[논문]시공단계별 영향을 고려한 터널 전력구의 유한요소해석

김선훈

doi:10.7734/coseik.2013.26.2.147

[국내논문] 시공단계별 영향을 고려한 터널 전력구의 유한요소해석
Finite Element Analysis of Underground Electrical Power Cable Structures Considering the Effects of Construction Sequence 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.26 no.2, 2013년, pp.147 - 155

김선훈 (영동대학교 토목환경공학과)

초록
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본 논문에서는 도심지 지하에 터널 전력구를 건설하는 경우 시공단계별 영향을 고려한 구조해석을 수행하였다. 해석대상의 도심지 지하에는 여러 종류의 다양한 라이프라인 구조체가 설치되어 있다. 터널전력구의 구조해석에는 지반체의 유한요소해석 프로그램인 MPDAP을 사용하였다. 라이프라인 구조체와 터널 전력구 사이의 이격거리가 가장 작은 대표적인 3개의 단면에 대하여 구조해석을 수행하였다. 터널의 굴착단계별 유한요소해석에서 발생되는 평형불균형성 문제는 평형섭동개념을 적용하여 해결하였다. 또한 터널 굴착에 의한 시간의존 변형의 영향은 하중분담율을 사용하여 시공단계별로 고려하였다. 본 연구에서 검토한 3개의 대표단면에서는 터널 전력구 주변 지반체에서 발생하는 최대변위값은 허용변위값이내를 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper structural analysis of underground electrical power cable structures which is excavated below the surface of the earth in the downtown area is carried out considering the effect of construction sequence. There are many various life-line facilities below the surface of the earth in the downtown area. MPDAP was used for finite element analysis of underground electrical power cable structures. Three typical sections are simulated by finite element models. Unbalanced equilibrium problems may be occurred when conventional finite element procedures were used for simulation of tunnel excavation. Therefore equilibrium perturbation concept was applied to solve these problems. The effects of time-dependent deformations in advancing tunnel excavation are considered in the stages of construction sequences as using the load distribution factor. It is shown that values of maximum displacement of both soil and rock surrounding underground electrical power cable structures obtained by our numerical studies are less than allowable values.

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문제 정의

본 논문에서는 2상매체 개념에 의해 개발된 지반체의 유한 요소해석 프로그램 MPDAP(Multi-Phase Dynamic Analysis Program)(Kim et al., 2001a; 2001b)를 활용하여 국내에서 기 수행된 바 있는 전력구 구조물의 시공단계별 유한요소해석을 수행하였다.
터널 전력구 시공에 따른 인접구조물 등의 구조적 안정성을 검토하기 위해 ‘거여-가락 전력구’ 공사의 사례(Korea Electric Power Company, 2004)에 대하여 유한요소해석에 의한 안정성 분석을 실시해 보았다.
터널 해석의 목적은 터널에 작용하는 하중에 따라 터널을 지지하는 지보공을 구축하기 위한 것과 터널 굴착에 따른 터널 주변 지반의 응력 재분배에 의해 자체 안정을 위하여 지보공 또는 복공을 검토하기 위한 것이다. 현장조사 및 관련 기관의 문헌조사를 통하여 지하철 구조물과 수직구 및 본선 구간의 이격거리 및 구조물 현황을 고려하여 적절한 대표단면을 선정하고 주요현황 및 시공단계를 고려하여 유한요소해석을 수행하고자 한다.
본 논문에서는 도심지 지하에 터널 전력구를 건설하는 경우 시공단계별 영향을 고려한 구조해석을 수행하였다. 해석 대상의 도심지 지하에는 여러 종류의 다양한 라이프라인 구조체가 설치되어 있다.

가설 설정

2는 해석대상 문제의 개요와 재료특성치를 나타내고 있다. 터널주변 지반체는 파괴면 이하에서는 선형탄성이고 파괴면에 도달하면 Drucker-Prager 모델을 따르는 것으로 가정하였다.

제안 방법

구조물의 좌우상하 대칭성을 이용하여 Fig. 3과 같이 터널의 1/4 만을 모형화하였다. Fig.
터널 해석의 목적은 터널에 작용하는 하중에 따라 터널을 지지하는 지보공을 구축하기 위한 것과 터널 굴착에 따른 터널 주변 지반의 응력 재분배에 의해 자체 안정을 위하여 지보공 또는 복공을 검토하기 위한 것이다. 현장조사 및 관련 기관의 문헌조사를 통하여 지하철 구조물과 수직구 및 본선 구간의 이격거리 및 구조물 현황을 고려하여 적절한 대표단면을 선정하고 주요현황 및 시공단계를 고려하여 유한요소해석을 수행하고자 한다.
터널구간 예정심도를 기준으로 이격거리가 가장 작은 단면을 선정하는 것을 원칙으로 하여 신설 및 기존 지하철, 기존 문정～가락 전력구, 광역상수도, 가락공동구 등을 모델링할수 있도록 하였으며 단면 선정 결과는 Table 1과 같다. 또한 지반체의 재료특성값은 Table 2에 나타내었다(Korea Electric Power Company, 2004).
터널 굴착전 상태에서의 지반변위는 0으로 하고 굴착에 따라 발생하는 지반의 변위를 예측하는 것이 실제 현장과 유사한 조건이므로 변위를 초기화시킨 다음 굴착하도록 하였으며, 각 조건별 시공순서를 고려하여 지반변형을 해석한다. 지반하중은 굴착시 발생되는 등가하중과 유사지반에서의 굴착 단계별 변위 및 계측결과 등을 참고로 하였으며, 종방향 굴착으로 인한 시존의존 변형의 영향은 하중분담율을 기준으로 시공 단계별로 재하하였다(Seo et al.
터널 굴착전 상태에서의 지반변위는 0으로 하고 굴착에 따라 발생하는 지반의 변위를 예측하는 것이 실제 현장과 유사한 조건이므로 변위를 초기화시킨 다음 굴착하도록 하였으며, 각 조건별 시공순서를 고려하여 지반변형을 해석한다. 지반하중은 굴착시 발생되는 등가하중과 유사지반에서의 굴착 단계별 변위 및 계측결과 등을 참고로 하였으며, 종방향 굴착으로 인한 시존의존 변형의 영향은 하중분담율을 기준으로 시공 단계별로 재하하였다(Seo et al., 2006; Sterling, 1992).
10~12에 나타내었다. 또한 본 논문에서는 구조물의 종류별 허용침하량과 허용각변위를 참조(Korea Electric Power Company, 2004)하여 관리기준으로 적용해 보았다.
터널전력구의 구조해석에는 지반체의 유한요소해석 프로그램인 MPDAP을 사용하였다. 라이프라인 구조체와 터널 전력구 사이의 이격거리가 가장 작은 대표적인 3개의 단면에 대하여 구조해석을 수행하였다. 터널의 굴착단계별 유한요소해석에서 발생되는 평형불균형성 문제는 평형섭동개념을 적용하여 해결하였다.
터널의 굴착단계별 유한요소해석에서 발생되는 평형불균형성 문제는 평형섭동개념을 적용하여 해결하였다. 또한 터널 굴착에 의한 시간의존 변형의 영향은 하중분담율을 사용하여 시공단계별로 고려하였다. 본 연구에서 검토한 3개의 대표단면에서는 터널 전력구 주변 지반체에서 발생하는 최대변위값은 허용 변위값 이내의 결과를 보여주었으며, 터널 구조물의 안정성에 큰 영향이 없는 것을 확인하였다.
무한영역을 갖는 지반 전체를 유한요소로 모델링하는 것은 불가능하므로 해석범위의 선정은 전력구 및 지하철 터널, 지하철 정거장의 굴착으로 인한 영향범위를 고려하여 충분히 크게 하였으며, 터널 및 지하철을 중심으로 모델링하였다. 해석 방법과 구조물의 시공순서는 3개의 해석단면(해석단면 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ)에 대해 Table 3에 나타낸 바와 같이 시행하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용한 MPDAP의 검증문제로서 비교해가 존재하는 축대칭하중을 받는 무지보 원형터널의 해석을 수행하여 그 결과를 제시하였다(Korea Tunneling and Underground Space Association, 2005).

이론/모형

2상매체 개념에 근거하여 지반체의 유한요소해석기법으로서 사용한 구성모델의 기본방정식은 다음과 같다. 즉 본 해석방법의 근간이 되는 2상매체 개념의 유한요소 수식화를 위해서 Field식으로 유효응력원리, 토사입자의 응력-변형률 관계, 공극수의 흐름 방정식, 공극수와 토사의 혼합체(Bulk mixture) 운동방정식, 응력의 평형방정식 등이 사용되었다(Kim et al., 2001b).
]은 탄소성 구성행렬이다. 본 연구에서는 토사 및 다공질 석회암의 실험자료를 근거로 하여 개발된 암반모델의 구성관계식을 사용하였다.
이상에서 설명한 5개의 기본 방정식을 연립하면, 구하고자 하는 포화된 지반체의 구성방정식을 도출할 수 있다. 그리고 지반체의 구성관계식으로는 일반화된 Hoek-Brown Model을 3차원으로 확장시켜 사용하였다. 이를 위해 일반화된 Hoek-Brown Model의 응력-변형도 관계, Failure Surface, Flow Consistency방정식, 탄소성 구성법칙 등이 고려되었다.
그리고 지반체의 구성관계식으로는 일반화된 Hoek-Brown Model을 3차원으로 확장시켜 사용하였다. 이를 위해 일반화된 Hoek-Brown Model의 응력-변형도 관계, Failure Surface, Flow Consistency방정식, 탄소성 구성법칙 등이 고려되었다. MPDAP 프로그램의 기본 개념에 대한 보다 자세한 내용은 참고문헌(Kim et al.
해석 대상의 도심지 지하에는 여러 종류의 다양한 라이프라인 구조체가 설치되어 있다. 터널전력구의 구조해석에는 지반체의 유한요소해석 프로그램인 MPDAP을 사용하였다. 라이프라인 구조체와 터널 전력구 사이의 이격거리가 가장 작은 대표적인 3개의 단면에 대하여 구조해석을 수행하였다.
라이프라인 구조체와 터널 전력구 사이의 이격거리가 가장 작은 대표적인 3개의 단면에 대하여 구조해석을 수행하였다. 터널의 굴착단계별 유한요소해석에서 발생되는 평형불균형성 문제는 평형섭동개념을 적용하여 해결하였다. 또한 터널 굴착에 의한 시간의존 변형의 영향은 하중분담율을 사용하여 시공단계별로 고려하였다.

성능/효과

290mm로 나타났다. 수직 및 수평변위의 해석결과는 허용치(최소값 2.5cm)이내의 결과를 보여주며, 변위발생 양상도 굴착과 동시에 증가했다가 일정한 범위에서 수렴하여 지반이 매우 안정한 상태에 있음을 보여주었다.
457mm,로 나타났다. 수직 및 수평변위의 해석결과, 터널 전력구 주변에서 발생하는 변위들은 허용치(최소값 2.5cm)이내로 만족하는 결과를 보여주며, 변위발생 양상도 굴착과 동시에 증가했다가 일정한 범위에서 수렴하여 지반이 매우 안정한 상태에 있음을 보여주었다.
또한 터널 굴착에 의한 시간의존 변형의 영향은 하중분담율을 사용하여 시공단계별로 고려하였다. 본 연구에서 검토한 3개의 대표단면에서는 터널 전력구 주변 지반체에서 발생하는 최대변위값은 허용 변위값 이내의 결과를 보여주었으며, 터널 구조물의 안정성에 큰 영향이 없는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력구 시설의 주요 특성은 어떠한가?	- 외부인자 : 상시하중(토압, 수압, 교통하중 등) 자연재해(지진, 바람, 홍수 등) 인위재해(화재, 인위진동 등) - 전력구 구조물은 대규모 수직구, 개착전력구(콘크리트 박스형), 터널전력구(쉴드터널) 등으로 구성됨. - 도심 지하에는 여러 종류의 라이프라인이 복잡하게 설치 되어 있음.
	라이프라인은 어디에 분포되어 있는가?	기본적으로 네트워크의 형태를 갖는 라이프라인(Lifeline)은 전력시설 및 통신시설, 상하수도시설, 운송/교통망 등의 형태로 전국에 걸쳐 광범위하게 분포되어 있으며, 대부분 지중에 건설되고 있다. 라이프라인 관련 기술은 각 시설을 관리하고 있는 정부기관에서 광범위하게 확보하고 있으며, 국가 경제와 국민생활의 중추적 역할을 담당하는 공공기술(public technology)로서 중요성이 크고 핵심기술로서의 수요도 다양한 상황이다(Kim, 2003).
	전력망의 지중화작업이 증가할 전망인 이유는?	도심지의 급증하는 전력수요를 안정적으로 공급하고 자연재해는 물론이고 인위적인 재해에 의한 재난발생에 대비하기 위하여 전력망의 지중화작업은 더욱 증가될 것으로 판단된다. 그러나 도심지 지하에 위치한 전력구 주변에는 상하수도관, 가스관 등과 같은 에너지 라이프라인 시설은 물론이고 지하철, 도로터널과 같은 운송/교통 라이프라인 시설이 산재해 있어 전력구 구조물의 안전성에 큰 영향을 줄 수 있다.

참고문헌 (13)

Bathe, K.J. (1982) Finite Element Procedures, Prentice-Hall, NJ, p.1039.
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상세보기
Gioda, G., Swoboda, G. (1999) Developments and Applications of the Numerical Analysis of Tunnels in Continuous Media, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 23, pp.1393-1405.

상세보기
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Kim, S.H., Kim, K.J. (2001a) Dynamic Response of Underground Openings Considering the Effect of Water Saturation, Journal of the Computational Structural Engineering, 14(3), pp.391-399.
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상세보기
Korea Electric Power Company (2004) Report of Underground Power Cable Structures Connecting Geoyeo and Garak.
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SK Engineering & Construction Co. (2000) Basic Design Report of Underground Power Cable Structures Connecting Siheung and Doksan, Korea Electric Power Company.
Sterling, R.L. (1992) Underground Research : Here and There, Civil Engineering, December, pp.56-58.
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