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문제 정의
- 본 연구는 사질토 지반 내에서 터널을 시공 할 경우 강지보재 보강에 따른 숏크리트의 거동을 파악하기 위하여 축소모형장비를 제작하였으며 실험 지반의 균질성을 확보하기 위하여 주문진 표준사로 지반을 조성하였다.
- 본 연구에서는 보조 지보재로 인식되는 기존 강지보재의 단점을 보안하기 위해 숏크리트, 강지보재 및 록볼트와 일체가 되어 지보 기능을 효과적으로 발휘할 수 있는 신개념 지보시스템 개발을 연구하였다. 신개념 지보시스템은 기존 강지보재의 형식을 확립하기 위하여 다른 지보재인 숏크리트와 록볼트를 이용하였을 때 강지보재가 터널 지지 구조체로 거동될 수 있도록 축소모형실험 및 수치해석을 통하여 비교 검토를 수행하였다.
- 본 연구에서는 터널 굴착시 적용되는 기존의 지보시스템, 강지보를 고려한 지보시스템, 강지보에 록볼트를 일체화시킨 새로운 개념의 지보시스템을 비교 분석하기 위해 축소모형실험을 실시하였다. 또한 수치해석을 실시하여 실험값과 비교 분석하였으며 그 결과 얻은 결론은 다음과 같다.
가설 설정
- 5을 동일하게 적용하였으며 수치해석 결과를 통하여 각각의 지보시스템별 터널의 천단응력 및 침하량를 비교 분석하였다. 유한요소해석에 사용된 지보재의 제원과 지반물성치는 표 3와 같이 가정하여 모델링을 실시하였다.
제안 방법
- 3.1에서 제시한 바와 같이 유연도비(flexibility ratio)를 이용하여 강지보 및 숏크리트를 각각 알루미늄 봉과 OHP필름으로 제작하였으며, 록볼트는 E, I값을 이용하여 축소율(scaling factor) 1/50로 적용하여 아크릴 봉으로 제작하였다. 유연도비를 고려한 축소모형터널의 전경은 그림 6(b)와 같다.
- 계측은 굴진장 0.5D (80 mm)∼2.5D (400 mm)까지 총 5단계로 나누어 그림 8과 같이 굴착을 실시하였으며, 굴착후 숏크리트 천단응력 및 지표침하를 측정하였다.
- 동일지반 조건하에서 기존 지보시스템인 Case 1(숏크리트+락볼트)과 강지보를 고려한 지보시스템인 Case 2(숏크리트+락볼트+강지보), 강지보재에 락볼트를 체결하여 일체화시킨 신개념 지보시스템 Case 3(숏크리트+락볼트+강지보)을 적용한 터널에 대하여 3차원 유한요소해석을 실시하였다. 지반의 초기응력상태는 동일한 지반조건하에서 지보시스템에 따른 거동특성을 비교 분석하기 위하여 토압계수 K0=0.
- 축소된 지보재는 아래 표 1과 같이 지반 탄성계수와 강지보재의 탄성계수를 각각 주문진 표준사와 알루미늄 탄성계수로 산정하였으며, 두께(t)를 고려하여 유연도비를 산정한 결과, 강지보재 및 숏크리트를 각각 알루미늄 봉과 OHP필름으로 산정하였다. 또한 록볼트의 경우 휨강성(EI)을 이용하여 지보재 탄성계수(E)와 단면이차모멘트(I)를 축소율 1/50로 적용하여 아크릴 봉으로 산정하였으며 록볼트의 물성치는 표 2와 같다.
- 2 실험 case 터널 굴착시 강지보재, 숏크리트 및 록볼트의 거동에 대한 영향을 파악하기 위하여 강지보재를 고려하지 않은 숏크리트와 록볼트를 적용한 기존의 지보시스템(Case-1), 강지보재를 고려한 지보시스템(Case-2), 숏크리트 및 록볼트를 강지보재에 체결하여 일체화시킨 신개념 지보시스템(Case-3) 에 대하여 실험 case를 선정하였으며 실험 case는 다음 그림 5와 같다. 또한 토피고에 따른 영향을 파악하기 위해 토피고 1D, 2D, 3D로 산정하였다.
- 본 연구에서는 축소모형실험결과에서 나타난 지보시스템에 따른 지반 거동을 검증하기 위해서 유한요소해석 프로그램인 Visual FEA를 이용하여 수치해석을 실시하였다.
- 숏크리트와 록볼트를 강지보재에 체결한 신개념 지보시스템의 역학적 거동을 증명하기 위하여 지보재 특성곡선을 통하여 이론적으로 정립하였다. 실제로 터널의 설계･시공시에는 한 종류의 지보재만 설치하는 것이 아니라, 세종류의 지보재를 조합하여 설치하고 있다.
- 본 연구에서는 보조 지보재로 인식되는 기존 강지보재의 단점을 보안하기 위해 숏크리트, 강지보재 및 록볼트와 일체가 되어 지보 기능을 효과적으로 발휘할 수 있는 신개념 지보시스템 개발을 연구하였다. 신개념 지보시스템은 기존 강지보재의 형식을 확립하기 위하여 다른 지보재인 숏크리트와 록볼트를 이용하였을 때 강지보재가 터널 지지 구조체로 거동될 수 있도록 축소모형실험 및 수치해석을 통하여 비교 검토를 수행하였다.
- 또한 식 (7)과 같이 유연도비(flexibility ratio)를 지보재인 강지보재, 숏크리트에 적용하여 다음과 같이 산정하였다. 축소된 지보재는 아래 표 1과 같이 지반 탄성계수와 강지보재의 탄성계수를 각각 주문진 표준사와 알루미늄 탄성계수로 산정하였으며, 두께(t)를 고려하여 유연도비를 산정한 결과, 강지보재 및 숏크리트를 각각 알루미늄 봉과 OHP필름으로 산정하였다. 또한 록볼트의 경우 휨강성(EI)을 이용하여 지보재 탄성계수(E)와 단면이차모멘트(I)를 축소율 1/50로 적용하여 아크릴 봉으로 산정하였으며 록볼트의 물성치는 표 2와 같다.
- 터널굴착은 Trap door장비를 사용하여 입구부에서부터 0.5D (80 mm) 씩 총 5단계로 나누었으며 굴착후 지표침하가 멈추면 다시 굴착하는 방법으로 굴착을 실시하였으며, 실험 중 터널굴착에 의해 발생하는 지표침하를 측정하기 위해 터널 상부에 각각 dial gauge를 설치하였다. 또한 숏크리트의 천단부의 변형율을 측정하기 위해 strain gauge를 설치하였으며 그림 7과 같다.
대상 데이터
- 3.2 실험 case 터널 굴착시 강지보재, 숏크리트 및 록볼트의 거동에 대한 영향을 파악하기 위하여 강지보재를 고려하지 않은 숏크리트와 록볼트를 적용한 기존의 지보시스템(Case-1), 강지보재를 고려한 지보시스템(Case-2), 숏크리트 및 록볼트를 강지보재에 체결하여 일체화시킨 신개념 지보시스템(Case-3) 에 대하여 실험 case를 선정하였으며 실험 case는 다음 그림 5와 같다. 또한 토피고에 따른 영향을 파악하기 위해 토피고 1D, 2D, 3D로 산정하였다.
- 모형실험장치에 사용된 모형지반의 크기는 가로 600 mm, 세로 514 mm, 높이 600 mm로 제작하였으며 실험장비의 전경은 그림 6(a)와 같다.
- 본 연구에서 고려된 실제 터널단면(8000 mm × 4000 mm)을 직경(D)에 대한 축소율(scaling factor) 1/50로 적용시켜 굴착폭 B=160 mm, 높이 H=80 mm, 길이 400 mm의 반원형 터널을 적용하였다.
데이터처리
- 동일지반 조건하에서 기존 지보시스템인 Case 1(숏크리트+락볼트)과 강지보를 고려한 지보시스템인 Case 2(숏크리트+락볼트+강지보), 강지보재에 락볼트를 체결하여 일체화시킨 신개념 지보시스템 Case 3(숏크리트+락볼트+강지보)을 적용한 터널에 대하여 3차원 유한요소해석을 실시하였다. 지반의 초기응력상태는 동일한 지반조건하에서 지보시스템에 따른 거동특성을 비교 분석하기 위하여 토압계수 K0=0.5을 동일하게 적용하였으며 수치해석 결과를 통하여 각각의 지보시스템별 터널의 천단응력 및 침하량를 비교 분석하였다. 유한요소해석에 사용된 지보재의 제원과 지반물성치는 표 3와 같이 가정하여 모델링을 실시하였다.
이론/모형
- 실험 지반의 균질성을 확보하기 위해 낙하고를 일정하게 유지시키는 강사법(raining method)을 사용했으며 시료는 동일한 토질정수를 확보할 수 있도록 주문진 표준사를 사용하였다.
성능/효과
- 1. 토피고에 따른 숏크리트응력과 지표침하를 비교한 결과 토피고가 상승함에 따라 응력과 침하량이 증가하는 경향이 나타났으며, 1막장 굴착시 가장 크게 나타났다. 실험결과 강지보재를 고려한 지보시스템 보다 신개념 지보시스템을 적용하였을 때 숏크리트변위는 약 9∼12% 감소효과가 있는 것으로 나타났으며 지표침하의 경우 약 12∼47% 감소효과가 있는 것으로 나타났다.
- 2. 수치해석 결과 토피고가 상승함에 따라 숏크리트 천단응력 및 지표침하량 모두 증가하는 것으로 나타났다. 토피고에 따른 숏크리트의 천단응력는 신개념 지보시스템을 적용하였을 때 최대천단응력은 약 24∼37% 감소하는 것으로 나타났으며, 또한 토피고에 따른 최대침하량은 약 14%∼28% 감소효과가 있는 것으로 나타났다.
- 3. 지보재 특성곡선을 비교해본 결과 강지보를 고려한 지보시스템의 경우 강지보의 항복변위는 숏크리트와 비슷하며 강성은 작아 지보재로서 역할을 못하는 것으로 판단되나, 강지보와 록볼트를 일체화 시킨 신개념지보시스템의 경우 항복변위 및 강성이 증가하여 지보재로서 역할을 하는 것으로 판단된다.
- 그림 10과 같이 토피고 2D (320 mm)에서의 천단응력을 비교한 결과 그림 9와 같은 비슷한 경향을 보였으며, 기존 지보시스템일 때 최대응력이 4.43 kPa인데 반해 강지보를 고려한 지보시스템의 최대응력은 2.41 kPa로 약 45% 억제하는 것으로 나타났으며, 강지보를 고려한 기존 지보시스템과 신개념 지보시스템을 비교한 결과 최대응력은 2.2 kPa로 약 9% 억제하는 것으로 나타났다.
- 그림 11과 같이 토피고 3D (480 mm)에서의 천단응력을 비교한 결과 그림 9와 같이 비슷한 경향을 보였으며, 토피고가 상승함에 따라 숏크리트 응력도 증가하는 경향을 나타났다. 기존 지보시스템일 때 최대응력이 6.
- 그림 12와 같이 터널 굴착시 1막장에서 지표침하가 가장 크게 나타났으며, 토피고 1D에서 강지보를 고려한 기존 지보시스템 보다 신개념 지보시스템을 적용하였을 때 침하량이 감소하는 경향이 나타났다. 지보시스템에 따른 신개념 지보시스템의 지표침하량을 비교한 결과 1막장 상부 지반의 경우 약 18%∼46% 감소, 3막장 상부 지반의 경우 약 26%∼42% 감소, 5막장 상부 지반의 경우 약 24%∼47% 감소하는 것으로 나타났다.
- 그림 13과 같이 지보시스템에 따른 신개념 지보시스템의 지표침하량을 비교한 결과 그림 12와 같이 비슷한 경향이 나타났으며, 막장 굴착시 1막장 상부 지반의 경우 약 20%∼22% 감소, 3막장 상부 지반의 경우 약 26%∼42% 감소, 5막장 상부 지반의 경우 약 19%∼50% 감소하는 것으로 나타났다.
- 그림 14와 같이 지보시스템에 따른 신개념 지보시스템의 지표침하량을 비교한 결과 그림 12와 같이 비슷한 경향이 나타났으며, 막장 굴착시 1막장 상부 지반의 경우 약 12%∼22% 감소, 3막장 상부 지반의 경우 약 20%∼27% 감소, 5막장 상부 지반의 경우 약 20%∼44% 감소하는 것으로 나타났다.
- 그림 9와 같이 토피고 1D (160 mm)에서의 천단응력를 비교한 결과 터널 굴착시 1막장에서 천단 응력이 가장 크게 나타났다. 기존 지보시스템(숏크리트+록볼트)의 경우 최대응력이 3.55 kPa인데 반해 강지보를 고려한 지보시스템(강지보재+숏크리트+록볼트)의 최대응력은 2.21 kPa로 약 38% 억제하는 것으로 나타났으며, 강지보를 고려한 지보시스템과 신개념 지보시스템을 비교한 결과 최대응력은 1.95 kPa로 약 11% 억제하는 것으로 나타났다.
- 그림 11과 같이 토피고 3D (480 mm)에서의 천단응력을 비교한 결과 그림 9와 같이 비슷한 경향을 보였으며, 토피고가 상승함에 따라 숏크리트 응력도 증가하는 경향을 나타났다. 기존 지보시스템일 때 최대응력이 6.45 kPa인데 반해 강지보를 고려한 지보시스템의 최대응력은 3.57 kPa로 약 45% 억제하는 것으로 나타났으며, 강지보재를 고려한 지보시스템과 신개념 지보시스템울 비교한 결과 최대응력은 3.15 kPa로 약 12% 억제하는 것으로 나타났다. 또한 숏크리트 천단부 응력과 어깨부 응력을 비교해본 결과 비슷한 경향이 나타났다.
- 또한 터널 굴착시 기존시스템을 적용하였을 때 보다 강지보를 고려한 지보시스템을 적용하였을 때 최대침하량은 약 24%∼37% 감소하였으며 강지보를 고려한 지보시스템 보다 신개념 지보시스템을 적용하였을 때 최대침하량이 약 14%∼28% 감소하는 것으로 나타났다.
- 본 연구를 살펴본 바와 같이 사질토 지반에서 터널 굴착시 기존의 지보시스템인 숏크리트와 록볼트만 주지보재로 사용하는 것 보다는 신개념 지보시스템인 숏크리트와 강지보재에 록볼트를 일체화하여 함께 사용할 경우 안정성이 증가될 것으로 판단된다. 추후 실제 터널에 대한 시공 및 계측이 이루어진다면 보다 실용적인 연구 성과를 얻을 수 있을 것이라 판단된다.
- 실험결과 강지보재를 고려한 지보시스템 보다 신개념 지보시스템을 적용하였을 때 숏크리트변위는 약 9∼12% 감소효과가 있는 것으로 나타났으며 지표침하의 경우 약 12∼47% 감소효과가 있는 것으로 나타났다.
- 그림 14와 같이 지보시스템에 따른 신개념 지보시스템의 지표침하량을 비교한 결과 그림 12와 같이 비슷한 경향이 나타났으며, 막장 굴착시 1막장 상부 지반의 경우 약 12%∼22% 감소, 3막장 상부 지반의 경우 약 20%∼27% 감소, 5막장 상부 지반의 경우 약 20%∼44% 감소하는 것으로 나타났다. 이 결과 토피고가 상승함에 따라 지표 침하량은 증가하는 것으로 나타났으며, 터널 굴착 시 1막장 상부에서 최대 침하량이 나타났다.
- 지보시스템에 따른 신개념 지보시스템의 지표침하량을 비교한 결과 1막장 상부 지반의 경우 약 18%∼46% 감소, 3막장 상부 지반의 경우 약 26%∼42% 감소, 5막장 상부 지반의 경우 약 24%∼47% 감소하는 것으로 나타났다.
- 또한 터널 굴착시 기존시스템을 적용하였을 때 보다 강지보를 고려한 지보시스템을 적용하였을 때 최대침하량은 약 24%∼37% 감소하였으며 강지보를 고려한 지보시스템 보다 신개념 지보시스템을 적용하였을 때 최대침하량이 약 14%∼28% 감소하는 것으로 나타났다. 축소모형 실험 및 수치해석 결과 다른 지보시스템보다 신개념 지보시스템이 우수한 것으로 판단된다.
- 터널 굴착 시 기존시스템을 적용하였을 때 보다 강지보를 고려한 지보시스템을 적용하였을 때 최대천단응력은 약 8%∼11% 감소하였으며 강지보를 고려한 지보시스템 보다 신개념 지보시스템을 적용하였을 때 최대천단응력은 약 19%∼27%감소하는 것으로 나타났다.
- 토피고에 따른 숏크리트의 천단응력는 신개념 지보시스템을 적용하였을 때 최대천단응력은 약 24∼37% 감소하는 것으로 나타났으며, 또한 토피고에 따른 최대침하량은 약 14%∼28% 감소효과가 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- 본 연구를 살펴본 바와 같이 사질토 지반에서 터널 굴착시 기존의 지보시스템인 숏크리트와 록볼트만 주지보재로 사용하는 것 보다는 신개념 지보시스템인 숏크리트와 강지보재에 록볼트를 일체화하여 함께 사용할 경우 안정성이 증가될 것으로 판단된다. 추후 실제 터널에 대한 시공 및 계측이 이루어진다면 보다 실용적인 연구 성과를 얻을 수 있을 것이라 판단된다.
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