본 연구에서는 Terzaghi 수정표, Terzaghi 이론식과 본 논문에서 제안하고자 하는 지반-라이닝 상호 작용(Groundining Interaction) 모델을 적용하여 다양한 암반등급, 토피고 및 측압계수($K_0$)의 변화에 따라 콘크리트 라이닝에 작용하는 이완하중의 영향을 비교분석 하였다. 본 연구 결과, Terzaghi 수정표는 토피고와 측압계수의 영향을 반영할 수 없었으며 Terzaghi 이론식은 토피고와 측압계수의 영향은 적으며 연암 및 토사지반에서만 적용이 가능하였다. 지반-라이닝 상호작용(G.L.I) 모델은 다양한 암반등급에서 적용 가능할 수 있었으며 토피고와 측압계수의 영향까지도 고려할 수 있었다. 특히, G.L.I 모델은 Terzaghi 방법에 비해 풍화토 지반에서 최대 약 30% 정도의 이완하중 감소효과가 있었으며, 특히 40m이하 저토피와 측압계수 1.0이상일 경우 효과가 높았다.
본 연구에서는 Terzaghi 수정표, Terzaghi 이론식과 본 논문에서 제안하고자 하는 지반-라이닝 상호 작용(Groundining Interaction) 모델을 적용하여 다양한 암반등급, 토피고 및 측압계수($K_0$)의 변화에 따라 콘크리트 라이닝에 작용하는 이완하중의 영향을 비교분석 하였다. 본 연구 결과, Terzaghi 수정표는 토피고와 측압계수의 영향을 반영할 수 없었으며 Terzaghi 이론식은 토피고와 측압계수의 영향은 적으며 연암 및 토사지반에서만 적용이 가능하였다. 지반-라이닝 상호작용(G.L.I) 모델은 다양한 암반등급에서 적용 가능할 수 있었으며 토피고와 측압계수의 영향까지도 고려할 수 있었다. 특히, G.L.I 모델은 Terzaghi 방법에 비해 풍화토 지반에서 최대 약 30% 정도의 이완하중 감소효과가 있었으며, 특히 40m이하 저토피와 측압계수 1.0이상일 경우 효과가 높았다.
In this study, the tunnel loads acting on the concrete lining are analyzed by comparing three methods - Terzaghi table, Terzaghi formula and Ground-Lining Interaction (G.L.I) model. The tunnel loads are analyzed by FLAC 2D. And the G.L.I model is analyzed under various rock mass ratings, tunnel dept...
In this study, the tunnel loads acting on the concrete lining are analyzed by comparing three methods - Terzaghi table, Terzaghi formula and Ground-Lining Interaction (G.L.I) model. The tunnel loads are analyzed by FLAC 2D. And the G.L.I model is analyzed under various rock mass ratings, tunnel depths (20~80m) and in-situ stress ratios ($K_0$=0.5~2.0). Terzaghi's method can be applied only to weathered rocks and soils, and cannot reflect the effect of various tunnel depths and in-situ stress ratio. The proposed G.L.I model can not only be applied to various ground conditions, but also relieves the tunnel loads by up to 30%.
In this study, the tunnel loads acting on the concrete lining are analyzed by comparing three methods - Terzaghi table, Terzaghi formula and Ground-Lining Interaction (G.L.I) model. The tunnel loads are analyzed by FLAC 2D. And the G.L.I model is analyzed under various rock mass ratings, tunnel depths (20~80m) and in-situ stress ratios ($K_0$=0.5~2.0). Terzaghi's method can be applied only to weathered rocks and soils, and cannot reflect the effect of various tunnel depths and in-situ stress ratio. The proposed G.L.I model can not only be applied to various ground conditions, but also relieves the tunnel loads by up to 30%.
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문제 정의
실제로 지반-라이닝 간 인터페이스가 존재하지만, 본 연구에서는 좀 더 안전측인 해석으로 지반-라이닝 간 인터페이스를 고려하지 않았으며, 이때의 하중이 지반-라이닝 간 인터페이스를 고려한 이완하중보다 좀 더 크게 산정되어 보수적인 설계를 유도하였다. 본 논문에서는 다양한 암반 등급, 토피고 및 측압계수의 변화에 따라 Terzaghi 수정표, Terzaghi 이론식과 G.L.I 모델을 통하여 터널이완하중을 산정하고 이를 비교 분석하고자 한다.
가설 설정
I 모델의 이론적 특징을 보여주기 위해 원형공동 예제에 대한 Kirsch의 응력해와 변위해 및 Mohr-Coulomb 파괴기준을 적용한 결과 얻어진 지반반응곡선은 Figure 3과 같다. 계산 과정상 1차 라이닝은 굴착과 동시에 설치되고 2차 라이닝은 1차 라이닝과 지반의 평형이 이루어진 후 즉, 공사 중 변위수렴 후에 설치되는 것으로 가정하였다.
제안 방법
따라서, 본 절에서는 토피고 40m에서 측압계수(K0=0.5∼2.0)의 변화에 따라 다양한 암반조건에서 비교분석하였다.
본 유한차분해석에서는 지반을 탄소성(Mohr-Coulomb)모델로, 그리고 지보재를 탄성(Linear-Elastic)모델로 적용하였다. 라이닝은 빔(beam) 요소, 락볼트는 케이블(cable) 요소를 적용하였으며, 사용된 재료정수는 Table 2와 같다.
본 연구에서는 Terzaghi 수정표, Terzaghi 이론식과 지반-라이닝 상호작용(Ground-Lining Interaction) 모델을 적용하여 암반등급(1∼5등급, 풍화암, 풍화토), 토피고(20∼80m) 및 측압계수(K0=0.5∼2.0)의 영향에 따른 터널이완하중을 비교분석하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 장에서는 암반등급, 토피고 및 측압계수의 영향에 의한 터널이완하중을 비교분석 하였다. 산정방법은 각각 Terzaghi의 수정표, Terzaghi의 이론식과 지반-라이닝 상호작용(G.
터널은 다양한 암반조건에서 뿐만 아니라, 설계요건에 따라 다양한 심도에서도 굴착이 된다. 본 절에서는 도심지 같이 토피가 얕은 심도(20m)부터 산악구간 같이 토피가 깊은 심도(80m)까지 다양한 토피고의 변화에 따라 이완하중을 비교분석하였다.
이때의 2차 라이닝은 터널 지지를 위한 하중을 지반과 분담하고 지반의 추가 변형에 의해 터널의 주변지반은 새로운 응력 재분배 상태에 이르게 된다(장석부 등, 2006). 실제로 지반-라이닝 간 인터페이스가 존재하지만, 본 연구에서는 좀 더 안전측인 해석으로 지반-라이닝 간 인터페이스를 고려하지 않았으며, 이때의 하중이 지반-라이닝 간 인터페이스를 고려한 이완하중보다 좀 더 크게 산정되어 보수적인 설계를 유도하였다. 본 논문에서는 다양한 암반 등급, 토피고 및 측압계수의 변화에 따라 Terzaghi 수정표, Terzaghi 이론식과 G.
0으로 고정된 조건에서 터널이완하중 및 이완하중고를 비교분석하여 Table 5와 같은 결과를 얻었다. 여기서, 이완하중고는 산정된 터널이완하중에서 지반의 단위중량을 나누어 역산하였다.
이때 지보재와 보강지반의 지지력이 상실된 조건을 가정하여 숏크리트와 락볼트 요소를 제거하고 천단부 보강지반의 물성을 원지반 수준으로 복원하여 수치해석을 수행하였다. 그 결과, Figure 2의 우측에서와 같이 소성범위가 지표까지 확장되며 수치해석적으로 수렴이 되지 않는 결과를 나타내었다.
지반-라이닝 상호작용으로 인한 터널이완하중 발생을 위하여, 터널 해석기법 중에서 특히 시공단계를 모사하도록 하였으며, 모든 조건을 현장에서 수행하는 NATM 터널 시공절차와 동일하게 하였다. 표준지보패턴은 수도권 고속철도 표준지보 패턴(PD-1∼6)을 적용하였으며, 1차 지보재 열화로 인한 과정과 이로 인한 지보재 제거에 중점을 두었다.
6H를 두었으며 총 절점수는 6,825개이다. 지반과 터널 부근에는 두 재료간의 큰 강성 차이 및 터널이완하중으로 인한 소성 변형이 예상되므로 조밀한 메쉬를 사용하였고, 터널로부터 거리가 멀어질수록 메쉬의 밀도를 감소시켰다.
지반물성은 그간 국내 터널공사시 조사된 자료를 분석하여 가장 일반적인 암반 물성치를 선정하였으며, 이를 바탕으로 1등급 암반부터 풍화토까지 Table 3과 같이 분류하였으며 각각 단일 지반으로 해석을 수행하였다. 단면은 수도권 고속철도 단면(폭 13.
대상 데이터
단면은 수도권 고속철도 단면(폭 13.54m, 높이 10.16m)을 적용하였으며 토피고는 20∼80m, 측압계수(K0)는 0.5∼2.0 사이의 변화를 주었다.
이론/모형
모델을 적용하였다. 본 유한차분해석에서는 지반을 탄소성(Mohr-Coulomb)모델로, 그리고 지보재를 탄성(Linear-Elastic)모델로 적용하였다. 라이닝은 빔(beam) 요소, 락볼트는 케이블(cable) 요소를 적용하였으며, 사용된 재료정수는 Table 2와 같다.
산정방법은 각각 Terzaghi의 수정표, Terzaghi의 이론식과 지반-라이닝 상호작용(G.L.I) 모델을 이용하여 산정하였으며, 특히 G.L.I 모델에서 산정된 값들은 Figure 6과 같이 17∼29번 노드 사이의 터널 천단부 값들을 평균하여 산정하였다.
상용프로그램인 FLAC에 의한 2차원 유한차분해석에 의해 G.L.I. 모델을 적용하였다. 본 유한차분해석에서는 지반을 탄소성(Mohr-Coulomb)모델로, 그리고 지보재를 탄성(Linear-Elastic)모델로 적용하였다.
절리상태 등에 따라 9등급으로 구분하나 너무 개괄적이어서 암질의 객관적인 평가가 어려운 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해 Deere 등(1970)과 Rose(1982)가 RMR을 이용하여 수정된 Terzaghi 암반분류 제시하였으며 Table 1과 같이 적용하였다.
표준지보패턴은 수도권 고속철도 표준지보 패턴(PD-1∼6)을 적용하였으며, 1차 지보재 열화로 인한 과정과 이로 인한 지보재 제거에 중점을 두었다.
성능/효과
(1) Terzaghi 수정표는 경암 및 보통암에서 이완하중을 다소 과대평가하는 경향이 있으며, Terzaghi 이론식은 연암 및 토사지반에서만 적용할 수 있었다. 지반-라이닝 상호작용(G.
(2) Terzaghi 수정표는 토피고의 변화에 따른 이완하중 영향을 고려할 수 없었으며, Terzaghi 이론식과 G.L.I 모델은 토피고가 증가할수록 연암 및 토사지반에서 Terzaghi 수정표의 결과와 거의 유사하였다. 따라서, 40m이하의 얕은 심도에서 G.
(3) Terzaghi 수정표는 측압계수의 영향을 고려할 수 없었으며 Terzaghi 이론식과 G.L.I 모델은 측압계수가 0.5일 경우 연암 및 토사지반에서 Terzaghi 수정표의 결과와 유사하였다. 즉, 측압계수 1.
Figure 11에서 각각의 방법별로 도식해 본 결과, Terzaghi 수정표는 측압계수의 영향을 고려할 수가 없었으며, Terzaghi 이론식은 연암 및 토사지반의 경우에만 적용 가능하였다. G.L.I 모델은 모든 암반등급에서 적용이 가능할 뿐만 아니라 측압계수가 감소할 경우 Terzaghi 수정표와 거의 일치함을 알 수 있었다.
I 모델은 토피고가 증가할수록 연암 및 토사지반에서 Terzaghi 수정표의 결과와 거의 유사하였다. 따라서, 40m이하의 얕은 심도에서 G.L.I 모델 적용 시 보다 효과적인 이완하중이 산정됨을 알 수 있었다.
이로부터 통상적으로 사용되는 터널 수치해석 기법으로 지보재와 보강지반의 지지력 상실에 의한 지반거동을 모사할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이 때, 2차 라이닝이 설치되어 있다면 지반변형은 2차 라이닝에 의하여 억제되기 때문에 지보재와 보강지반이 상실한 지지력은 2차 라이닝에 하중으로 전이된다.
(1) Terzaghi 수정표는 경암 및 보통암에서 이완하중을 다소 과대평가하는 경향이 있으며, Terzaghi 이론식은 연암 및 토사지반에서만 적용할 수 있었다. 지반-라이닝 상호작용(G.L.I) 모델은 다양한 암반등급에서 적용가능하며 연암 및 풍화토 지반에서 천장부 기준 최대 약 30% 정도의 이완하중 감소효과가 있음을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트 라이닝 설계개념은 어떻게 분류되는가?
NATM 터널에서 콘크리트 라이닝에 작용하는 하중의 산정은 터널 라이닝 설계의 주요한 요소 중의 하나이다. 일반적으로 콘크리트 라이닝 설계개념은 역학적 기능을 부가시키는 개념과 역학적 기능을 부가시키지 않는 개념으로 분류되며, 국내에서는 터널완공 후 락볼트 및 숏크리트의 알칼리 골재반응 등으로 인한 1차 지보재의 열화 등에 의한 주지보재를 임시구조물로 고려하여 콘크리트 라이닝에 역학적인 기능을 부가하여 설계한다. 그러나 역학적 기능을 부가하여 설계 시 콘크리트 라이닝에 작용하는 외력인 터널이완하중에 대한 규명이 명확히 이루어지지 않으므로 전 토피 하중이나 재래식 터널공법(ASSM)의 이완하중 산정방법인 Terzaghi의 수정이완하중 등 과다한 이완하중이 적용된다(박정진 등, 2011).
콘크리트 라이닝이 원칙적으로 지반하중이 작용하지 않는 이유는?
콘크리트 라이닝은 일반적으로 터널변위가 수렴된 상태에서 타설되기 때문에 원칙적으로는 지반하중이 작용하지 않는다(한국터널공학회, 2009). 하지만 지반이 연약하거나 숏크리트의 부식 발생 등 1차 지보재가 그 능력을 상실할 경우, 변위가 수렴되지 않는 상태에서 라이닝을 타설 할 경우에는 추가로 발생되는 이완하중을 고려해야 한다.
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