 같으며 실험명은 변수 조건에 따라 다음과 같이 설정하였다.
베이클라이트판으로 제작한 굴착사면을 모형 토 조 안에 설치하고 지점하중 측정장치를 셋팅한 후 네 지점의 지점 하중 측정장치에 아치형 강재슬래브를 설치하였다.
본 실험에서 모형지반은 입경이 0.42~L70 mm인 주문진 자연사를 이용하여 조성하였으며 심도별로 균질하게 조성되도록 샌드커튼(Sand Curtain) 방식의 강사기를 이용하였다 모형지반의 물리적 특성 및 역학적 특성을 파악하기 위하여 입도분포시험(KS F 2301), 최대 . 최소건조단위 중량시험 (DIN 18126), 비중시험 (KS F 2343) 및 직접전단시험(KS F 2348)을 수행하였으며 모형지반의 물라역학적 특성은 표 1과 표 2와 같다
아치슬래브 지점부의 수직, 수평방향 반력을 측정하기 위하여 그림 6과 같이 각 지점에 load cell을 수직과 수평 방향으로 설치하여 하중을 측정할 수 있는 구조로 제작하였다.
아치형 슬래브에 작용하는 단면력은 스트레인 게이지를 통하여 측정하였다. 측정위치는 그림 7(a)과 같이 천단부로부터 양쪽으로 30° 간격으로 내부와 외부에 7개소를 설치하여 단면에 작용하는 축력 및 모멘트를 측정하였다.
주된 변수로는 원지 반의 편 경사, 굴착사면 경사, 되메움 높이, 기반암 위치 등으로 설정하였다. 원지반의 편경사와 굴착사면의 경사는 모형지반의 전단강도를 고려하여 0°, 15°, 30º로 계획하였으며, 되메움 높이는 최대 L5D(D:아치슬래브의 직경)이다. 또한, 기반암의 위치가 슬래브에 미치는 영향을 분석하기 위하여 기반암선이 Arch Shib의 한쪽 지점 하부를 통과하는 경우와 Slab천단에 접하여 통과하는 조건으로 나누어서 연구를 수행하였다.
분석하였다. 주된 변수로는 원지 반의 편 경사, 굴착사면 경사, 되메움 높이, 기반암 위치 등으로 설정하였다. 원지반의 편경사와 굴착사면의 경사는 모형지반의 전단강도를 고려하여 0°, 15°, 30º로 계획하였으며, 되메움 높이는 최대 L5D(D:아치슬래브의 직경)이다.
42~L70 mm인 주문진 자연사를 이용하여 조성하였으며 심도별로 균질하게 조성되도록 샌드커튼(Sand Curtain) 방식의 강사기를 이용하였다 모형지반의 물리적 특성 및 역학적 특성을 파악하기 위하여 입도분포시험(KS F 2301), 최대 . 최소건조단위 중량시험 (DIN 18126), 비중시험 (KS F 2343) 및 직접전단시험(KS F 2348)을 수행하였으며 모형지반의 물라역학적 특성은 표 1과 표 2와 같다
대상 데이터
그림 4와 같이 본 연구에 적용된 모형토조는 (폭)30 cmx(길이)120 cmx(높이)100 cm의 제원을 가지고 있으며, 토조 프레임은 L형강과 ㄷ형강으로 제작되어 있다
되메움토의 편경사에 의한 아치슬래브의 내공변위 경향을 분석하기 위하여 그림 7(b)과 같이 LVDT를 45° 간격으로 5개소에 설치하였다. 지점반력과 작용 방향을 분석하기 위하여 슬래브강재 지점부에 로드셀을 수직 방향과 수평방향으로 설치하였다(그림 7.
통하여 측정하였다. 측정위치는 그림 7(a)과 같이 천단부로부터 양쪽으로 30° 간격으로 내부와 외부에 7개소를 설치하여 단면에 작용하는 축력 및 모멘트를 측정하였다.
성능/효과
1. 아치슬래브의 축력은 편경사가 커질수록 고지대 쪽에서는 압축력이 커지며, 압축력이 지배하던 저지대에서는 부분적으로 인장력으로 변화하는 경향을 나타내었다.
2. 아치슬래브의 모멘트는 축력의 경향과 거의 유사한 형태를 나타내었다. 즉, 편경사가 증가할수록 고지대에서는 압축모멘트가 커지며, 저지대에서는 인장 모멘트가 발생하고 되메움 높이가 증가할수록 모멘트의 값도 증가하였다.
3. 아치슬래브의 내공변위는 전반적으로 내측(-)방향으로 발생하나, 편경사가 커질수록 저지대쪽 슬래브에서 외측(+)방향으로 변위가 발생하였다.
4. 지점부의 반력은 편경사가 증가할수록 고지대에서 증가하며, 저지대에서는 감소하였다. 지점반력의 좌우 편차는 편경사가 증가할수록 크게 나타났다.
슬래브 상부의 되메움 고가 높아질수록 압축모멘트 및 인장모멘트의 값은 증가하였으나, 모멘트 증가율은 편경사, 굴착사면 경사, 되메움고 등에 의해 일정한 경향을 나타내지는 않았다. 다만, 아치슬래브 시공을 위한 굴착사면의 경사가 완만하여 질수록 편경사에 의한 모멘트 변화율이 크게 관찰되었다. 이 결과로부터 굴착사면 경사가 급하여 질수록 상부 되메움 하중을 부담하는 아칭현상이 커진다는 것을 알 수 있었다.
대한 실험결과를 나타내고 있다. 슬래브 상부의 되메움 고가 높아질수록 압축모멘트 및 인장모멘트의 값은 증가하였으나, 모멘트 증가율은 편경사, 굴착사면 경사, 되메움고 등에 의해 일정한 경향을 나타내지는 않았다. 다만, 아치슬래브 시공을 위한 굴착사면의 경사가 완만하여 질수록 편경사에 의한 모멘트 변화율이 크게 관찰되었다.
아치슬래브의 지점부 반력은 되메움고가 증가할수록 커지며, 굴착경사가 완만하고 기반암선의 낮아질수록 크게 나타났다. 굴착사면 경사가 급해질수록 반력 값이 작아지는 경향은 굴착사면이 상부 되메움고의 하중을 일부 지지하였기 때문인 것으로 사료된다(아칭현상).
다만, 아치슬래브 시공을 위한 굴착사면의 경사가 완만하여 질수록 편경사에 의한 모멘트 변화율이 크게 관찰되었다. 이 결과로부터 굴착사면 경사가 급하여 질수록 상부 되메움 하중을 부담하는 아칭현상이 커진다는 것을 알 수 있었다.
또한, 동일한 조건에서 기반암선이 낮아질 수록 내공변위 증가율이 증가하였다 저지대의 경우, 편경사가 커질수록 내공변위는 감소하거나 슬래브 외측(+)방향으로 변위가 발생하였다. 이러한 경향은 굴착사면 경사가 완만할수록 더 잘 나타났으며, 기반암선이 낮아질수록 외측방향으로 변위발생율이높았다.
아치슬래브의 모멘트는 축력의 경향과 거의 유사한 형태를 나타내었다. 즉, 편경사가 증가할수록 고지대에서는 압축모멘트가 커지며, 저지대에서는 인장 모멘트가 발생하고 되메움 높이가 증가할수록 모멘트의 값도 증가하였다.
편경사가 커질수록 고지대에서 내측(-)방향으로 변위가 증가하며, 증가율은 굴착사면 경사가 완만하여 질수록 증가하였다. 또한, 동일한 조건에서 기반암선이 낮아질 수록 내공변위 증가율이 증가하였다 저지대의 경우, 편경사가 커질수록 내공변위는 감소하거나 슬래브 외측(+)방향으로 변위가 발생하였다.
후속연구
본 연구는 편경사지에 반개착식 천층터널이 계획될 경우 구조물의 거동을 예측하기 위한 기초자료와 단면계산 및 주요 계측위치 선정시 참고자료로도 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 향후 더 많은 조건을 고려한 모형실험 및 해석, 현장적용을 통하여 반개착식 천층터널의 최적설계를 도출할 수 있을 것으로 예상된다.
것으로 사료된다. 향후 더 많은 조건을 고려한 모형실험 및 해석, 현장적용을 통하여 반개착식 천층터널의 최적설계를 도출할 수 있을 것으로 예상된다.
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