도심지내 기존터널을 단면확대 시공하는 경우, 터널내 교통흐름을 유지하기 위하여 '${\sqcap}$'형태의 프로텍터를 설치한다. 터널내 프로텍터를 설치하면 터널 측벽하부에서 작업공간이 협소하여 록볼트 시공이 불가능해 질 수가 있다. 본 연구는 터널의 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않고 숏크리트만으로 보강하여 터널단면을 확대된 할 경우, 터널구조물의 안정성과 보강되는 최적의 숏크리트 두께를 제시하는데 목적이 있다. 본 연구를 위하여 3차선 NATM 도로터널을 4차선 NATM 도로터널로 확대 시공하는 경우에 대하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석결과, 4차선 NATM 도로터널의 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않은 경우의 천단변위와 상반 내공변위는 록볼트를 시공한 경우와 거의 유사하였다. 다만, 하반 내공변위 및 숏크리트 응력은 록볼트를 시공하지 않은 경우가 록볼트를 시공한 경우보다 최대 0.57 mm 및 최대 1,300 kN/$m^2$ 크게 나타났다. 터널 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않아 추가 발생한 하반 내공변위와 숏트리트 응력은 25 cm인 기본 숏크리트 두께의 20%(25 cm${\rightarrow}$30 cm)만 증가시켜도 저감시킬 수 있다.
도심지내 기존터널을 단면확대 시공하는 경우, 터널내 교통흐름을 유지하기 위하여 '${\sqcap}$'형태의 프로텍터를 설치한다. 터널내 프로텍터를 설치하면 터널 측벽하부에서 작업공간이 협소하여 록볼트 시공이 불가능해 질 수가 있다. 본 연구는 터널의 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않고 숏크리트만으로 보강하여 터널단면을 확대된 할 경우, 터널구조물의 안정성과 보강되는 최적의 숏크리트 두께를 제시하는데 목적이 있다. 본 연구를 위하여 3차선 NATM 도로터널을 4차선 NATM 도로터널로 확대 시공하는 경우에 대하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석결과, 4차선 NATM 도로터널의 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않은 경우의 천단변위와 상반 내공변위는 록볼트를 시공한 경우와 거의 유사하였다. 다만, 하반 내공변위 및 숏크리트 응력은 록볼트를 시공하지 않은 경우가 록볼트를 시공한 경우보다 최대 0.57 mm 및 최대 1,300 kN/$m^2$ 크게 나타났다. 터널 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않아 추가 발생한 하반 내공변위와 숏트리트 응력은 25 cm인 기본 숏크리트 두께의 20%(25 cm${\rightarrow}$30 cm)만 증가시켜도 저감시킬 수 있다.
The protector with the shape of '${\sqcap}$' in cross section can be set up in the tunnel, which can be constructed for enlargement of cross section, to keep traffic flow in the tunnel. It is impossible to install the rockbolt in the side wall of tunnel due to a limited space between the ...
The protector with the shape of '${\sqcap}$' in cross section can be set up in the tunnel, which can be constructed for enlargement of cross section, to keep traffic flow in the tunnel. It is impossible to install the rockbolt in the side wall of tunnel due to a limited space between the protector and cutting surface of side wall. The objective of this study is to suggest the optimum thickness of shotcrete lining without rockbolt on the side wall and to evaluate the stability of tunnel enlarged. Numerical analysis was performed to evaluate the displacement at the center of tunnel, the convergence of tunnel, and the stress in shotcrete lining in 4-lane NATM road tunnel enlarged from 3-lane NATM road tunnel. The vertical displacement at the center of tunnel and the convergence of crown in the tunnel with rockbolt in the side wall were almost similar to those in the tunnel without rockbolt in the side wall. The convergence of bench/invert and the stress in shotcrete lining without rockbolt on the side wall were greater maximum 0.57 mm and 1,300 kN/$m^2$ than those with rockbolt in the side wall. The increased convergence and the stress in shotcrete lining can be reduced in incerasing of thickness of shotcrete lining about 20% (5 cm) of standard thickness, 25 cm, of shotcrete lining.
The protector with the shape of '${\sqcap}$' in cross section can be set up in the tunnel, which can be constructed for enlargement of cross section, to keep traffic flow in the tunnel. It is impossible to install the rockbolt in the side wall of tunnel due to a limited space between the protector and cutting surface of side wall. The objective of this study is to suggest the optimum thickness of shotcrete lining without rockbolt on the side wall and to evaluate the stability of tunnel enlarged. Numerical analysis was performed to evaluate the displacement at the center of tunnel, the convergence of tunnel, and the stress in shotcrete lining in 4-lane NATM road tunnel enlarged from 3-lane NATM road tunnel. The vertical displacement at the center of tunnel and the convergence of crown in the tunnel with rockbolt in the side wall were almost similar to those in the tunnel without rockbolt in the side wall. The convergence of bench/invert and the stress in shotcrete lining without rockbolt on the side wall were greater maximum 0.57 mm and 1,300 kN/$m^2$ than those with rockbolt in the side wall. The increased convergence and the stress in shotcrete lining can be reduced in incerasing of thickness of shotcrete lining about 20% (5 cm) of standard thickness, 25 cm, of shotcrete lining.
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문제 정의
본 연구에서는 도심지내 공용중인 도로터널내 교통흐름을 유지하기 위하여 프로텍터를 사용하여 터널단면을 확대 시공할 경우, 프로텍터와 확대 굴착된 터널 측벽하부의 협소공간에서 록볼트 시공 유･무 및 숏크리트 두께 보강에 따른 터널 구조물의 안정성 평가를 위하여 다음과 같이 3가지 경우에 대하여 수치해석을 수행하였다.
10단계부터는 8단계에서 계산된 변위를 반영하여 해석단면을 재구성하여야 하므로 9단계에서는 8단계에서 계산된 변위를 초기화하여 10단계부터 수치해석을 수행하였다. 이것은 기존 3차선 NATM 도로터널이 이미 완공되어 운영중이므로 3차선 NATM 도로터널 건설에 의해 발생된 변위를 해석단면에 반영하여 4차선 NATM 도로터널의 안정성 분석을 수행하기 위한 것이다. 이렇게 계산된 변위와 응력을 바탕으로 10단계에서 15단계까지는 기존 3차선 NATM 도로터널의 콘크리트 라이닝을 제거한 후 발파굴착으로 4차선 NATM 도로터널로 확대하는 부분에 대한 거동 분석을 위한 것이다.
이것은 기존 3차선 NATM 도로터널이 이미 완공되어 운영중이므로 3차선 NATM 도로터널 건설에 의해 발생된 변위를 해석단면에 반영하여 4차선 NATM 도로터널의 안정성 분석을 수행하기 위한 것이다. 이렇게 계산된 변위와 응력을 바탕으로 10단계에서 15단계까지는 기존 3차선 NATM 도로터널의 콘크리트 라이닝을 제거한 후 발파굴착으로 4차선 NATM 도로터널로 확대하는 부분에 대한 거동 분석을 위한 것이다. 본 연구에서 Mohr-Coulomb 모델을 적용하여 유한요소해석을 수행하였으며 상용 프로그램 MIDAS-GTS를 사용하였다.
본 연구에서는 프로텍터를 활용하여 공용중인 터널 단면을 확대 시공할 경우, 터널상부 및 측벽상부는 록볼트, 숏크리트 및 강지보재로 시공하고, 프로텍터 설치에 의해 발생하는 터널 측벽하부의 협소공간에서는 록볼트를 시공하지 않고 숏크리트의 두께만 증가시켜 터널구조물의 안정성을 확보할 수 있는 지에 대하여 수치해석을 수행하였다. 즉, 터널 측벽하부에서 숏크리트만으로 보강된 확대 터널구조물의 안정성 분석과 보강되는 최적의 숏크리트 두께를 제시하려고 한다. 본 연구를 위하여 국내 도심지에서 공용중인 기존 3차선 NATM 도로터널을 4차선 NATM 도로터널로 확대 시공하는 경우를 가정하였다.
가설 설정
즉, 터널 측벽하부에서 숏크리트만으로 보강된 확대 터널구조물의 안정성 분석과 보강되는 최적의 숏크리트 두께를 제시하려고 한다. 본 연구를 위하여 국내 도심지에서 공용중인 기존 3차선 NATM 도로터널을 4차선 NATM 도로터널로 확대 시공하는 경우를 가정하였다.
터널의 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않는 범위를 하부 바닥면 기준 120°범위로 가정하여 보강범위(Fig. 2에서 터널 양쪽측벽의 점선 박스 구간)를 설정하였다.
제안 방법
기존 3차선 NATM 도로터널내에 교통흐름을 유지하기 위하여 프로텍터를 설치하고 4차선 NATM 도로터널로 확대 시공할 경우, 앞에서 서술한 바와 같이 3가지 조건, 즉, 1) 터널 측벽하부에서 숏크리트 및 록볼트를 시공한 경우, 2) 터널 측벽하부에서 숏크리트만 시공하고 록볼트를 시공하지 않은 경우, 3) 터널 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않고 숏크리트 두께만 증가한 3가지 경우에 대하여 수치해석을 수행하여 터널 구조물의 안정성을 평가하였다. 터널 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않고 숏크리트 두께만 증가시킨 경우, 기존 숏트리크 두께(25 cm)에 기존 숏크리트 두께의 20%(5 cm), 40%(10 cm) 및 100%(25 cm)에 해당하는 숏크리트 두께를 추가 보강한 3가지 경우에 대하여 수치해석을 수행하여 최적 보강 숏크리트 두께를 결정하였다.
기존 3차선 NATM 도로터널의 전단면에 걸쳐 길이 4 m의 록볼트와 두께 20 cm의 숏크리트를 시공하였다. 4차선 NATM 도로터널에서는 터널 전단면에 걸쳐 두께 25 cm의 숏크리트를 동일하게 적용하였고, 터널 상부에 길이 5 m의 록볼트를 1 m 간격으로 시공하였다. 4차선 NATM 도로터널의 양쪽 측벽하부에서 록볼트 설치 유･무에 따른 터널 구조물의 거동을 비교하였다.
4차선 NATM 도로터널에서는 터널 전단면에 걸쳐 두께 25 cm의 숏크리트를 동일하게 적용하였고, 터널 상부에 길이 5 m의 록볼트를 1 m 간격으로 시공하였다. 4차선 NATM 도로터널의 양쪽 측벽하부에서 록볼트 설치 유･무에 따른 터널 구조물의 거동을 비교하였다.
숏크리트는 시간에 따른 경화를 고려하여 연성 숏크리트 단계와 강성 숏크리트 단계로 구분하여 적용하였다. Table 3은 하중분담률을 보여주고 있으며, 일반적으로 터널 상하반 굴착시 적용되는 굴착단계 40%, 연성 숏크리트 30% 및 강성 숏트리트 30%로 하중분담률을 적용하였다.
5에서 기존 3차선 NATM 도로터널은 좌측의 작은 마제형 터널이고, 확대되는 4차선 NATM 도로터널은 우측으로 확대되는 마제형 터널이다. 기존 3차선 NATM 도로터널 천단부부터 지표면까지의 높이는 기존자료를 바탕으로 20m로 결정하였다.
기존 3차선 NATM 도로터널을 4차선 NATM 도로터널로 확대 시공하는 10단계부터 15단계 까지는 터널 양쪽 측벽하부의 록볼트 시공 유･무에 따라 추가 발생하는 변위를 예측하고 비교하였다. 천단침하량(Fig.
2에서 점선으로 표시된 록볼트) 시공 유･무에 의한 터널 내 변위와 응력변화에 대하여 검토를 수행하였다. 또한, 4차선 NATM 도로터널의 양쪽 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않고 숏크리트로만 보강한 경우, 기본 숏크리트 두께 25 cm의 20%(5 cm), 40%(10 cm) 및 100%(25 cm)를 추가 보강한 3가지 경우에 대하여 수치해석을 수행하여 최적 보강 숏크리트 두께를 결정하였다. 터널의 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않는 범위를 하부 바닥면 기준 120°범위로 가정하여 보강범위(Fig.
본 연구를 위하여 Fig. 2와 같이 운영중인 3차선 NATM 도로터널을 4차선 NATM 도로터널로 확대하는 경우에 대하여 수치해석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 프로텍터를 활용하여 공용중인 터널 단면을 확대 시공할 경우, 터널상부 및 측벽상부는 록볼트, 숏크리트 및 강지보재로 시공하고, 프로텍터 설치에 의해 발생하는 터널 측벽하부의 협소공간에서는 록볼트를 시공하지 않고 숏크리트의 두께만 증가시켜 터널구조물의 안정성을 확보할 수 있는 지에 대하여 수치해석을 수행하였다. 즉, 터널 측벽하부에서 숏크리트만으로 보강된 확대 터널구조물의 안정성 분석과 보강되는 최적의 숏크리트 두께를 제시하려고 한다.
숏크리트 두께 변화에 따른 숏크리트 응력변화를 정량화하기 위하여 록볼트를 시공하지 않은 4가지 경우의 숏크리트 응력을 록볼트를 시공한 경우의 숏크리트 응력으로 나누어 주었다(Fig. 10). y축의 값 1은 록볼트를 시공한 경우의 숏크리트 응력과 동일하다는 것을 의미한다.
Table 2는 해석단면의 지보재 물성치를 보여주고 있다. 숏크리트는 시간에 따른 경화를 고려하여 연성 숏크리트 단계와 강성 숏크리트 단계로 구분하여 적용하였다. Table 3은 하중분담률을 보여주고 있으며, 일반적으로 터널 상하반 굴착시 적용되는 굴착단계 40%, 연성 숏크리트 30% 및 강성 숏트리트 30%로 하중분담률을 적용하였다.
터널 양쪽 측벽하부에서 록볼트를 시공되지 않아 증가된 하반 내공변위와 숏크리트 응력을 감소시키기 위하여 터널 양쪽 측벽하부의 숏크리트 두께를 증가시킨 후 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 기본 숏트리트 두께(25 cm)의 20%(5 cm), 40%(10 cm) 및 100%(25 cm)에 해당하는 숏크리트 두께를 기본 숏크리트 두께에 추가로 보강한 3가지 경우에 대하여 수행하였다. 3가지 경우에서 계산된 변위와 응력들은 두께 25 cm인 기본 숏크리트에 록볼트를 시공한 경우와 시공하지 않은 경우에서 계산된 변위와 응력들과 비교분석되었다.
실제 시공조건(시공장비, 록볼트 길이)등에 따라 차이가 있지만, 본 연구에서는 터널 측벽하부의 록볼트 시공 유･무가 시공중인 터널 거동에 미치는 영향을 검토하는 것이므로 하부 굴착과 함께 터널 양쪽 측벽하부에서 록볼트(편측 4개, Fig. 2에서 점선으로 표시된 록볼트) 시공 유･무에 의한 터널 내 변위와 응력변화에 대하여 검토를 수행하였다. 또한, 4차선 NATM 도로터널의 양쪽 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않고 숏크리트로만 보강한 경우, 기본 숏크리트 두께 25 cm의 20%(5 cm), 40%(10 cm) 및 100%(25 cm)를 추가 보강한 3가지 경우에 대하여 수치해석을 수행하여 최적 보강 숏크리트 두께를 결정하였다.
설치된 프로텍터 외부와 확대된 4차선 NATM 도로터널 측벽 굴착면사이가 협소하여 록볼트 시공를 위한 천공 및 록볼트 시공이 불가능할 수 가 있다. 이러한 협소공간인 터널 측벽하부에서 록볼트 시공 대신 숏크리트만으로 보강하는 경우에 확대된 터널구조물의 안정성을 분석하였고 보강되는 최적의 숏크리트 두께를 제시하였다.
Table 4는 시공단계를 고려한 수치해석 단계를 보여주고 있다. 총 16단계로 수치해석을 수행하였으며 각 단계별 하중분담률도 보여주고 있다. 총 16단계의 수치해석에서 0단계에서 8단계까지는 안정화된 지반에 기존 3차선 NATM 도로터널 건설에 의해 발생되는 변위와 응력을 계산하기 위한 것이다.
앞에서 서술한 바와 같이 4차선 NATM 도로터널 양쪽 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않은 경우의 하반 내공변위와 숏크리트 응력이 록볼트를 시공한 경우보다 다소 증가하는 것으로 나타났다. 터널 양쪽 측벽하부에서 록볼트를 시공되지 않아 증가된 하반 내공변위와 숏크리트 응력을 감소시키기 위하여 터널 양쪽 측벽하부의 숏크리트 두께를 증가시킨 후 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 기본 숏트리트 두께(25 cm)의 20%(5 cm), 40%(10 cm) 및 100%(25 cm)에 해당하는 숏크리트 두께를 기본 숏크리트 두께에 추가로 보강한 3가지 경우에 대하여 수행하였다.
기존 3차선 NATM 도로터널내에 교통흐름을 유지하기 위하여 프로텍터를 설치하고 4차선 NATM 도로터널로 확대 시공할 경우, 앞에서 서술한 바와 같이 3가지 조건, 즉, 1) 터널 측벽하부에서 숏크리트 및 록볼트를 시공한 경우, 2) 터널 측벽하부에서 숏크리트만 시공하고 록볼트를 시공하지 않은 경우, 3) 터널 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않고 숏크리트 두께만 증가한 3가지 경우에 대하여 수치해석을 수행하여 터널 구조물의 안정성을 평가하였다. 터널 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않고 숏크리트 두께만 증가시킨 경우, 기존 숏트리크 두께(25 cm)에 기존 숏크리트 두께의 20%(5 cm), 40%(10 cm) 및 100%(25 cm)에 해당하는 숏크리트 두께를 추가 보강한 3가지 경우에 대하여 수치해석을 수행하여 최적 보강 숏크리트 두께를 결정하였다.
터널내의 하반 내공변위 비교만으로는 최적의 보강 숏크리트 두께를 결정할 수 없으므로 5가지 경우의 부재별 숏크리트 응력들을 비교하였다. Fig.
도심지 도로터널은 일반적으로 양방향 통행을 위하여 병설터널이 대부분이고, 병설터널인 경우 양측확대가 곤란한 경우가 많으므로 편측확대에 대한 검토를 수행하였다. 편측확대에 대한 단면 검토시 펀측확대가 가장 크게 될 경우에 대하여 수치해석을 수행하였다.
대상 데이터
4에서 보여주듯이 3차선 및 4차선 NATM 도로터널의 지보패턴 등급이 P-5이므로 록볼트 및 숏크리트가 터널 전단면에 걸쳐 시공되는 것이 일반적이다. 3차선 NATM 도로터널에 적용되는 숏크리트의 두께는 20cm이고, 록볼트는 길이 4 m로 종방향 및 횡방향 설치간격이 각각 1 m와 2 m이다. 4차선 NATM 도로터널에 적용되는 숏크리트의 두께는 25 cm이고, 록볼트는 길이 5 m로 종방향 및 횡방향 설치간격이 각각 1 m와 2m이다.
3차선 NATM 도로터널에 적용되는 숏크리트의 두께는 20cm이고, 록볼트는 길이 4 m로 종방향 및 횡방향 설치간격이 각각 1 m와 2 m이다. 4차선 NATM 도로터널에 적용되는 숏크리트의 두께는 25 cm이고, 록볼트는 길이 5 m로 종방향 및 횡방향 설치간격이 각각 1 m와 2m이다.
기존 3차선 NATM 도로터널의 지보패턴과 단면은 현재 도심지내에서 공용중인 도로터널(서울시 소재 ○○터널)의 준공도면을 사용하였다. 4차선 NATM 도로터널은 현재까지 국내에서 시공된 4차선 NATM 도로터널의 지보패턴과 단면을 사용하였다. Fig.
6(d))을 보여주고 있다. 기존 3차선 NATM 도로터널의 전단면에 걸쳐 길이 4 m의 록볼트와 두께 20 cm의 숏크리트를 시공하였다. 4차선 NATM 도로터널에서는 터널 전단면에 걸쳐 두께 25 cm의 숏크리트를 동일하게 적용하였고, 터널 상부에 길이 5 m의 록볼트를 1 m 간격으로 시공하였다.
기존 3차선 NATM 도로터널의 지보패턴과 단면은 현재 도심지내에서 공용중인 도로터널(서울시 소재 ○○터널)의 준공도면을 사용하였다. 4차선 NATM 도로터널은 현재까지 국내에서 시공된 4차선 NATM 도로터널의 지보패턴과 단면을 사용하였다.
해석 대상의 지반조건은 Table 1에서 보여주듯이 기존 3차선 NATM 도로터널의 설계에서 사용된 지반물성치를 사용하였다. 본 지반의 암반등급은 V등급으로 Fig.
데이터처리
수치해석은 기본 숏트리트 두께(25 cm)의 20%(5 cm), 40%(10 cm) 및 100%(25 cm)에 해당하는 숏크리트 두께를 기본 숏크리트 두께에 추가로 보강한 3가지 경우에 대하여 수행하였다. 3가지 경우에서 계산된 변위와 응력들은 두께 25 cm인 기본 숏크리트에 록볼트를 시공한 경우와 시공하지 않은 경우에서 계산된 변위와 응력들과 비교분석되었다.
이론/모형
이렇게 계산된 변위와 응력을 바탕으로 10단계에서 15단계까지는 기존 3차선 NATM 도로터널의 콘크리트 라이닝을 제거한 후 발파굴착으로 4차선 NATM 도로터널로 확대하는 부분에 대한 거동 분석을 위한 것이다. 본 연구에서 Mohr-Coulomb 모델을 적용하여 유한요소해석을 수행하였으며 상용 프로그램 MIDAS-GTS를 사용하였다.
성능/효과
1. 4차선 NATM 도로터널로 확대 시공할 경우, 천단침하량, 상반 내공변위 및 하반 내공변위는 각각 5.2 mm, 4 mm 및 4.6 m로 나타났다. 이러한 침하향과 내공변위는 허용치(20 mm)내에 존재하였으므로 터널의 안정성이 확보되었다.
2. 기존 3차선 NATM 도로터널을 4차선 NATM 도로터널로 확대하기 위하여 3차선 NATM 도로터널의 콘크리트 라이닝을 제거하고 터널 상부를 굴착하는 단계에서 천단변위, 상반 내공변위 및 하반 내공변위는 각각 1.9 mm, 1.3 mm 및 0.95 mm로 허용침하량(20 mm)보다 아주 낮게 나타났다. 이것은 기존 터널 구조물의 콘크리트 라이닝 해체 및 확대를 위한 상반 굴착시 본 연구에서 적용된 지반물성치를 가지고 있는 지반이 굴착이 된 후에도 붕괴될 가능성이 희박하다는 것을 보여주고 있다.
3. 두께 25 cm의 숏크리트가 터널 전단면에 시공된 확대된 4차선 NATM 도로터널의 측벽하부에서 록볼트 시공 유･무에 따라 터널내 천단변위 및 상반 내공변위는 거의 차이가 없는 것으로 나타났다. 하반 내공변위는 터널 양쪽 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않은 경우가 록볼트를 시공한 경우보다 최대 0.
4. 증가된 하반 내공변위 및 숏크리트 응력을 저감시키기 위해 기본 숏트리트 두께(25 cm)의 20%(5 cm), 40%(10 cm) 및 100%(25 cm)에 해당하는 숏크리트 두께를 추가로 보강한 결과, 두께 25 cm의 숏크리트 하반 내공변위를 각각 0.24 mm, 0.29 mm 및 0.38 mm정도로 매우 미미하게 감소시켰다. 또한, 록볼트를 시공하지 않는 측벽하부에서 기존 숏크리트 두께 25 cm의 20%(5 cm)만 증가시킨(25 cm→30 cm) 경우의 숏크리트 응력은 터널 측벽하부에서 두께 25 cm의 숏크리트와 록볼트를 시공한 경우의 숏크리트 응력과 유사한 경향을 보여주고 있다.
5가지의 경우의 하반 내공변위를 비교한 결과, 하반 내공변위는 터널 측벽하부에 록볼트를 시공하기 않고 숏크리트 두께를 증가 시킬수록, 록볼트를 시공한 경우의 하반 내공변위에 근접하는 경향을 보이고 있다. 그러나, 수치해석 15단계(4차선 터널 하부 강성숏크리트)에서 터널 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않고 숏크리트 두께를 30 cm, 35 cm 및 50 cm로 증가시킨 경우의 하반 내공변위는 두께 25 cm의 숏크리트만 시공한 경우의 하반 내공변위를 각각 0.
5 mm를 나타내고 있다. 계산된 천단침하량, 상반 내공변위 및 하반 내공변위는 허용치(20 mm)내에 존재하므로 터널의 안정성이 확보되었다고 판단된다. 이미 기존 3차선 NATM 도로터널이 건설되어 운영되고 있으므로 8단계에 발생한 변위는 9단계에서 초기화하였다.
그러나, 4차선 NATM 도로터널 건설을 위하여 기존 3차선 NATM 도로터널의 우측을 굴착한 후, 4차선 NAMT 도로터널의 우측 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않은 경우(부재번호 46～50)의 숏크리트 응력은 록볼트를 시공한 경우의 숏크리트 응력보다 최대 1300 kN/m2 크게 나타났다 (부재번호 47). 부재번호 47은 터널 우측하부에서 굴착 바닥면으로부터 세 번째로 시공된 록볼트가 위치한 곳이다.
터널 우측 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않은 경우에는 록볼트 미시공으로 숏크리트 응력이 상대적으로 크게 발생하였다. 또한, 터널 측벽하부에서 숏크리트 두께가 증가할수록 숏크리트 두께가 증가하지 않는 구간(부재번호 42～44)에서도 숏크리트 응력이 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 Fig.
앞에서 서술한 바와 같이 4차선 NATM 도로터널 양쪽 측벽하부에서 록볼트를 시공하지 않은 경우의 하반 내공변위와 숏크리트 응력이 록볼트를 시공한 경우보다 다소 증가하는 것으로 나타났다. 터널 양쪽 측벽하부에서 록볼트를 시공되지 않아 증가된 하반 내공변위와 숏크리트 응력을 감소시키기 위하여 터널 양쪽 측벽하부의 숏크리트 두께를 증가시킨 후 수치해석을 수행하였다.
95 mm로 허용침하량(20 mm)보다 아주 낮게 나타났다. 이것은 기존 터널 구조물의 콘크리트 라이닝 해체 및 확대를 위한 상반 굴착시 본 연구에서 적용된 지반물성치를 가지고 있는 지반이 굴착이 된 후에도 붕괴될 가능성이 희박하다는 것을 보여주고 있다.
38 mm정도 감소시키는 것으로 나타났다. 이러한 3가지 경우에 감소된 하반 내공변위들은 록볼트 시공 유･무에 따라 발생된 하반 내공변위의 차이(0.59 mm)를 각각 40%, 48% 및 65%정도 감소시켰지만 측벽하부의 숏크리트 두께증가에 비해 하반 내공변위는 매우 미미하게 감소하는 것으로 나타났다.
부재번호 49에서 50에서는 기본 숏크리트 두께(25 cm)의 20%(숏크리트 두께 5 cm 추가)에 해당하는 두께를 기본 숏크리트 두께에 추가하여 숏크리트 두께(30 cm)를 증가시킨 경우의 숏크리트 응력들이 두께 25 cm의 숏크리트와 록볼트를 시공한 경우의 숏크리트 응력들과 가장 작은 차이를 보여주고 있다. 이러한 결과로부터 숏크리트 두께를 20%(숏크리트 두께 50 mm 추가)만 증가시켜도 록볼트 미시공에 의해 발생되는 추가 숏크리트 응력을 충분히 분담할 수 있는 것으로 판단된다.
터널 우측 측벽하부에서 숏크리트 두께가 증가된 구간(부재번호 44～50)에서 특이구간인 “A” 지점(부재번호 47)을 제외하고는 숏크리트 두께가 증가할수록 숏크리트 응력이 감소하는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존 터널의 단면을 확대할 경우 어떤 문제가 생길 수 있는가?
기존 터널의 단면을 확대할 경우, 터널내로 진입하는 차량을 완전 통제하고 시공하여야 하므로, 터널주변에서 상당한 교통정체를 유발할 수가 있다. 그래서, 선진외국에서는 터널내 교통통제에 의한 터널 주변의 교통정체 해소를 위하여 확대되는 터널내에 프로텍터를 설치하여 어느 정도 터널내 교통흐름을 유지하면서 터널단면을 확대 시공하는 사례가 있다(Kim and Jung, 2007; Baek and Roh, 2007; Seo et al.
기존터널에 인접하여 새로운 터널을 건설하는 경우, 어떤 문제가 발생하는가?
도심지내 터널과 연결되어 있는 기존차선을 확대할 때 기존 터널 주변에 신설터널을 건설하거나 기존터널을 확대하는 방법이 있다. 기존터널에 인접하여 새로운 터널을 건설하는 경우, 용지매입, 근접한 기존 터널의 안전성 확보, 녹지공간 점유에 의한 자연환경파괴 등 추가적인 경제적 사회적 부담이 발생한다. 또한, 도심지내에서 신설 도로터널을 건설할 경우 여유부지 확보 등이 곤란하여 추가적인 신설터널 시공이 곤란한 경우가 많다.
프로텍터와 확대 굴착된 터널 측벽하부의 협소공간에서 록볼트 시공 유･무 및 숏크리트 두께 보강에 따른 터널 구조물의 안정성 평가를 위한 3가지 경우에 대한 수치해석을 수행하였는데 어떤 경우인가?
1) 터널 측벽하부에 숏크리트와 록볼트를 시공한 경우,
2) 터널 측벽하부에 록볼트를 시공하지 않고 숏크리트만 시공한 경우,
3) 터널 측벽하부에 록볼트를 시공하지 않고 숏크리트 두께를 3가지 경우로 증가한 경우
참고문헌 (8)
Beak, K.H., Roh, J.R. (2007), "Case study on the widening construction of tunnel under use", 33th Korean Society of Civil Engineers Annual Convention & Civil Expo, pp. 2935-2938.
Hideto Mashimo (2003), "Technological development of section enlargement for existing tunnels", Tunnels and Underground, Vol. 34, No. 9, pp. 41-48.
Hujita Institute of Construction Technology Report (2009), Section Enlargement of existing tunnel on the 7th national road, Vol. 45, pp. 19-24.
Kim, D.G., Jung, H.S. (2007), "Improvement of tunnel performance by cross s section enlargement of existing tunnel", Korean Geotechnical Society Magazine, Vol. 23, No. 3, pp. 14-20.
Kim, W.K., Jin, B.M., Baek, K.H., Seo, K.W. (2011), "The effect of material behavior of blasted muck on the impact force applied on a protector", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association , Vol. 13, No. 3, pp. 261-275.
Public Works Research Institute (2003), A study of Construction Method of Section Enlargement for Existing Tunnels.
Seo, K.W., Beak, K.H., Kim, W.K. (2008), "Case study on enlargement of existing tunnel in foreign countries(I)", Korean Tunnelling Association Magazine, Vol. 10, No.1, pp. 40-50.
Seo, K.W., Beak, K.H., Kim, W.K. (2008), "Case study on enlargement of existing tunnel in foreign countries(II)", Korean Tunnelling Association Magazine, Vol. 10, No. 2, pp. 71-79.
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