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저심도 터널의 천단침하 및 내공변위의 초기변위속도와 최종변위의 관계
Relations between Initial Displacement Rate and Final Displacement of Arch Settlement and Convergence of a Shallow Tunnel 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.23 no.2, 2013년, pp.110 - 119  

김치환 (우석대학교 토목공학과)

초록
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터널 시공 중 천단침하와 내공변위를 측정하는 것이 일반화되어 있다. 터널 시공 중 계측기를 설치한 후 첫 번째로 측정한 천단침하와 내공변위의 1일간 변위량을 각각 초기천단침하속도와 초기내공변위속도로 또 마지막으로 계측한 천단침하와 내공변위를 각각 최종천단침하와 최종내공변위로 정의하고 계측한 최종변위와 초기변위속도의 관계를 분석하였다. 이를 위한 분석용 자료는 서울지하철 906공구에서 터널 시공 중 계측한 것이다. 이 터널의 폭과 높이는 각각 약 11.5 m, 10 m이며 지표에서 터널천단까지의 깊이는 약 10-20 m의 저심도 터널이다. 또 터널이 시공된 지층은 풍화토 또는 풍화암으로 연약한 지반이다. 터널은 상하반으로 나누어 시공되었고 길이는 1,820 m이다. 이번 분석에 이용한 계측치는 터널 상하반 시공 중에 얻은 것으로 천단침하계측 결과가 184개, 내공변위계측 결과는 258개이다. 분석결과 풍화토의 터널에서 초기변위속도와 최종변위가 상대적으로 큰 경향이 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

It is generalized to measure the arch settlement and convergence during tunnel construction for monitoring its mechanical stability. The initial convergence rate a day is defined from the first convergence measurement and the final convergence defined as the convergence measured lastly. The initial ...

주제어

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제안 방법

  • 3(a)의 2번으로 표시된 코어부분이 제거되어야 측정용 테이프 익스텐소미터를 양쪽 측벽 계측핀 사이에 직선으로 걸 수 있었다. 굴진 후 버력을 처리하고 강지보와 숏크리트 등으로 보강작업을 하였다. 1회의 굴진 거리는 약 0.
  • 터널하반을 시공할 때는 천단침하와 상반 내공변위 계측점이 각각 76개이었고 터널하반을 시공하면서 터널하반부 측벽에 추가로 설치한 내공변위계는 76개이었다(대림산업주식 회사, 2006a, 2006b). 내공변위는 테이프 익스텐소미터로, 천단침하는 수준측량으로 계측하였다.
  • 분석은 터널상반과 하반 시공 중의 계측결과로 구분하였고 또 천단침하와 내공변위로 나누었다. 동일한 계측단면에 2조의 내공변위계를 터널상반과 하반 시공 중 각각 설치하였고 여기서 분석한 내공변위는 수평측선에서 계측한 것이다.
  • 분석은 터널상반과 하반 시공 중의 계측결과로 구분하였고 또 천단침하와 내공변위로 나누었다. 동일한 계측단면에 2조의 내공변위계를 터널상반과 하반 시공 중 각각 설치하였고 여기서 분석한 내공변위는 수평측선에서 계측한 것이다.
  • 분석을 위한 계측구간은 아파트 하부 통과구간과 백석길 구간 및 사유지빌딩 하부 통과구간의 3개 부분으로 나누었다. 즉 Fig.
  • h1>1. 서론

    서울지하철 906공구의 터널을 시공하면서 터널의 역학적 안정성을 확인하기 위하여 터널의 변형을 계측하였다. 터널을 시공할 때 사용하는 계측기기는 여러 가지가 있으나 천단침하계와 내공변위계는 설치하기 간편하고 신속하며 경제적이므로 터널계측에 필수적으로 사용하고 있다.

  • 여기서는 터널하반을 시공할 때 증가한 변위만을 분석하도록 한다. 즉 터널 시공을 완료하였을 때 발생한 변위 중 터널상반을 시공할 때 발생한 변위를 제외하고 터널하반을 시공할 때 발생한 변위의 특성을 분석하도록 한다. 한편 터널상반을 시공하면서 지반이 연약하고 토피가 얇기 때문에 터널상부 주변을 강관다단그라우팅으로 보강하였다.
  • 1은 서울지하철 906공구 터널의 노선을 보인 것으로 왼쪽에 있는 908정거장 부근의 곡선구간이 아파트구역이고 가운데 909정거장 부근의 곡선구간이 사유지빌딩 구역이다. 지상에 아파트나 빌딩이 있는 구역에서는 터널상반 시공 중에 천단침하와 내공변위를 약 4 m 간격으로 계측하였고 하반 시공 중에는 약 8 m 간격으로 계측하였다. 도로 하부 구간에서는 계측간격이 약 20 m이었다.
  • 터널 시공 중 계측한 천단침하와 내공변위를 이용하여 초기변위속도와 최종변위를 정의하고 이 둘 사이의 관계를 분석하였다.

대상 데이터

  • 본 지역의 지질은 선캠브리아기의 변성암류인 경기편마암 복합체, 중생대의 화성암류, 그리고 이들 기반암을 부정합으로 덮고 있는 제4기의 충적층으로 구성되어 있으나 최소한 3회 이상 변성작용으로 지층이 매우 복잡하다. 암상은 주로 편암, 호상편마암, 규암과 이를 관입한 소규모의 화성암류로 구성되며, 상부는 매립층과 충적층으로 피복되어 있다.
  • 연구대상 터널은 계측과 관련하여 이미 연구 보고한(Kim, 2005; 2010) 서울지하철 906공구 터널로 연장이 1,820 m에 2개의 정거장이 있고 지표에서 터널까지의 심도는 약 10-20 m 내외의 저심도로 충적층과 풍화토 및 풍화암층을 통과하고 있다. 이 터널은 아파트 하부를 통과하여 도로 하부를 지나 사유지빌딩 하부를 통과하고 상반과 하반으로 분할하여 시공되었다.

데이터처리

  • 초기변위속도와 최종변위의 관계를 정량적으로 파악하기 위하여 거듭제곱함수로 회귀분석하였으나 측정치의 분산이 커서 결정계수는 작았다. 터널상반 시공 중 108 지점의 천단침하에 대해 회귀분석한 결과 초기천단침하속도와 최종천단침하량의 관계를 나타내는 거듭제곱함수는 y = 20.

이론/모형

  • 연약한 지반에 시공되어 터널의 변형이 클 것으로 예상되는 이번 연구대상 터널에서도 막장전방의 변위와 천단침하 및 내공변위 등이 최소화 되도록 시공하였다. 이를 위하여 여러 가지 막장 전방 보강방법(Nam et al., 2002; Nam, 2002) 중 강관다단그라우팅공법을 적용하였다. 적용한 대표적인 강관다단그라우팅 보강도와 터널단면도는 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
터널의 천단침하와 내공 변위 계측결과로부터 최종변위를 예측한 여러 연구사례로는 무엇이 있는가? 터널의 천단침하와 내공 변위 계측결과로부터 최종변위를 예측한 여러 연구사례는 다음과 같다. 첫째는 계측한 내공변위와 천단침하를 지수함수, 로그함수, 분수함수를 이용하여 시간경과 혹은 막장과 계측점 사이의 거리변화에 따라 회귀분석(Kim, 1990)하였다. 또 계측한 내공변위를 지수함수로 회귀분석한 연구(Kim, 2010), 계측한 내공변위를 지수 함수와 분수함수로 회귀분석한 연구(Kim et al., 1993; Moon et al., 2001; Song et al., 2002), 계측한 내공변 위를 지수함수와 로그함수로 회귀분석한 연구(Kim, 2003), 수치해석으로 초기 계측치의 측정 시점이 최종변위에 미치는 영향을 분수함수로 검토한 연구(Kim et al., 2012), 3차원 내공변위 분석으로 터널 막장 전방의 파쇄대를 예측한 연구(Kim et al., 2003)가 있다. 통계적인 방법으로 초기의 변위속도와 최종변위의 관계를 거듭제곱 함수로 회귀분석한 연구(Kim, 1990), 계측한 내공변위를 최대변위속도의 관계식으로 또 첫 번째와 두 번째 계측 변위차를 초기변위속도로 정의하고 이를 내공변위와의 관계식으로 나타낸 연구(Kim, 2003)도 있다. 그외 내공변위 계측기기를 개선하기 위하여 계측핀 대신 광섬유 내공변위센서를 이용한 연구(심현진 등, 2007)와 수동계측을 개선한 내공변위 자동화 방법을 분석한 연구(Chung, 2005)가 있다.
천단침하계와 내공변위계를 터널계측에 필수적으로 사용하는 이유는 무엇인가? 서울지하철 906공구의 터널을 시공하면서 터널의 역학적 안정성을 확인하기 위하여 터널의 변형을 계측하였다. 터널을 시공할 때 사용하는 계측기기는 여러 가지가 있으나 천단침하계와 내공변위계는 설치하기 간편하고 신속하며 경제적이므로 터널계측에 필수적으로 사용하고 있다. 지하철 906공구에서도 천단침하계와 내공변위계를 기본 계측기기로 사용하여 터널 시공 중 발생하는 터널의 변형을 계측하였다.
터널이 완성된 후 발생할, 터널의 변형을 미리 예측하기 위한 방법으로는 무엇이 있는가? 터널이 완성되었을 때 발생할 터널의 변형을 미리 예측하기 위한 방법으로는 계측의 추세를 회귀분석한 후 외삽하는 방법과 여러 지점의 계측치를 모아 통계적인 처리를 하는 방법 등이 있다. 터널의 천단침하와 내공 변위 계측결과로부터 최종변위를 예측한 여러 연구사례는 다음과 같다.
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참고문헌 (18)

  1. 김상수 역, 1992, 도시터널의 NATM공법, 창우출판. 

  2. 대림산업주식회사, 2003a, 지하철 9호선 6공구 지질조사 보고서. 

  3. 대림산업주식회사, 2003b, 지하철 9호선 6공구 설계보고서. 

  4. 대림산업주식회사, 2006a, 지하철 9호선 6공구 계측분석 보고서 

  5. 대림산업주식회사, 2006b, 지상건물 하부통과 터널구간의 계측치 추세예측 및 역해석. 

  6. 심현진, 한일영, 김경태, 장기태, 2007, 분포형 광섬유센서를 이용한 터널 내공변위 측정에 관한 연구, 한국암반공학회 특별 심포지엄, pp. 174-187. 

  7. Chung So Keul, 2005, Convergence monitoring technologies fir traffic tunnels-state of the art. Tunnel & Underground Space, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol. 15, No. 1, pp. 1-8. 

  8. Kim Cheehwan, 1990, Stress analysis and deformation behaviour of rock around underground cavern by back analysis of field measurements. Ph.D Thesis, Seoul National University. 

  9. Kim Cheehwan, 2005, Stability analysis on the intersection area of subway tunnels by observational method. Tunnel & Underground Space, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol. 15, No. 1, pp. 71-79. 

  10. Kim Cheehwan, 2010, Forecasting final displacement with displacement function using deformation measurements while constructing a tunnel. Tunnel & Underground Space, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol. 20, No. 6, pp. 408-420. 

  11. Kim Ho Yeong, Park Eui Seob, 1993, Theory and analysis method of tunnel convergence. Tunnel & Underground Space, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol. 3, pp. 80-95. 

  12. Kim Jong Woo, 2003, Estimation of tunnel convergence using statistical analysis. Tunnel & Underground Space, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol. 13, No. 2, pp. 108-116 

  13. Kim Ki Sun, Kim Young Sub, You Kwang Ho, Park Yoen Jun, Lee Dae Hyuck, 2003, Prediction of change in ground condition ahead of tunnel face using threedimensional convergence analysis. Tunnel & Underground Space, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol. 13, No. 6, pp. 476-485. 

  14. Kim Kwang Yeom, Kim Ho Geun, Seo Young Seok, 2012, Influence of zero reading on predicting crown displacement of tunnel. Tunnel & Underground Space, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol. 22, No. 3, pp. 214-220. 

  15. Moon Seung Beak, Song Seoung Gon, Yang Hyung Sik, Jeon Yang Soo, Han Gong Chang, 2001, A numerical analysis study for the prediction of convergence and characteristics of subsidence behavior in shallow, wide tunnel excavation. Tunnel & Underground Space, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol. 11, No. 1, pp. 20-29. 

  16. Nam Kee Chun, Heo Young, Kim Chi Whan, You Kwang Ho, 2002, The behavior of soil tunnels reinforced with RPUM and fiber glass. Tunnel Technology, Korean Tunnelling Association, Vol. 4, No. 3, pp. 185-193. 

  17. Nam Kee Chun, 2002, A study on the reinforced protection to control extrusion at the face of shallow tunnels. Ph.D Thesis, Suwon University, pp. 57-71. 

  18. Song Seung Gon, Yang Hyung Sik, Lim Seoung Sik, Chung So Keul, 2002, Estimation of final deformation of hard rock tunnel using early measured deformation. Tunnel & Underground Space, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, Vol. 12, No. 2, pp. 99-106. 

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