NATM공법을 적용한 터널에서 숏크리트, 락볼트, 강지보재 등은 터널 굴착 후에 지반을 지지하기 위해 설치되는 주요한 지보재이다. 이전에는 H형강 지보재와 같은 강지보재가 많이 사용되었지만, 시공성이 떨어지는 등의 문제가 있어 격자지보재의 사용이 증가하였다. 본 연구에서는 기존의 격자지보재에서 스파이더와 강봉간의 접촉면적을 넓혀 강도가 증진된 신형 격자지보재를 개발하여 그 효과 및 성능을 검증하고자 LG-$50{\times}20{\times}30$, LG-$70{\times}20{\times}30$, LG-$95{\times}22{\times}32$ 세 가지 규격으로 3점 휨강도 실험과 4점 휨강도 실험을 실시하였다. 그 결과 기존의 격자지보재와 비교하여 신형의 격자지보재는 스파이더와 주강봉 접촉부에서는 평균 17.95%의 강도증진 효과가 있었고, 스파이더와 스파이더 사이에서는 평균 19.37%의 강도증진 효과가 있었으며 이는 스파이더와 주강봉 사이의 기계적 결합과 접촉면적 증가에 의한 격자지보재의 강성증가에 따른 결과로 사료된다.
NATM공법을 적용한 터널에서 숏크리트, 락볼트, 강지보재 등은 터널 굴착 후에 지반을 지지하기 위해 설치되는 주요한 지보재이다. 이전에는 H형강 지보재와 같은 강지보재가 많이 사용되었지만, 시공성이 떨어지는 등의 문제가 있어 격자지보재의 사용이 증가하였다. 본 연구에서는 기존의 격자지보재에서 스파이더와 강봉간의 접촉면적을 넓혀 강도가 증진된 신형 격자지보재를 개발하여 그 효과 및 성능을 검증하고자 LG-$50{\times}20{\times}30$, LG-$70{\times}20{\times}30$, LG-$95{\times}22{\times}32$ 세 가지 규격으로 3점 휨강도 실험과 4점 휨강도 실험을 실시하였다. 그 결과 기존의 격자지보재와 비교하여 신형의 격자지보재는 스파이더와 주강봉 접촉부에서는 평균 17.95%의 강도증진 효과가 있었고, 스파이더와 스파이더 사이에서는 평균 19.37%의 강도증진 효과가 있었으며 이는 스파이더와 주강봉 사이의 기계적 결합과 접촉면적 증가에 의한 격자지보재의 강성증가에 따른 결과로 사료된다.
Shotcrete, rockbolt, and steel rib are installed to support ground after tunnel was excavated. These are important supports for NATM applied tunnels. Recently, lattice girder is increasingly used because it is easily installed. In this study, we developed a new lattice girder by increasing contactin...
Shotcrete, rockbolt, and steel rib are installed to support ground after tunnel was excavated. These are important supports for NATM applied tunnels. Recently, lattice girder is increasingly used because it is easily installed. In this study, we developed a new lattice girder by increasing contacting area between spider and rod. To verify the effect of the new lattice girder, the 3-point and 4-point flexural strength tests were carried out for LG-$50{\times}20{\times}30$, LG-$70{\times}20{\times}30$, LG-$95{\times}22{\times}32$. As a result, in case of contacting area, strength of new SGS lattice girder is 17.95% higher than that of original lattice girder. In case of weakness point, strength of new SGS lattice girder is 19.37% higher than that of original lattice girder.
Shotcrete, rockbolt, and steel rib are installed to support ground after tunnel was excavated. These are important supports for NATM applied tunnels. Recently, lattice girder is increasingly used because it is easily installed. In this study, we developed a new lattice girder by increasing contacting area between spider and rod. To verify the effect of the new lattice girder, the 3-point and 4-point flexural strength tests were carried out for LG-$50{\times}20{\times}30$, LG-$70{\times}20{\times}30$, LG-$95{\times}22{\times}32$. As a result, in case of contacting area, strength of new SGS lattice girder is 17.95% higher than that of original lattice girder. In case of weakness point, strength of new SGS lattice girder is 19.37% higher than that of original lattice girder.
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문제 정의
본 연구에서는 기존의 격자지보재의 휨강도 특성을 강화하기 위하여 접촉면적이 증가한 신형 격자지보재를 실험 대상으로 하였고 격자지보재의 공학적인 성능을 보다 객관적으로 판단하기 위하여 3점 휨강도 실험과 4점 휨강도 실험에서 하중재하위치에 따른 최대하중을 측정하였고 실험시 가해지는 하중에 따른 변위량을 측정하였다.
제안 방법
또한 하중재하 위치에 따른 격자지보재의 성능을 비교･평가하기 위하여 각각의 실험방법에 두 가지 하중재하위치를 이용하여 실험을 수행하였다. 그리고 각각의 실험방법에 따라 격자지보재의 각 부재에 작용하는 하중분포를 분석하기 위하여 각 부재에 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였다. 또한 신형 격자지보재의 실제 시공사례를 통하여 그 시공성 및 안정성을 판단하였다.
그리고 각각의 실험방법에 따라 격자지보재의 각 부재에 작용하는 하중분포를 분석하기 위하여 각 부재에 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였다. 또한 신형 격자지보재의 실제 시공사례를 통하여 그 시공성 및 안정성을 판단하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
0 mm/min으로 하였다. 또한 하중 재하 방식은 스파이더와 스파이더 사이(취약부)에 하중을 재하하고 스파이더와 주강봉 접촉부에도 하중을 재하하는 두 가지 방식으로 진행하였다.
본 연구에서는 격자지보재의 공학적인 성능을 보다 객관적으로 판단하기 위하여 국내 터널 현장에서 주로 사용되어지고 있는 격자지보재의 세 가지 타입인 LG-50×20×30, LG-70×20×30, 및 LG-95×22×32를 사용하여 3점 휨강도 실험과 4점 휨강도 실험을 수행하였다. 또한 하중재하 위치에 따른 격자지보재의 성능을 비교･평가하기 위하여 각각의 실험방법에 두 가지 하중재하위치를 이용하여 실험을 수행하였다. 그리고 각각의 실험방법에 따라 격자지보재의 각 부재에 작용하는 하중분포를 분석하기 위하여 각 부재에 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였다.
본 연구에서는 격자지보재의 공학적인 성능을 보다 객관적으로 판단하기 위하여 국내 터널 현장에서 주로 사용되어지고 있는 격자지보재의 세 가지 타입인 LG-50×20×30, LG-70×20×30, 및 LG-95×22×32를 사용하여 3점 휨강도 실험과 4점 휨강도 실험을 수행하였다.
대상 데이터
본 논문에서는 스파이더의 모양을 다음 Fig. 3과 같이 변형하여 스파이더와 강봉간 접촉면적을 향상시켜 그 효과를 살펴보기 위하여 기존의 격자지보재로 LG-50×20×30, LG-70×20×30, LG-95×22×32의 세 시편을 사용하였고, 신형 격자지보재로는 SGS LG-50×20×30, SGS LG-70×20×30, SGS LG-95×22×32를 사용하였으며 여기서 SGS는 Super Great Spider의 약자로 스파이더의 성능을 향상한 신형 격자지보재를 의미한다.
9～11은 SGS LG-50×20×30, SGS LG-70×20×30 및 SGS LG-95×22×32에서 수행된 3점 휨강도 실험결과를 보여주고 있다. 여기서 사용된 격자지보재의 스파이더 직경은 10mm이다. Fig.
이론/모형
본 연구에서는 (Kim 등, 2008a)에서 제시된 바와 같이 변위제어방식을 채택하였으며 변위제어속도는 2.0 mm/min으로 하였다. 또한 하중 재하 방식은 스파이더와 스파이더 사이(취약부)에 하중을 재하하고 스파이더와 주강봉 접촉부에도 하중을 재하하는 두 가지 방식으로 진행하였다.
성능/효과
(1) 기존의 격자지보재(LG-50×20×30, LG-70×20×30, LG95×22×32)를 이용하여 3점 휨강도 실험에 적용한 결과, 스파이더와 스파이더 사이에 하중을 재하하였을 때는 최대하중이 47071.92N, 44620.26N, 44704.82N 으로 나타났다.
(2) 신형 격자지보재(SGS LG-50×20×30, SGS LG-70×20×30, SGS LG-95×22×32)를 이용하여 3점 휨강도 실험에 적용한 결과 스파이더와 스파이더 사이에 하중을 재하하였을 때는 최대하중이 56290.17N, 56584.37N, 50700.38N으로 나타났다.
(3) 기존의 격자지보재(LG-50×20×30, LG-70×20×30, LG95×22×32)를 이용하여 4점 휨강도 실험에 적용한 결과, 스파이더와 주강봉 접촉부에 하중을 재하하였을때 최대하중이 67862.02N, 64625.82N, 77570.60N으로 나타났다.
(4) 하중재하 위치별 신형 격자지보재(SGS LG-50×20×30, SGS LG-70×20×30, SGS LG-95×22×32)의 강도 증진 효과를 살펴보면, 3점 휨강도 실험결과 스파이더와 주강봉 접촉부에 하중을 가하였을 경우 21.83%, 15.21%, 27.96%의 강도증진 효과가 있었고, 하중을 스파이더와 스파이더 사이에 가하였을 경우에는 19.58%, 26.81%, 13.41%의 강도증진 효과가 있었다.
(5) 신형 격자지보재는 기존 격자지보재의 무게와 단면 형상을 유지한 채 강봉과 스파이더 간의 기계적 체결과 접촉면적을 넓혀 격자지보재의 강성을 높임으로써 용접부의 탈락으로 인한 국부파괴 가능성에 대한 안정성 및 시공성, 경제성을 확보하였는바 국내 터널시공 시 활용이 가능할 것으로 판단된다.
41%의 강도증진 효과가 있었다. 4점 휨강도 실험 결과 스파이더와 주강봉 접촉부에 하중을 재하하였을 때 기존의 격자지보재에 비하여 18.21%, 28.53%, 4.42% 강도가 더 높게 측정이 되었다.
97%의 강도증진 효과가 있었다. Table 8에서 기존 격자지보재와 신형 격자지보재의 4점 휨강도 실험결과를 비교한 결과, 신형의 격자지보재가 기존의 격자지보재에 비하여 18.21%, 28.53%, 4.42%의 강도증진 효과가 있었다.
스파이더와 강봉간의 접촉면적을 1400m2～1600m2에서 2200m2～2400m2으로 향상시켜 Table 7과 같이 기존의 격자지보재의 성능과 신형 격자지보재의 3점 휨강도 실험결과를 비교한 결과, 신형의 격자지보재가 기존의 격자지보재에 비하여 스파이더와 주강봉 접촉부에 재하한 경우 20.56%, 13.57%, 19.73%의 강도증진 효과가 있었고, 스파이더와 스파이더 사이에 재하한 경우 18.33%, 26.81%, 12.97%의 강도증진 효과가 있었다. Table 8에서 기존 격자지보재와 신형 격자지보재의 4점 휨강도 실험결과를 비교한 결과, 신형의 격자지보재가 기존의 격자지보재에 비하여 18.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
NATM 터널에서 터널 굴착 후 설치되는 주요한 지보재는 무엇인가?
국내에서 터널에 적용되는 NATM공법은 서울지하철 3호선 및 4호선 건설당시 국내에 처음으로 소개된 후 현재 발파굴착 공법의 표준으로 자리잡고 있다. NATM 터널에서 숏크리트, 록볼트, 강지보재 등은 터널 굴착 후 설치되는 주요한 지보재이며 이 중에서 H형강 지보재와 같은 강지보재는 무지보 지반의 직접적인 보강, 숏크리트 라이닝의 하중분산을 위한 보강, 숏크리트 또는 록볼트의 지보기능이 충분히 발휘될 때까지 일시적인 지압지지와 터널단면의 형상을 유지하고, 또한 포아폴링 설치를 용이하게 하기 위한 지점의 역할 등의 목적으로 사용되고 있다(Moon, 1999). NATM 도입초기에는 강지보재로 단면성능이 우수하고 조합과 접합이 용이한 H형강을 사용하였으나, H형강은 자체중량이 무거워 시공성이 떨어지고, 후속되는 지보재의 시공에도 영향을 주어 종종 공기지연을 발생시키기도 하였다.
시공성 향상 및 굴착지반과 지보재의 완전 밀착을 위해 국내에서는 어떠한 노력을 하고 있는가?
(Baumann 등, 1984)에 따르면 유럽에서는 80년대부터 시공성 향상 및 굴착지반과 지보재의 완전 밀착을 위해 격자지보(Lattice girder)를 개발하여 사용하고 있으며 특히 지하수위가 높은 지하철 현장의 숏크리트 타설시 등에 사용되고 있다(Weber, 1983). 국내에서는 90년대 초부터 격자지보재의 국내실정 적합성 연구를 수행한 후 현재는 터널갱구부, 저토피구간 및 연약지반을 제외한 모든 지반조건에서 격자지보재를 강지보재로 사용하고 있다. 현재 사용되어지고 있는 격자지보재는 주로 LG-50×20×30, LG-70×20×30, LG-90×22×32 세 가지 타입을 사용하고 있다(K.
NATM공법은 언제 국내에 처음 소개되었는가?
국내에서 터널에 적용되는 NATM공법은 서울지하철 3호선 및 4호선 건설당시 국내에 처음으로 소개된 후 현재 발파굴착 공법의 표준으로 자리잡고 있다. NATM 터널에서 숏크리트, 록볼트, 강지보재 등은 터널 굴착 후 설치되는 주요한 지보재이며 이 중에서 H형강 지보재와 같은 강지보재는 무지보 지반의 직접적인 보강, 숏크리트 라이닝의 하중분산을 위한 보강, 숏크리트 또는 록볼트의 지보기능이 충분히 발휘될 때까지 일시적인 지압지지와 터널단면의 형상을 유지하고, 또한 포아폴링 설치를 용이하게 하기 위한 지점의 역할 등의 목적으로 사용되고 있다(Moon, 1999).
참고문헌 (11)
김동규, 최윤호, 김동률 (2007), "레티스거더 성능평가를 위한 실내시험기법의 평가", Korean Geotechnical Society conference, pp.1113-1120.
Baumann, T. and Betzle M. (1984), "Investigation of the performance of lattice girders in tunnelling", Rock mechanics and Rock Engineering, Vol.17, pp.67-81.
Braun, W. M. (1983) "Lattice Girders Offer Economy and Performance for Tunnel Support", Tunnels & Tunnelling, Vol.15, No.5, pp.19-22.
Kim, D. G. and Bae, G. J. (2008a), "Development of a laboratory testing method for evaluating the loading capability of lattice girder", Journal of Korean Tunnelling Association, Vol.10, No.4, pp.371-382
Kim, D. G., Lee, S. H., and Choi, Y. N. (2008b), "Evaluatiion of Loading Capacity of Laattice Girder according to Laboratory Testing Method", Korean Geo-Environmental Conference, pp.399-406.
K.I.C.T. (1996), "Application of Lattice Girders in Tunnelling", 천원공업(주), pp.1-99.
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Moon, H. D. (1997), "Mechanical Characteristics and Applicability of a Lattice Girder for a Support in Tunnelling", Ph.. D. degree thesis, Kyounghee University, pp.35-52.
Moon, H. D. (1999), "Evaluation on the Applicability of a Lattice Girder for a Support System in Tunnelling", Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol.9, pp.204-213.
Weber, J. (1983) "Erfahrungen mit Druckluftvortrieben in Spritzbetonbauweise beim M/inchner U-Bahn-Bau", Vortrag auf der STUVA-Tagung Tunnel 1983.
Yang, H. S., Jeong, H. S., and Kim, W. B. (2005), "Numerical Analysis for the Structural Behavior of Lattice Girder", Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol.15, No.4, pp.243-249.
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