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문제 정의
- 따라서 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법 적용시 일정한 그라우팅 압력으로 가압백 그라우팅을 수행하는 것이 매우 중요하다. 따라서 이러한 시공상 조건을 실현시키기 위해 자동 정압/정량 그라우팅이 가능한 인텔리전트 그라우팅 시스템을 개발하여 적용하였다. 인텔리전트 그라우팅 시스템은 펌프, 다중 주입시스템, 자동제어 프로그램으로 구성되어 있으며, 정확한 정량/정압 그라우팅이 가능하다.
- 본 논문에서는 새롭게 개발한 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법을 소개하고 그 이론적 배경을 서술하였다. 또한 수치해석과 모델시험을 수행하여 개발한 공법의 현장적용성에 대해 평가하였으며 실제 현장적용 결과를 바탕으로 그 효과를 검증하였다.
- 본 연구에서는 기존 비개착 공법의 문제점을 개선할 수 있는 새로운 개념의 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법 개발하였으며 그 이론적 원리에 대한 연구를 수행하였다. 또한 수치해석과 모델시험을 거쳐 실제 현장에 적용하였으며 이를 통해 개발공법의 변위제어 효과를 확인하였다.
- 본 연구에서는 이러한 기존 비개착 터널공법의 문제점을 개선하기 위해 가압식 지보를 이용한 비개착 공법을 개발하였다. 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법은 굴착시 발생하는 이완토압에 대응하는 압력을 지반에 작용시켜 굴착시 발생한 지반변형을 회복시킬 수 있는 새로운 개념의 공법이다.
제안 방법
- (4) 가압백 그라우팅 시험을 수행하여 가압식 지보 시스템의 효과를 검증하였으며, Mock-up 테스트를 통해 고속도로 하부 적용시 일시적으로 발생할 수 있는 무지보 자립구간의 안정성을 검증하였다.
- 15(a)와 같이 최소토피가 약 80cm에 불과하고, 곡선시공 및 굴착면에 수로박스가 존재하고 있어(Fig. 15(b) 참조) 기존 비개착 공법으로는 시공이 불가능하여 본 연구에서 개발한 공법을 적용하였다. Fig.
- 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법의 현장적용에 앞서 가압백 그라우팅 시험을 수행하였다. 공법의 적용에 있어서 가압백 그라우팅시 가압백으로부터 시멘트 입자는 유출되지 않고 물만 빠져나감으로써 지반에 압력을 가하여 굴착 중 발생한 지반 변위를 회복시키고 그라우팅 종료 후에도 회복된 변위를 유지시키는 것이 매우 중요하다.
- 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법의 현장적용에 앞서 그 안정성을 검증하기 위해 3D 수치해석을 수행하였다. 3D 수치해석에 사용된 프로그램은 MIDAS-GTS Ver.
- 다양한 가압백을 사용하여 시험한 결과 가압백이 손상되지 않으면서 가압백으로 부터 물만 빠져나가는 가압백 재질 및 봉제방식을 결정하였다. 또한 인텔리전트 그라우팅 시스템을 사용하여 90kPa의 일정한 압력으로 가압 그라우팅에 성공하였으며, 이때 상부 플레이트가 9mm 상승하여 Fig.
- 공법의 적용에 있어서 가압백 그라우팅시 가압백으로부터 시멘트 입자는 유출되지 않고 물만 빠져나감으로써 지반에 압력을 가하여 굴착 중 발생한 지반 변위를 회복시키고 그라우팅 종료 후에도 회복된 변위를 유지시키는 것이 매우 중요하다. 따라서 강지보재(H-Beam) 외부 플레이트와 지반을 모사한 시험장치, 가압백, 인텔리전트 그라우팅 시스템을 사용하여 그 안정성을 검증하였다.
- 9(a)와 같이 굴착 후 지보재(강지보, 가압백, 숏크리트 등)를 설치하기 직전에 일시적으로 무지보 구간이 발생한다. 따라서 이러한 무지보 구간의 안정성을 검증하기 위해 Mock-up 테스트를 수행하였다. 시험을 위해 적용 현장의 조건과 동일한 포장, 지반 및 지보재(강관, 강지보재)를 모사하여 콘크리트 시험체를 제작하였으며, 이 시험체를 대상으로 다양한 하중조건(교통하중, 사하중)으로 재하시험을 실시하였다.
- 시험 방법은 상･하부 플레이트 사이에 가압백을 삽입한 후 인텔리전트 그라우팅 시스템을 사용하여 일정한 압력으로 그라우팅을 수행하면서 상부 플레이트의 상방향 변위를 측정하여 반력을 산정하였다. 또한 그라우팅 종료 후에도 상부 플레이트의 변위를 모니터링 하여 가압백 그라우팅으로 발생한 상방향 변위 및 압력의 유지 여부를 확인하였다.
- 그라우팅 종료 후에도 상향으로 발생한 변위 및 압력이 유지되는 것을 확인하여 가압백 그라우팅의 효과를 검증하였다. 또한 모델시험에서 결정된 가압백의 재질 및 형식을 바탕으로 Fig. 8과 같이 실규모 가압백 그라우팅 현장시험을 실시하여 그 효과를 검증하였다.
- 5를 적용하였다. 또한 상부에는 15.0kN/m2의 교통하중이 상재하중(등분포 하중)으로 작용하는 것으로 모델링하였으며 1회 굴진장은 100cm를 적용하였다. 3D 수치해석에 사용된 요소망은 Fig.
- 본 연구에서는 기존 비개착 공법의 문제점을 개선할 수 있는 새로운 개념의 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법 개발하였으며 그 이론적 원리에 대한 연구를 수행하였다. 또한 수치해석과 모델시험을 거쳐 실제 현장에 적용하였으며 이를 통해 개발공법의 변위제어 효과를 확인하였다. 본 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 논문에서는 새롭게 개발한 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법을 소개하고 그 이론적 배경을 서술하였다. 또한 수치해석과 모델시험을 수행하여 개발한 공법의 현장적용성에 대해 평가하였으며 실제 현장적용 결과를 바탕으로 그 효과를 검증하였다.
- 본 연구에서 개발한 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법은 굴착과 가압식 지보 설치의 연속적인 과정을 통해 시공된다. 이때 터널 주위의 응력상태는 굴착과정에서 터널 주위로 σr(반경방향응력)< σθ(접선방향응력)의 응력상태(주동 응력조건으로 정의)의 소성영역이 발생하게 되고 이후 가압식 지보를 설치하면 터널 주위로 반경 방향응력(σr)은 증가하고 반대로 접선방향응력(σθ)은 감소해 σr > σθ의 응력상태(수동 응력조건으로 정의)에 도달하게 된다.
- 시험 방법은 상･하부 플레이트 사이에 가압백을 삽입한 후 인텔리전트 그라우팅 시스템을 사용하여 일정한 압력으로 그라우팅을 수행하면서 상부 플레이트의 상방향 변위를 측정하여 반력을 산정하였다. 또한 그라우팅 종료 후에도 상부 플레이트의 변위를 모니터링 하여 가압백 그라우팅으로 발생한 상방향 변위 및 압력의 유지 여부를 확인하였다.
- 시험 장비는 Fig. 7과 같이 상･하부 플레이트와 28개의 스프링으로 구성되어 있으며 상부 플레이트에 설치된 스프링의 강성으로 인해 상방향 변위 발생시 지반반력이 작용하는 원리로 강재 플레이트와 지반을 모사하였다.
- 따라서 이러한 무지보 구간의 안정성을 검증하기 위해 Mock-up 테스트를 수행하였다. 시험을 위해 적용 현장의 조건과 동일한 포장, 지반 및 지보재(강관, 강지보재)를 모사하여 콘크리트 시험체를 제작하였으며, 이 시험체를 대상으로 다양한 하중조건(교통하중, 사하중)으로 재하시험을 실시하였다.
- 제작한 시험체를 대상으로 정재하 및 동재하 시험을 실시하였다. 정재하 시험은 각 시험별과 최대하중 50～200kN로 단계별 하중재하를 실시하면서 변위를 측정하였으며, 동재하 시험은 각 시험별로 최대하중 10～100kN(고속도로 과적기준(윤하중 50kN)의 2배), cycle time, 재하시간 0.08초(과적 트럭이 100km/h의 속도로 시험체 구간을 통과하는 경우)의 조건으로 하중을 재하하면서 변위를 측정하였다. 동재하 시험의 재하 조건은 Fig.
- 제작한 시험체를 대상으로 정재하 및 동재하 시험을 실시하였다. 정재하 시험은 각 시험별과 최대하중 50～200kN로 단계별 하중재하를 실시하면서 변위를 측정하였으며, 동재하 시험은 각 시험별로 최대하중 10～100kN(고속도로 과적기준(윤하중 50kN)의 2배), cycle time, 재하시간 0.
대상 데이터
- 시험체는 2200×1705×800(너비×폭×높이) 크기로 현장 조건과 동일하게 콘크리트 포장 300mm, 버림 콘크리트 150mm, 쇄석 350mm 두께로 제작하였으며, 강관(φ114 mm)을 500mm 간격으로 배치하였다.
- 해석 모델링시 지보재는 강관(Φ=114mm, 500mm 간격), 강지보(300×300×10×15mm), 숏크리트(두께 50mm), 내부 라이닝으로 모델링하였으며, 토압계수는 0.5를 적용하였다.
이론/모형
- 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법의 현장적용에 앞서 그 안정성을 검증하기 위해 3D 수치해석을 수행하였다. 3D 수치해석에 사용된 프로그램은 MIDAS-GTS Ver. 3.00이며, 적용모델은 Mohr-Coulomb model을 사용하였다. 해석 모델링시 지보재는 강관(Φ=114mm, 500mm 간격), 강지보(300×300×10×15mm), 숏크리트(두께 50mm), 내부 라이닝으로 모델링하였으며, 토압계수는 0.
성능/효과
- (2) 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법의 핵심원리를 지반반응곡선과 지보재 특성곡선을 통해 증명하였으며 가압식 지보시스템 적용 시 막장 전방에서 미리 지보재를 설치하는 선지보 효과를 발휘할 수 있음을 증명하였다.
- (3) 3D 수치해석을 수행하여 가압식 지보를 이용한 비개착 터널 공법의 변위제어 효과를 확인하였으며, 지보재의 안정성을 확인함으로써 공법의 타당성을 검증하였다.
- (5) 광교택지개발 부지조성현장 적용을 통해 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법의 변위제어 효과 및 공기단축 효과를 확인하였다.
- 19(b)와 같이 기존 비개착 터널공법의 적용 구간에는 굴착시 지반침하 및 그라우팅 압력제어 실패로 인한 지반융기로 인해 상부 도로에 약 30cm 가량의 단차가 발생하였지만, 가압식 지보를 이용한 비개착 터널 공법 적용 구간의 상부 도로는 Fig. 19(a)와 같이 지반 침하 및 히빙 현상이 전혀 발생하지 않는 것으로 나타나 본 연구에서 개발한 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법의 변위제어 효과를 잘 보여주고 있다.
- 또한 Fig. 18(a)의 지반변위 계측결과와 같이 굴착기간 중 발생한 최대 지반침하는 약 10mm인 반면 굴착 종료 시점에서 최종 침하량은 약 1.8mm로 나타나 가압지보로 인해 굴착 중 발생한 지반침하를 회복시키는 효과를 확인할 수 있었다. 동일 현장의 인접구간에서 시공한 기존 비개착 터널공법과 비교해 보면 Fig.
- 동일 현장의 인접구간에서 시공한 기존 비개착 터널공법과 비교해 보면 Fig. 18(b)와 같이 굴착 중 최대 침하량은 약 49.7mm, 굴착 종료 후 최종 변위는 약 35mm로 상대적으로 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법의 지반변위 억제효과를 명확하게 확인할 수 있었다.
- 3D 수치해석 결과 시공단계별 최대 지반변위는 천단 침하 2.15mm, 측벽변위 0.88mm로 나타났다(Fig. 6, Table 3 참조). 또한 강지보재에 작용하는 최대 휨압축응력은 1,293kPa, 숏크리트에 작용하는 최대 휨압축응력은 199kPa로 나타나 지보재에 작용하는 응력은 모두 허용치 이내로 안전한 것으로 나타났다.
- 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법의 공사기간은 2010년 8월～2012년 4월로 약 13.5개월 만에 85m 구간의 시공을 완료하여 동일 현장의 인접구간에서 시공한 기존 비개착 공법(공사기간 약 24개월)에 비해 약 35% 공기 단축 효과(단면크기 및 굴착거리 고려)를 확인하였을 뿐만 아니라 기존공법 대비 강재사용량을 약 76% 감소시킨 것으로 나타나 공사비 절감 효과도 확인하였다.
- 0kN의 반력이 작용하는 것을 확인하였다. 그라우팅 종료 후에도 상향으로 발생한 변위 및 압력이 유지되는 것을 확인하여 가압백 그라우팅의 효과를 검증하였다. 또한 모델시험에서 결정된 가압백의 재질 및 형식을 바탕으로 Fig.
- 따라서 3D 수치해석을 통해 지반변위와 지보재 응력을 검토한 결과 본 연구에서 개발한 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법은 그 안정성을 충분히 확보할 것으로 판단된다.
- 6, Table 3 참조). 또한 강지보재에 작용하는 최대 휨압축응력은 1,293kPa, 숏크리트에 작용하는 최대 휨압축응력은 199kPa로 나타나 지보재에 작용하는 응력은 모두 허용치 이내로 안전한 것으로 나타났다.
- 즉, 본 연구에서 개발한 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법은 가압방식의 주동적 개념을 적용함으로써 상대적으로 슬림한 구조물로도 지반변위를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한 기존의 비개착 터널공법 시공시 대형강관 추진에 반력벽이 필수적인 반면, 본 연구에서 개발한 공법은 이러한 반력벽이 필요없고 대형 강관을 압입하지 않으므로 공사기간을 획기적으로 단축할 수 있으며, 기존 공법으로 적용이 어려운 초저토피 구간 및 곡선부 시공도 가능한 장점을 가지고 있다.
- 다양한 가압백을 사용하여 시험한 결과 가압백이 손상되지 않으면서 가압백으로 부터 물만 빠져나가는 가압백 재질 및 봉제방식을 결정하였다. 또한 인텔리전트 그라우팅 시스템을 사용하여 90kPa의 일정한 압력으로 가압 그라우팅에 성공하였으며, 이때 상부 플레이트가 9mm 상승하여 Fig. 7(c)의 스프링 강성으로 부터 58.0kN의 반력이 작용하는 것을 확인하였다. 그라우팅 종료 후에도 상향으로 발생한 변위 및 압력이 유지되는 것을 확인하여 가압백 그라우팅의 효과를 검증하였다.
- 13, Table 4와 같다. 정재하 시험결과 최대 하중 200kN으로 재하시 최대 변위는 3.1 mm로 나타났으며, 동재하 시험결과 최대 하중 100kN로 재하시 최대변위가 2.0mm에 불과한 것으로 나타나 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법의 안정성을 확인하였다.
- 즉, 본 연구에서 개발한 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법은 가압방식의 주동적 개념을 적용함으로써 상대적으로 슬림한 구조물로도 지반변위를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한 기존의 비개착 터널공법 시공시 대형강관 추진에 반력벽이 필수적인 반면, 본 연구에서 개발한 공법은 이러한 반력벽이 필요없고 대형 강관을 압입하지 않으므로 공사기간을 획기적으로 단축할 수 있으며, 기존 공법으로 적용이 어려운 초저토피 구간 및 곡선부 시공도 가능한 장점을 가지고 있다.
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