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문제 정의
- 따라서, 충분한 이격거리를 확보한 병설터널의 거동 특성과는 구별되는 근접병설터널의 거동에 대한 안정성 평가방안에 대해 실제 국내 시공계획중인 대단면 근접병설터널의 안정성 검토사례를 중심으로 고찰하였다. 또한 대단면 근접병설터널을 시공사례를 바탕으로, 이격거리(필러폭), 지반조건 및 굴착순서에 따른 중앙필러부의 변형거동 특성을 분석하고, 주변터널에 작용하는 지보재의 응력특성을 검토하였다.
- 본 검토에서는 터널 굴착순서 및 이격거리에 따른 터널의 거동을 분석하여 근접병설터널의 상호 간섭효과에 대한 검토를 수행하고자 한다.
- 또한 대단면 근접병설터널을 시공사례를 바탕으로, 이격거리(필러폭), 지반조건 및 굴착순서에 따른 중앙필러부의 변형거동 특성을 분석하고, 주변터널에 작용하는 지보재의 응력특성을 검토하였다. 이를 통하여 대단면 근접병설터널에서의 적정 이격거리 및 필러부 보강 방안에 대한 방향을 제시하고자 하였으며, 특히 필러부 보강에 대하여 실제 시공조건을 고려하여 단층대 등을 포함하는 경우에 대한 합리적인 보강대책을 수립하고자 하였다.
제안 방법
- 각 Case별 해석결과는 다음 그림과 같이 천단부와 내공변위(상반･중반･하반)으로 나누어 변위 및 응력을 검토하였다
- 각 step별 세부 시공 순서는 굴착, 연성 숏크리트 및 록볼트 설치, 강성 숏크리트 타설 순으로 이루어지며, 총 42 step을 걸쳐 시공되도록 수행하였다.
- 4%정도 큰 값을 가지는 것으로 나타났다. 내공 변위는 해석결과 상･중･하반 중 중반의 변위를 비교하였다. 내공변위 역시 필러부측 선굴착이 필러부측을 후 굴착하는 경우보다 더 큰 변위값를 나타냄으로써 해석을 수행함에 있어 가정한 조건에서는 근접병설터널 시공시 필러부측 선굴착에 비해 필러부측 후굴착이 더 유효한 것으로 검토되었다.
- 따라서, 충분한 이격거리를 확보한 병설터널의 거동 특성과는 구별되는 근접병설터널의 거동에 대한 안정성 평가방안에 대해 실제 국내 시공계획중인 대단면 근접병설터널의 안정성 검토사례를 중심으로 고찰하였다. 또한 대단면 근접병설터널을 시공사례를 바탕으로, 이격거리(필러폭), 지반조건 및 굴착순서에 따른 중앙필러부의 변형거동 특성을 분석하고, 주변터널에 작용하는 지보재의 응력특성을 검토하였다. 이를 통하여 대단면 근접병설터널에서의 적정 이격거리 및 필러부 보강 방안에 대한 방향을 제시하고자 하였으며, 특히 필러부 보강에 대하여 실제 시공조건을 고려하여 단층대 등을 포함하는 경우에 대한 합리적인 보강대책을 수립하고자 하였다.
- 록볼트는 단위 m당 적용값으로 고려하여 6.0m 길이의 록볼트를 1.5 m 간격으로 설치하였으며 록볼트 탄성계수는 2.1×107 tf/m2로 적용하여 해석을 수행하였다.
- 모델링은 좌･우 경계부에서 x방향 변위를 구속하여 롤러 지점으로 하부 경계부는 y방향 변위를 구속하여 롤러 지점으로 두고 하부 양단모서리는 x･y방향 변위를 모두 구속하여 힌지 지점으로 조건을 설정하였다.
- 0 D일때 필러부측 선굴착과 필러부측 후굴착의 총 6 Case에 대해 해석을 수행하였다. 아래표는 본 연구에서 수행된 해석 Case의 개념도를 나타내며, Case1･2의 경우 최초 가정한 암반 III등급이 아닌 연약한 지반상태에서의 필러부측 선굴착 및 후굴착에 대한 거동 또한 분석하였다.
- 터널 필러부 타이로드 공법의 보강효과에 대하여 Mohr 응력원과 파괴포락선을 이용하여 다음 세가지 표 1에서 보는 바와 같이 CASE 1∼3 단계로 구분하여 검토하고, 그라우팅 적용시는 지반의 강도 증가영향을 포함하여 검토가 가능하다.
- 터널의 굴착방법은 2분할 굴착공법을 적용하였으며, 병설터널의 필러부측 선굴착과 필러부측 후굴착에 대한 비교와 터널간 이격거리에 따른 변위 및 지보재 응력을 상대비교하기 위한 검토를 수행하였다.
- 터널의 굴착방식은 2분할 굴착방식으로 측압계수가 1.0일 때 터널별 굴착순서와 이격거리에 따른 영향을 보기위해 터널간 이격거리가 0.5 D, 1.0 D 및 2.0 D일때 필러부측 선굴착과 필러부측 후굴착의 총 6 Case에 대해 해석을 수행하였다. 아래표는 본 연구에서 수행된 해석 Case의 개념도를 나타내며, Case1･2의 경우 최초 가정한 암반 III등급이 아닌 연약한 지반상태에서의 필러부측 선굴착 및 후굴착에 대한 거동 또한 분석하였다.
- 터널해석을 위한 수치해석 범위설정은 가능한 한 터널 굴착으로 인한 지반의 영향이 미치지 않도록 하여야 한다. 해석범위 결정시 터널간 최대 이격거리 2.0 D를 고려하여 측면은 터널 굴착폭의 약 3배 이상, 하부경계는 터널주변으로부터 터널 높이의 3배 이상 되는 지점에 설치하였고, 천단부 위의 지반은 터널 높이의 3배 이상을 확보하였다.
대상 데이터
- 해석 수행시 적용된 숏크리트 두께는 30cm이며 연성 및 강성 숏크리트로 구분하여 연성 숏크리트는 5×105 tf/m2, 강성 숏크리트는 1.5×106 tf/m2의 탄성계수를 적용하였다.
이론/모형
- 터널설계를 위해서는 시공시 과다변위의 발생 여부 혹은 지보재에 과다한 응력이 작용하는지에 대한 여부 등 터널의 안정성을 검토하기 위한 수단이 필요하다. 본 연구에서는 수치해석 방법을 사용하는 상용 프로그램 FLAC-2D를 적용시켜 대상지역을 유한요소로써 모델링하고 지반의 해석 모델은 Mohr-Coulomb 탄･소성 모델을 적용하였다.
성능/효과
- - 근접병설터널의 필러부측 선굴착/후굴착에 따른 지보재 압축응력은 천단부에서 가장 작은 값으로 나타났으며, 필러부측 선굴착시의 지보재 응력이 원거리 선굴착보다 필러부 부근에서 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 또한 필러부측 원거리부에서는 상대적으로 작은 값을 가지는 것으로 나타났다.
- - 이격거리가 0.5 D일 때 필러부측 선굴착(필러부 근거리 굴착)/후굴착(필러부 원거리 굴착)에 따른 변위 결과에서 천단침하는 필러부에서 예상되는 응력집중에 의해 필러부측 선굴착이 필러부측을 후굴착하는 것 보다 약 2.4%정도 큰 값을 가지는 것으로 나타났다. 내공 변위는 해석결과 상･중･하반 중 중반의 변위를 비교하였다.
- - 이격거리가 2.0 D일 경우 필러부측 선굴착과 필러부측 후굴착에 따른 변위 결과에서 천단침하는 필러부측 선굴착이 필러부 후굴착에 비해 좀 더 큰 값을 가지는 것으로 나타났으나 이격거리 1.0 D에서 보인 결과와 같이 큰 차이는 보이지 않는 것으로 나타났다. 내공변위는 터널간 이격거리 0.
- - 지반조건이 좋지 못할 경우 앞서 보여진 해석결과와 유사하게 이격거리가 0.5 D인 근접한 병설터널에서 필러부측 선굴착이 필러부를 후굴착하는 경우보다 필러부측에서 상대적으로 더 큰 지보재 응력을 가지는 것을 알 수 있으며, 필러부의 원거리측에서는 필러부를 후굴착하는 경우가 더 큰 지보재 응력을 가지는 것으로 나타났다.
- - 필러부측 선굴착에서 이격거리가 0.5 D, 1.0 D, 2.0 D로 증가함에 따라 근접병설터널의 좌･우측터널 천단침하는 점차적으로 감소하는 것을 알 수 있으며, 내공변위는 1.0 D에서 가장 작은 값을 보인 이후 2.0 D에서 거의 유사한 값을 가지는 것으로 나타났다. 결과적으로 전체적인 터널의 변위양상은 이격거리가 증가함에 감소함을 알 수 있다.
- - 필러부측 후굴착에서 이격거리 증가에 따른 좌･우측터널의 천단침하와 내공변위는 필러부측 선굴착과 거의 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다.
- - 필러부측 후굴착에서 이격거리가 0.5 D, 1.0 D, 2.0 D로 증가함에 숏크리트 압축응력은 근거리 선굴착과 유사하게 필러부의 영향이 줄어드는 것으로 나타났다.
- 1) 이격거리가 작은 경우(0.5 D)에서는 필러부측 후굴착이 천단침하 제어에 다소 유리한 것으로 나타났으나, 이격거리가 다소 큰 경우(1.0 D 이상)에서는 천단침하 및 내공변위 발생 차이가 미소해지는 것으로 나타났다. 결과적으로 변위측면에서는 터널 이격거리가 작은 경우 필러부의 원거리측을 선굴착 및 보강 후 필러부측을 후굴착하는 경우가 천단침하 및 내공변위 제어 효과가 다소 있는 것으로 판단된다.
- 2) 근접한 병설터널의 이격거리가 작을수록 전반적으로 지보재 응력이 크게 발생하며 특히, 필러부측의 지보재 응력이 크게 발생하는 것으로 나타났다. 지반조건이 연약한 조건에서 이격거리가 0.
- 0 D 이상)에서는 천단침하 및 내공변위 발생 차이가 미소해지는 것으로 나타났다. 결과적으로 변위측면에서는 터널 이격거리가 작은 경우 필러부의 원거리측을 선굴착 및 보강 후 필러부측을 후굴착하는 경우가 천단침하 및 내공변위 제어 효과가 다소 있는 것으로 판단된다. 또한 지반조건이 매우 연약한 경우 필러부측 선굴착이 좀 더 유효한 것으로 나타나 필러부측의 선보강이 필요한 경우 필러부측을 우선적으로 선굴착 할 수 있겠다.
- 0 D에서 거의 유사한 값을 가지는 것으로 나타났다. 결과적으로 전체적인 터널의 변위양상은 이격거리가 증가함에 감소함을 알 수 있다.
- 5 D일 경우와 비교해 필러부측 후굴착이 선굴착에 비해 상대적으로 큰 값을 보이는 상반된 결과를 나타냈다. 결과적으로 필러부 선보강이 필요한 경우 필러부측 선굴착을 실시할 수 있을 것으로 검토되었다.
- 내공 변위는 해석결과 상･중･하반 중 중반의 변위를 비교하였다. 내공변위 역시 필러부측 선굴착이 필러부측을 후 굴착하는 경우보다 더 큰 변위값를 나타냄으로써 해석을 수행함에 있어 가정한 조건에서는 근접병설터널 시공시 필러부측 선굴착에 비해 필러부측 후굴착이 더 유효한 것으로 검토되었다.
- 0 D에서 보인 결과와 같이 큰 차이는 보이지 않는 것으로 나타났다. 내공변위는 터널간 이격거리 0.5 D와 1.0 D일 경우에 비해 거의 유사한 값을 가지는 것으로 나타나 이격거리가 증가함에 따라 필러부측 선굴착/후굴착에 따른 터널의 변위 양상에 미치는 영향은 감소하는 것을 알 수 있다.
- 5 D일 경우 지보재 응력은 암반III등급으로 가정한 경우와 유사한 결과를 보였다. 또한, 병설터널 이격거리가 1.0 D 이상인 경우의 지보재 응력은 일정 크기로 수렴하는 경향을 보였으며 결과적으로 터널 안정성 확보를 위한 병설터널의 충분한 이격거리 확보는 매우 중요한 요소로 판단된다.
- 연약한 지반조건에서 근접한 병설터널 이격거리가 0.5 D일 때 천단침하 및 내공변위는 본 연구에서 가정한 암반 III등급에서 이격거리가 0.5 D일 경우와 비교해 필러부측 후굴착이 선굴착에 비해 상대적으로 큰 값을 보이는 상반된 결과를 나타냈다. 결과적으로 필러부 선보강이 필요한 경우 필러부측 선굴착을 실시할 수 있을 것으로 검토되었다.
- 필러부측 선굴착 및 후굴착의 변위비는 이격거리 0.5 D일 경우를 제외하고 거의 1의 값을 가지는 것으로 나타났으며 내공변위는 상반을 제외한 중･하반에서는 이격거리가 증가할수록 변위증가량이 감소하는 것으로 나타났다.
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