본 연구에서는 $30^{\circ}$ 경사진 층리면을 가진 이방성 암반내 위치한 쌍굴터널에서 터널간 이격거리와 터널 단면의 형상이 서로 다른 다섯 가지 모형에 대해 측압계수 2의 하중조건으로 축소모형실험을 실시하였다. 실험을 통해 모형별 균열개시압력과 터널 주변지반의 변형거동을 조사하였으며, 이 조건들이 터널의 안정성에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보았다. 터널간 이격거리가 작은 모형일수록 필라에서는 층리면을 따른 전단파괴가 발생하였으며 낮은 압력수준에서 균열이 발생하여 터널의 안정성은 상대적으로 작은 것으로 평가되었다. 사심아치형, 원형, 반원아치형 터널 모형들에 대한 실험에서 반원아치형 터널이 가장 작은 균열개시압력을 보여 터널 안정성이 가장 작게 나타났으며, 원형 터널의 안정성이 가장 크게 나타났다. 또한, 사심아치형 터널의 변형거동은 원형 터널과 반원아치형 터널의 중간적인 형태를 나타내었으며 터널 안정성도 중간정도에 해당하였다. FLAC을 사용한 수치해석 결과는 모형실험의 결과와 정성적으로 부합하였다.
본 연구에서는 $30^{\circ}$ 경사진 층리면을 가진 이방성 암반내 위치한 쌍굴터널에서 터널간 이격거리와 터널 단면의 형상이 서로 다른 다섯 가지 모형에 대해 측압계수 2의 하중조건으로 축소모형실험을 실시하였다. 실험을 통해 모형별 균열개시압력과 터널 주변지반의 변형거동을 조사하였으며, 이 조건들이 터널의 안정성에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보았다. 터널간 이격거리가 작은 모형일수록 필라에서는 층리면을 따른 전단파괴가 발생하였으며 낮은 압력수준에서 균열이 발생하여 터널의 안정성은 상대적으로 작은 것으로 평가되었다. 사심아치형, 원형, 반원아치형 터널 모형들에 대한 실험에서 반원아치형 터널이 가장 작은 균열개시압력을 보여 터널 안정성이 가장 작게 나타났으며, 원형 터널의 안정성이 가장 크게 나타났다. 또한, 사심아치형 터널의 변형거동은 원형 터널과 반원아치형 터널의 중간적인 형태를 나타내었으며 터널 안정성도 중간정도에 해당하였다. FLAC을 사용한 수치해석 결과는 모형실험의 결과와 정성적으로 부합하였다.
In this study, scaled model tests were performed to investigate the stability of twin tunnels constructed in anisotropic rocks with $30^{\circ}$ inclined bedding planes under the condition of lateral pressure ratio, 2. Five types of test models which had respectively different pillar widt...
In this study, scaled model tests were performed to investigate the stability of twin tunnels constructed in anisotropic rocks with $30^{\circ}$ inclined bedding planes under the condition of lateral pressure ratio, 2. Five types of test models which had respectively different pillar widths and shapes of tunnel sections were experimented, where both crack initiating pressures and deformation behaviors around tunnels were investigated. The models with shallower pillar width showed shear failure of pillar according to the existing bedding planes and they were cracked under lower pressure than the models with thicker pillar width. In order to find the effect of tunnel sectional shape on stability, the models with four centered arch section, circular section and semi-circular arch section were experimented. As results of the comparison of the crack initiating pressures and the deformation behaviors around tunnels, the semi-circular arched tunnel model was the most unstable whereas the circular tunnel model was the most stable among them. Furthermore, the results of FLAC analysis were qualitatively coincident with the experimental results.
In this study, scaled model tests were performed to investigate the stability of twin tunnels constructed in anisotropic rocks with $30^{\circ}$ inclined bedding planes under the condition of lateral pressure ratio, 2. Five types of test models which had respectively different pillar widths and shapes of tunnel sections were experimented, where both crack initiating pressures and deformation behaviors around tunnels were investigated. The models with shallower pillar width showed shear failure of pillar according to the existing bedding planes and they were cracked under lower pressure than the models with thicker pillar width. In order to find the effect of tunnel sectional shape on stability, the models with four centered arch section, circular section and semi-circular arch section were experimented. As results of the comparison of the crack initiating pressures and the deformation behaviors around tunnels, the semi-circular arched tunnel model was the most unstable whereas the circular tunnel model was the most stable among them. Furthermore, the results of FLAC analysis were qualitatively coincident with the experimental results.
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문제 정의
한편, FLAC은 연속체 해석기법의 일종으로서, 해석 모델은 가해진 하중에 따라 연속체를 유지하면서 변형하기 때문에 파괴된 후 요소가 모암으로부터 이탈하는 경우를 해석하지는 못한다(정형래와 김종우(2006)). 따라서 본 연구에서는 모형실험 결과의 타당성을 정성적으로 조사할 목적으로, 모형별로 균열개시압력보다 작은 수준의 하중을 가하고 이때 발생하는 터널의 변형을 조사하였다.
본 연구에서는 이방성 암반내 위치한 쌍굴터널에서 터널간 이격거리와 터널 단면의 형상이 서로 다른 다섯 가지 쌍굴터널 모형에 대한 축소모형실험을 통하여 터널 주변지반의 변형거동을 조사하고 터널의 안정성을 검토하였다. 이방성 암반을 모형실험에 적용하기 위하여 적층체 모형을 제작하였으며, 터널간의 이격거리를 0.
본 연구에서는 이방성 암반내 위치한 쌍굴터널에서 터널간 이격거리와 터널 단면의 형상이 터널 안정성에 미치는 영향을 조사하기 위하여 Fig. 3과 같은 다섯 가지 실험모형을 제작하였다. 먼저 1, 2, 3번 모형과 같이 터널 간의 이격거리를 0.
0의 하중조건으로 축소모형실험을 실시하였다. 이를 통해 모형별 균열개시압력과 터널 주변지반의 변형 거동을 조사하였으며, 이 조건들이 터널의 안정성에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보았다. 이로부터 얻어진 주요 결과는 다음과 같다.
제안 방법
57D 등의 세 가지로 변화시켜 가면서 실험을 실시함으로써 터널간 이격거리가 터널 안정성에 미치는 영향을 조사하였다. 다음으로, 1.57D 모형에 대해서는 터널 단면 규격을 사심아치형, 원형, 반원아치형 등의 세 가지로 변화시킨 세 가지 모형을 제작하고 실험함으로써 터널 단면 형상이 터널 안정성에 미치는 영향을 조사하였다. 또한, 지반해석용 프로그램인 FLAC 을 사용하여 실험 결과를 검토하였다.
또한 2.1절에서 언급한 현장의 지반 조건과 초기지압 조건을 모형실험에 반영하기 위하여, 지층은 터널단면의 횡축을 기준으로 30° 경사지도록 모형체를 제작하였으며, 실험 중 측압계수(K) 2.0을 만족하는 하중조건을 실제로 적용하였다.
또한, 이방성 특성을 구하기 위하여 가로 150 mm, 세로 150 mm, 두께 76 mm인 육면체 시험편에 대해 일축압축시험을 추가로 실시하였으며, Table 3은 실험결과를 나타낸 것이다.
3과 같은 다섯 가지 실험모형을 제작하였다. 먼저 1, 2, 3번 모형과 같이 터널 간의 이격거리를 0.5D(26 mm), 1.0D(52 mm), 1.57D(82 mm)등의 세 가지로 변화시켜 가면서 실험을 실시하였으며, 다음으로 1.57D 모형에 대해서는 3, 4, 5번 모형과 같이 터널 단면 형상을 달리한 세 가지 모형을 제작하고 실험하였다. Table 4는 세 가지 터널 단면의 규격을 나타낸 것이다.
모형실험의 결과를 수치해석적으로 검토하기 위하여 실험모형과 동일한 다섯 가지 해석 모델을 구성하고 FLAC을 사용한 이방성 해석을 실시하였다. 여기서 모델의 물성은 실제 모형재료에 대한 물성 실험결과를 적용하였으며, 경계조건도 모형실험에서의 조건과 동일하게 적용하였다.
본 연구에서는 30° 경사진 층리면을 가진 이방성 암반내 위치한 쌍굴터널에서 터널간 이격거리와 터널 단면의 형상이 서로 다른 다섯 가지 모형에 대해 측압계수 2.0의 하중조건으로 축소모형실험을 실시하였다.
모형실험의 결과를 수치해석적으로 검토하기 위하여 실험모형과 동일한 다섯 가지 해석 모델을 구성하고 FLAC을 사용한 이방성 해석을 실시하였다. 여기서 모델의 물성은 실제 모형재료에 대한 물성 실험결과를 적용하였으며, 경계조건도 모형실험에서의 조건과 동일하게 적용하였다. 한편, FLAC은 연속체 해석기법의 일종으로서, 해석 모델은 가해진 하중에 따라 연속체를 유지하면서 변형하기 때문에 파괴된 후 요소가 모암으로부터 이탈하는 경우를 해석하지는 못한다(정형래와 김종우(2006)).
3의 1, 2, 3번 모형을 실험하였다. 이 세 가지 모형에서 터널간 이격거리는 터널 폭을 D라고 할 때 0.5D, 1.0D, 1.57D 등이며 실험 중 측압계수는 모두 2.0을 유지하도록 하였다.
본 연구에서는 이방성 암반내 위치한 쌍굴터널에서 터널간 이격거리와 터널 단면의 형상이 서로 다른 다섯 가지 쌍굴터널 모형에 대한 축소모형실험을 통하여 터널 주변지반의 변형거동을 조사하고 터널의 안정성을 검토하였다. 이방성 암반을 모형실험에 적용하기 위하여 적층체 모형을 제작하였으며, 터널간의 이격거리를 0.5D, 1.0D, 1.57D 등의 세 가지로 변화시켜 가면서 실험을 실시함으로써 터널간 이격거리가 터널 안정성에 미치는 영향을 조사하였다. 다음으로, 1.
0을 만족하도록 수직하중에 비해 수평하중을 2배 크게 적용한다. 이와 같이 모형시험체에 연속적인 하중을 재하하면서 하중 증가에 따른 모형터널 주위의 변형거동을 관찰하였다. Fig.
즉 모래, 석고, 물의 중량배합비가 135:65:100인 혼합물이 적합한 모형재료로 판단되었다. 한편, 본 실험에서는 이 혼합물로 수 개의 원주형 시험편을 제작한 후 일정 기간 건조 후 밀도가 1.6 g/cm3일 때 일축압축실험을 실시하여 소정의 강도를 나타내는 것을 다시 확인하였다. 또한 이 혼합물에 대한 추가적인 실내 물성실험을 통해 이 재료는 Table 2와 같은 물성을 가지는 것을 알 수 있었다.
4는 이러한 모형시험체 제작 과정을 모식적으로 나타낸 것이다(정형래와 김종우, 2006). 한편, 이와 같이 완성된 시험체를 일정 기간 건조시켜 밀도가 1.6 g/cm3이 될 때 비로소 실험을 실시하였다.
대상 데이터
모래, 석고, 물의 중량비가 135:65:100인 혼합물을 사용하여 모형시험체를 제작하였다. 이때 모래는 주문진산 표준사, 석고는 ㈜문교산업의 도자기 형재용 석고를 사용하였다.
모형시험체는 480 mm × 480 mm × 76 mm 규격이며, 이방성 암반을 모사하기 위하여 30 mm 두께의 Slab을 여러 개 제작한 후 이들을 결합하고 재단하여 최종적으로 규격화된 시험체를 완성하였다.
본 실험에 사용된 실험장치는 수직하중과 수평하중을 각각 조절할 수 있는 유압식 이축 압축장치로서 직교하는 네 방향에 25톤 용량의 램이 부착되어 있다. 수직 및 수평 하중은 각각의 핸드펌프에 의해 작동되며, 모형시험체에 가해지는 하중의 크기는 핸드펌프에 부착되어 있는 압력계로부터 측정된다.
본 연구에서는 이러한 물성을 갖는 모형 재료로서 특정한 밀도와 배합비를 가진 모래, 석고, 물의 혼합물을 사용하였다. 한편, 이 혼합물은 밀도와 중량 배합비에 따라 강도가 변화하는데, 밀도 1.
본 연구에서는 이방성 암반에 Fig. 1과 같이 폭 3.06 m인 사심아치형 터널을 쌍굴터널의 형태로 굴착하는 경우를 모델링하였다. 현장 암석에 대한 실내 물성시험의 결과, 암석의 밀도는 2.
모래, 석고, 물의 중량비가 135:65:100인 혼합물을 사용하여 모형시험체를 제작하였다. 이때 모래는 주문진산 표준사, 석고는 ㈜문교산업의 도자기 형재용 석고를 사용하였다. 모형시험체는 480 mm × 480 mm × 76 mm 규격이며, 이방성 암반을 모사하기 위하여 30 mm 두께의 Slab을 여러 개 제작한 후 이들을 결합하고 재단하여 최종적으로 규격화된 시험체를 완성하였다.
데이터처리
57D 모형에 대해서는 터널 단면 규격을 사심아치형, 원형, 반원아치형 등의 세 가지로 변화시킨 세 가지 모형을 제작하고 실험함으로써 터널 단면 형상이 터널 안정성에 미치는 영향을 조사하였다. 또한, 지반해석용 프로그램인 FLAC 을 사용하여 실험 결과를 검토하였다.
성능/효과
1. 하중이 증가함에 따라 쌍굴터널의 변형은 필라 방향으로 주로 발생하였고, 터널의 수직방향 변형보다는 수평방향 변형이 더 크게 발생하였다.
2. 터널간 이격거리를 0.5D, 1.0D, 1.57D로 변화시킨 세 가지 모형들에 대한 실험에서 터널간 이격거리가 작은 모형일수록 낮은 압력수준에서 균열이 발생하여 터널의 안정성은 상대적으로 작은 것으로 평가되었다.
3. 터널간 이격거리가 작은 모형의 경우 필라에서는 층리면을 따른 전단파괴가 발생하였으며 안정성 확보를 위해서는 필러의 보강이 필요함을 알 수 있었다.
4. 터널단면을 사심아치형, 원형, 반원아치형으로 변화시킨 세 가지 모형들에 대한 실험에서 반원아치형 터널이 가장 작은 균열개시압력을 보여 터널 안정성이 가장 작게 나타났으며, 원형 터널의 안정성이 가장 크게 나타났다.
5. 사심아치형 터널의 변형거동은 원형 터널과 반원아치형 터널의 중간적인 형태를 나타내었으며, 터널 안정성도 중간정도에 해당하였다.
6. FLAC을 사용한 수치해석 결과는 모형실험의 결과와 정성적으로 부합하였다.
또한 이 현장에서 이방성 지층은 터널단면의 횡축을 기준으로 30° 정도 경사져 있으며, 현지 초기지압을 측정한 결과 측압계수(K)는 2.0으로 나타났다.
축소모형실험에 사용되는 모형재료는 대상 암반의 물리적 특성을 충분히 대변할 수 있는 것이라야 한다. 본 연구 대상 암반의 일축압축강도는 전술한 바와 같이 53 MPa이기 때문에 여기에 강도 축소율인 1/88을 적용하면 본 실험에서 실제로 사용되어야 하는 모형재료는 0.6 MPa의 일축압축강도를 갖는 물질인 것으로 나타났다.
Table 7은 세 가지 모형의 균열개시압력과 실험 최종 압력을 나타낸 것이다. 여기서 균열개시압력은 원형, 사심아치형, 반원아치형 터널의 순서대로 감소하는 경향을 보이고 있어 원형 터널이 가장 안정하며 반원아치형이 가장 불안정한 것으로 나타났다.
Table 5는 세 가지 모형의 균열개시압력과 실험 최종 압력을 나타낸 것이다. 여기서 균열개시압력은 터널간 이격거리가 커질수록 증가하는 경향을 보이고 있어 터널간 이격거리가 커질수록 쌍굴터널의 안정성은 증가하는 것으로 나타났다. 이는 등방성 암반내 쌍굴터널(김종우와 박지용, 2004)과 호층 암반내 쌍굴터널(김종우, 2012)에서 얻어진 모형실험의 결과와 부합하며, 이로부터 터널간 이격거리의 증가는 대부분의 암반 조건에서 터널 안정성을 증가시키는 요인이 됨을 알 수 있었다.
이러한 실험결과를 고려하면 본 연구에서 고려한 이 방성 쌍굴터널에 있어서 터널단면의 형상은 원형에 가까울수록 균열개시압력이 크고 터널의 변형은 작게 나타나므로, 원형단면의 터널이 가장 안정적인 것으로 생각된다.
한편, 현장 암반의 밀도는 전술한 바와 같이 2.4 g/cm3인데 비해 본 실험에서 실제로 사용한 모형재료의 밀도는 1.6 g/cm3이었으므로 밀도[ML-3]에 대한 축소율은 1/1.5이며, 이로부터 질량[M]에 대한 축소율을 산정하면 1/305665로 나타났다. 이와 같이 산정된 길이[L], 시간[T], 질량[M]의 축소율을 근거로 하여 현장 암반의 강도[ML-1T-2]에 대한 축소율을 구하면 1/88로 나타났다.
06 m인 사심아치형 터널을 쌍굴터널의 형태로 굴착하는 경우를 모델링하였다. 현장 암석에 대한 실내 물성시험의 결과, 암석의 밀도는 2.4 g/cm3이고 일축압축강도는 53 MPa이었다. 또한 이 현장에서 이방성 지층은 터널단면의 횡축을 기준으로 30° 정도 경사져 있으며, 현지 초기지압을 측정한 결과 측압계수(K)는 2.
후속연구
쌍굴터널과 관련한 국내 연구는 주로 수치해석적인 방법을 동원한 연구들(김학문, 1997, 황정순 외, 2005, 백승철 외, 2009)이 많으며, 실제 쌍굴터널의 설계에서도 이 방법이 널리 적용되고 있다. 그러나 쌍굴터널 주변 지반의 변형거동과 터널 안정성 여부를 가시적으로 직접 확인하기 위해서는 보다 실증적인 실험적 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내에서 실시한 쌍굴터널에 대한 물리적인 모형실험의 사례에는 무엇이 있는가?
터널의 축소모형실험은 Hobbs(1966), Goodman(1972) 등에 의해 소개되었고 국내에서도 쌍굴터널에 대한 물리적인 모형실험을 실시한 연구 사례가 몇 차례 보고된 바 있다. 이중에서 김종우와 박지용(2004)은 모형실험을 통해 등방성 암반내 위치한 쌍굴터널 주변지반의 변형거동을 조사하였고, 장부식 외(2006)는 쌍굴터널간 보강필라의 거동에 대해 연구하였으며, 김종우(2012)는 기존터널 인근에 신설터널을 시공하여 비대칭 쌍굴터널이 만들어지는 경우에 대한 실험을 실시한 바 있다.
상행 및 하행 터널이 나란히 배열되는 쌍굴터널의 형태로 시공되고 있는 이유는?
도로, 철도, 수로 등의 지하화 사업에서의 터널은 용지매입의 제한과 환경훼손 방지 등의 이유로 상행 및 하행 터널이 나란히 배열되는 쌍굴터널의 형태로 시공 되고 있다. 쌍굴터널에서 단일 터널 상호간의 이격거리는 지반의 조건이나 시공법에 따라 달라지지만, 최근에는 보강공법의 발달로 인해 터널 굴착 폭의 2배 이하로 시공되는 경우가 많다.
터널의 축소모형실험은 누구에 의해 소개되었는가?
터널의 축소모형실험은 Hobbs(1966), Goodman(1972) 등에 의해 소개되었고 국내에서도 쌍굴터널에 대한 물리적인 모형실험을 실시한 연구 사례가 몇 차례 보고된 바 있다. 이중에서 김종우와 박지용(2004)은 모형실험을 통해 등방성 암반내 위치한 쌍굴터널 주변지반의 변형거동을 조사하였고, 장부식 외(2006)는 쌍굴터널간 보강필라의 거동에 대해 연구하였으며, 김종우(2012)는 기존터널 인근에 신설터널을 시공하여 비대칭 쌍굴터널이 만들어지는 경우에 대한 실험을 실시한 바 있다.
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