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가설 설정
- 3 mm, 10646에서의 천단침하 약 7 mm를 막장으로부터 거리의 제곱에 반비례하는 변위함수를 구하였다. 또 이미 굴착이 이루어진 터널막장 후방에서의 침하형태는 터널막장 전방의 침하형태와 동일하되 수평과 연직 축에 대칭인 것으로 가정하였다. 이 변위 함수에 따라 구한 터널막장 전후방에서 발생하는 천단 침하비율은 Fig.
제안 방법
- 이와 같은 계측 목적에 맞추어 계측 종류는 터널의 연직변위를 계측하는 천단침하 계측, 지표침하계측, 터널막장 전방 지중의 침하에 중점을 두고 계측하였다. 그 외 내공변위, 록볼트 축력, 숏크리트 응력 등도 계측하였다.
- 본 연구에서는 심도가 얕은 연약한 지반에서 터널을 굴착하면서 수평경사계와 천단침하계를 이용하여 계측한 터널의 변위로부터 터널 굴착 후 발생한 총변위와 터널막장 전후에서의 변형특성을 분석하였다. 지표에서 연구대상 터널까지의 심도는 약 10 m 내외로 터널은 충적층과 풍화암층을 통과하고 있다.
- 수평경사계는 터널의 막장 천단에서 약 7°상향으로 천공하여 설치하였다.
- , 1984). 수평경사계를 터널막장 전방에 설치하고 연직방향의 변위를 계측한 결과로부터 터널막장 전방에서의 변위특성을 분석하였다.
- 터널의 천단침하핀이 설치된 위치와 수평 경사계 측점의 위치가 일치하지 않는 경우에는 터널 천단침하핀에 가까운 두 개의 수평경사계 측점에서 계측한 침하를 터널 천단침하핀 위치에 맞추어 내삽하였다. 수평경사계에 의한 계측을 터널 막장이 10648에 도달하였을 때 종료하였으므로 터널 천단침하핀을 이용한 천단침하도 그때까지 계측한 결과를 비교한 것이다.
- 그러면 수평경사계의 측점들은 터널천단보다 위의 지중에 있기 때문에 여기서 계측된 지중침하를 측점 직하부 터널천단에서의 침하량으로 환산하여 마치 터널천단핀을 이용한 천단침하량이 되도록 하여야 한다. 이를 위하여 역해석으로 구한 터널천단 주변의 연직방향 변위를 터널천단으로부터 연직상향 거리에 따라 분석하였고 그 결과를 이용하여 수평경사계 각 측점에서 발생한 지중침하를 터널천단에서의 침하로 환산표시하였다. 터널 굴착면으로 부터 거리가 멀어짐에 따라 반경방향 변위는 그 거리의 제곱에 반비례하므로(Goodman, 1980) 역해석 결과 중 터널천단으로부터 거리가 다른 여러 위치에서의 지중연직변위를 내삽하고 추세를 분석하였다.
- 따라서 터널막장이 지상 빌딩 하부에 접근하기 전부터 터널과 지상 빌딩의 안정을 지속적으로 평가하는 것도 매우 중요하였다. 이를 위해서도 터널막장 전방의 터널 아치부에 거의 수평 방향으로 수평경사계를 설치하여 터널 굴진에 따라 터널막장 전방에서 발생하는 침하를 계측하였다. Fig.
- 즉 터널의 폭은 약 11 m 내외로 터널까지의 심도가 터널 폭과 같아 터널천단과 지표면에서 연직하향의 변위가 크게 발생할 것으로 예상되므로 연직침하를 계측하는 것이 무엇보다 중요하다. 이와 같은 계측 목적에 맞추어 계측 종류는 터널의 연직변위를 계측하는 천단침하 계측, 지표침하계측, 터널막장 전방 지중의 침하에 중점을 두고 계측하였다. 그 외 내공변위, 록볼트 축력, 숏크리트 응력 등도 계측하였다.
- 즉 터널의 폭은 약 11 m 내외로 터널까지의 심도가 터널 폭과 거의 같아 터널 천단과 지표면에서 연직하향의 변위가 크게 발생할 것으로 예상되었다. 이와 같은 터널의 변형특성을 고려하여 시공 중 발생하는 변위를 줄이고 터널의 안정을 확보하기 위하여 터널막장 전방의 터널 아치부를 굴착하기 전에 강관다단그라우팅으로 미리 보강하는 시공방법을 적용하였다. 그런데 터널막장 전방의 아치를 미리 보강한 효과를 굴착 전에 확인하기 위하여 터널막장 전방에서 발생하는 터널의 변형을 계측하는 것 또한 필요하였다.
- 이를 위하여 역해석으로 구한 터널천단 주변의 연직방향 변위를 터널천단으로부터 연직상향 거리에 따라 분석하였고 그 결과를 이용하여 수평경사계 각 측점에서 발생한 지중침하를 터널천단에서의 침하로 환산표시하였다. 터널 굴착면으로 부터 거리가 멀어짐에 따라 반경방향 변위는 그 거리의 제곱에 반비례하므로(Goodman, 1980) 역해석 결과 중 터널천단으로부터 거리가 다른 여러 위치에서의 지중연직변위를 내삽하고 추세를 분석하였다. 이에 따라 수평경사계의 각 측점에서 측정한 침하에 각 측점의 심도에 따른 환산비율을 곱하여 터널천단에서의 침하로 변환할 수 있었다.
- 터널막장 전방 지중에 수평방향으로 길이 30 m의 경사계를 설치하고 터널 굴착으로 인해 터널막장 전방에서 발생하는 지중침하를 계측하였고 굴착된 터널막장 후방에는 터널 천단침하핀을 이용하여 터널의 천단침하를 계측함으로써 터널굴착으로 인한 총천단침하를 계측할 수 있었다. 본 연구의 계측대상 터널은 지표에서 터널까지의 심도가 약 10 m 내외로 충적층과 풍화 암층을 통과하고 있고 터널의 폭은 약 11 m로 터널천단침하가 크게 발생할 것으로 예상되었다.
- 이 중 이번 연구에 이용한 수평경사계 관련 사항은 다음과 같다. 터널막장 전방에서의 변위를 계측하기 위하여 터널 막장전방의 터널 아치부에 거의 수평방향으로 계측기를 설치하고 굴착에 따른 막장 전방 아치부의 연직방향 변위를 계측하였다. 수평경사계는 터널 막장에서 전방으로 수평에 가까운 상향 약 7°로 천공하고 수평경사계관를 삽입한 후 그라우팅으로 주변지반과 일체가 되도록 한다.
- 터널을 10674에서 10647 방향으로 굴착하면서 수평 경사계로 계측한 침하를 경과시간에 따라 표시한 것이다. 터널을 굴착함에 따라 막장의 위치가 변하게 되고 수평경사계도 지중변형에 따라 침하하게 되는데 이를 터널천단침하로 변환하여 분석하였다. 최대 천단침하가 발생한 측점은 10662로, 설치된 수평경사계의 길이 30 m 중 중간 부근이었고 최대침하는 약 61 mm이었다.
대상 데이터
- 만약 터널의 막장이 수평경사계 끝단에 가까워지면 끝단 측점에서의 침하가 다른 측점에서의 침하에 비하여 더 크게 되면서 침하형상이 왜곡될 수 있다. 본 연구에서는 수평경사계 측점 중 터널막장에 가까운 10671측점에서의 침하를 10672에 설치한 천단침하핀에서 계측한 천단침하와 같은 것으로 간주하였다. 그러면 수평경사계의 10671 계측점을 기준으로 수평경사계 내 기타의 측점들에서의 침하를 구할 수 있다.
- 터널막장 전방 지중에 수평방향으로 길이 30 m의 경사계를 설치하고 터널 굴착으로 인해 터널막장 전방에서 발생하는 지중침하를 계측하였고 굴착된 터널막장 후방에는 터널 천단침하핀을 이용하여 터널의 천단침하를 계측함으로써 터널굴착으로 인한 총천단침하를 계측할 수 있었다. 본 연구의 계측대상 터널은 지표에서 터널까지의 심도가 약 10 m 내외로 충적층과 풍화 암층을 통과하고 있고 터널의 폭은 약 11 m로 터널천단침하가 크게 발생할 것으로 예상되었다. 결론은 다음과 같다.
- 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.
- 수평경사계를 설치한 곳은 Fig. 2의 10674(10 km674)에서 10647(10 km647)까지의 구간이고 측정센서는 3 m 간격으로 총 10개가 연결되어 있다. 수평경사계로 계측을 시작하였을 때 터널막장의 위치는 10668이었고 터널막장이 10648에 도달하였을 때 수평경사계를 이용한 계측을 종료하였다(대림산업주식회사, 2006b).
- 연구 대상 터널은 심도가 얕고 지반의 강도가 약하여 터널의 역학적 안정성을 확보하는 것이 어려웠다. 즉 터널의 폭은 약 11 m 내외로 터널까지의 심도가 터널 폭과 같아 터널천단과 지표면에서 연직하향의 변위가 크게 발생할 것으로 예상되므로 연직침하를 계측하는 것이 무엇보다 중요하다.
- 터널의 막장이 10660에 위치할 때 막장인 10660에서의 천단침하 약 45mm, 전방의 수평경사계 계측점인 10659에서의 천단침하 약 36 mm, 10656에서의 천단침하 약 19 mm, 10653에서의 천단침하 약 6 mm, 10650에서의 천단상향변위 약 1 mm, 10647에서의 천단상향 변위 약 0.3 mm, 10646에서의 천단침하 약 7 mm를 막장으로부터 거리의 제곱에 반비례하는 변위함수를 구하였다. 또 이미 굴착이 이루어진 터널막장 후방에서의 침하형태는 터널막장 전방의 침하형태와 동일하되 수평과 연직 축에 대칭인 것으로 가정하였다.
데이터처리
- 수평경사계에서의 측정은 일정한 시간 간격으로 자동으로 이루어지고 계측치는 컴퓨터에 저장된다. 1일 1시간 간격으로 24회 측정한 수평경사계 침하는 측정 때마다 변동이 심하여 시간별 측정치보다는 1일 평균값 분석에 활용하였다. 수평경사계로 계측한 지중침하값에 변동이 생기는 원인은 여러 가지가 있겠지만 그 중 주요한 원인으로는 시공방법으로 추정된다.
이론/모형
- 연약한 지반에 시공되어 터널막장 전방에서의 변위가 클 것으로 예상되는 이번 연구대상 터널에서도 막장전방의 변위가 최소화 되도록 시공하였다. 이를 위하여 여러 가지 막장전방 보강방법(Nam, 2002; Nam et al., 2002) 중 막장전방을 보강하는 강관다단그라우팅공법을 적용하였다. 적용한 강관다단그라우팅 보강도와 터널단면도는 Fig.
성능/효과
- 1. 수평경사계로 계측한 침하를 터널막장 전후를 중심으로 종단상에서 분석한 결과 터널의 천단침하는 터널막장 전후 약 3 m에서 총침하의 약 55%가 발생하고 6 m 전후에서 약 75%, 터널 폭의 1 배인 약 12 m 전후에서 89%의 천단침하가 발생하였다.
- 2. 수평경사계 설치 후 굴착이 진행됨에 따라 수평경사 계의 측점이 터널막장 후방에 위치하게 되고 터널 천단침하 계측핀을 이용한 천단침하도 계측할 수 있으므로 두 가지 방법의 계측이 중복되는 구간이 있었다. 이 중복계측 구간에서 수평경사계와 터널 천단침하핀을 이용하여 계측한 천단침하는 유사한 값을 보였다.
- 3. 수평경사계로 계측한 터널막장 전방의 침하와 터널 막장 후방에서 터널 천단침하핀을 이용하여 계측한 터널 천단침하를 더하여 터널 시공 중 터널막장 전후방에서 발생하는 총천단침하를 계측할 수 있었다. 터널 천단침하 계측핀에서 천단침하 계측을 시작하기 전 수평경사계로 계측한 천단침하는 약 16-37 mm이었고 이어서 터널 천단침하핀으로 계측한 천단침하는 약 47-66 mm로 총천단침하는 약 63-103 mm이었다.
- 그리고 수평경사계 10647계측점에서 계측을 시작하였을 때 이 계측점은 터널막장 전방으로부터 21 m 떨어졌을 때이고 계측을 종료하였을 때 계측점은 터널막장으로부터 1 m 전방에 있었다. 계측점과 터널막장과의 거리에 따른 변형특성곡선으로부터 총변위에 대해 계측한 변위의 비율은 약 35%이었다. 또 수평경사계 끝단 중시점에 가까운 10671계측점은 계측을 시작할 때 터널의 막장이 계측점을 3 m 지나간 상태이었고 계측을 종료하였을 때 터널막장과 계측점 사이의 거리는 23 m로 변형 특성곡선에 따른 계측비율은 약 20%이었다.
- 11(a)에서 수평경사계를 회수하기 전까지 계측한 천단 침하는 수평경사계와 터널 천단침하핀 모두에서 유사한 침하량을 보이고 있다. 수평경사계를 제거한 후 10672터널 천단침하핀으로 부터 약 150 m 떨어진 터널 관통점 10520에 도달할 때까지 발생한 천단침하핀에서의 최종침하는 약 62 mm가 되었다.
- 따라서 터널 심도가 얕고 지반의 강도가 약하여 터널의 역학적 안정성을 확보하는 것이 어려웠다. 즉 터널의 폭은 약 11 m 내외로 터널까지의 심도가 터널 폭과 거의 같아 터널 천단과 지표면에서 연직하향의 변위가 크게 발생할 것으로 예상되었다. 이와 같은 터널의 변형특성을 고려하여 시공 중 발생하는 변위를 줄이고 터널의 안정을 확보하기 위하여 터널막장 전방의 터널 아치부를 굴착하기 전에 강관다단그라우팅으로 미리 보강하는 시공방법을 적용하였다.
- 7에서 시간경과에 따른 터널막장의 위치를 보일뿐만 아니라 굴착이 진행되지 않아 터널막장이 정지된 상태와 터널막장을 굴착하여 터널막장이 전진한 상황도 알 수 있다. 터널을 굴진하지 않아 터널막장이 정지된 경우에는 터널침하도 크게 발생하지 않았으나 터널막장을 굴착하면 터널침하도 증가하는 경향을 보였다. Fig.
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