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문제 정의
- 본 연구는 근접 구조물이 신설 터널의 측벽부에 위치하고 있는 조건에서의 안정영역 분석한 것이다. 터널 직 상부의 개발인 경우에는 응력이완 및 하중 재분배로 인하여, 신설 터널의 안정성과 관련된 해석결과가 상이하게 나타나므로 안전영역을 재분석할 필요성이 있다.
- 본 연구에서는 기존 지하철 박스 구조물에 근접하여 측면부에 신설 터널을 계획할 때, 터널 굴착으로 인한 지반 및 구조물의 거동에 대한 수치해석을 수행하여 근접 구조물의 위치 및 지반변형계수의 변화에 따른 안전영역을 평가하였다. 터널굴착에 따른 아칭영향을 고려하기 위하여 3차원 수치해석에 의한 종 방향 및 횡 방향 변위를 분석하였으며 근접 구조물의 위치 및 지반변형계수 변화에 따른 안전영역과 분포도, 지반변형계수와의 상관관계를 제시하였다.
가설 설정
- 0m로 고려하여 해석하였으며 상재하중은 도로하중 DB24를 적용하였으나 열차하중은 고려하지 않았다. 지반은 Mohr-Coulomb 파괴규준을 따르는 탄소성 모델로 가정하였으며 터널주변 요소망은 해석결과의 정확성을 위하여 가급적 작게 분할하였다.
제안 방법
- 2차원 수치해석 결과로 부터 안전영역은 터널굴착에 따른 하중전이로 인해 발생되는 지반의 변위 및 주응력, 전단응력에 의해 소성영역을 분석하여 평가하였다. 안전영역을 소성영역이 발생하는 시공불가 영역과 지반의 변형 및 최대주응력 변화가 완화되는 영역인 제약조건 아래 시공 가능영역으로 구분하였다.
- 2차원 수치해석의 횡 방향 각 변위에 의한 안전영역 결과를 종 방향 터널굴착에 따른 아칭영향을 고려한 3차원 수치 해석에 의해 근접 구조물의 종 방향 및 횡 방향 각 변위를 분석하여 시행한 안전영역의 평가는 다음과 같다.
- 경계조건은 측면 경계는 횡 방향 변위를 구속하였으며 하부 경계는 수직방향의 변위를 구속하였다. 3차원 수치해석에서 근접 구조물의 종 방향 각 변위는 굴착 장을 2.0m로 고려하여 해석하였으며 상재하중은 도로하중 DB24를 적용하였으나 열차하중은 고려하지 않았다. 지반은 Mohr-Coulomb 파괴규준을 따르는 탄소성 모델로 가정하였으며 터널주변 요소망은 해석결과의 정확성을 위하여 가급적 작게 분할하였다.
- 2) 지반과 기존 구조물을 일체로 가정하고 해석하는 방법은 기존 구조물의 규모나 휨 강성이 중간정도로서 구조물과 지반과의 상호 작용을 무시할 수 없는 경우의 해석방법이다. 굴착공사와 기존 구조물을 동일한 2차원으로 모델화하여 지반과 기존 구조물을 일체로 취급하며 지반은 연속체로 고려하고 구조물은 보로 모델화한 후 면 요소와 선 요소를 이용한 유한요소법으로 해석한다.
- 이와 같이 구조물 신설에 따른 기존 구조물의 영향을 최소화 하는 것이 근접시공의 주요 관점이다. 굴착에 따른 기존 구조물의 변형 및 침하는 대부분 대상지반이 단일지층이 아닌 복합지층이기 때문에 현장 및 실내시험을 통해 각 지층의 강도 및 변형특성을 고려한 안정해석에 의해 분석한다. 안정해석에서는 구조물과 지반의 경계 및 상호작용, 지반정수 등의 초기 조건의 신뢰성이 확보되어야 한다.
- 안전영역을 소성영역이 발생하는 시공불가 영역과 지반의 변형 및 최대주응력 변화가 완화되는 영역인 제약조건 아래 시공 가능영역으로 구분하였다. 기존 구조물의 안정성 분석은 지하철 구조물이므로 철도설계기준에 의해 열차를 지지하는 구조물의 레일 면에서의 허용 부등 변위량을 1/1,000 기준으로 하였다.
- Table 1은 매립토, 풍화토, 풍화암 및 기반암의 대표 지반물성 값을 나타낸 것이다. 느슨한 상태의 실트 섞인 모래로 구성되어 있는 매립토, 조밀한 상태의 실트 섞인 모래로 구성되어 있는 풍화토, 매우 조밀한 상태의 실트 섞인 모래로 구성되어 있는 풍화암의 지층조건을 고려하여 지반 물성 값을 선정하였다. 신설 터널이 위치하는 기반암의 강성변화에 따른 안전영역을 분석하기 위하여 기반암의 지반변형계수(E)를 500, 700, 1,000, 1,500MPa로 변화하는 조건을 고려하였다.
- 계획된 터널이 지상구조물, 지하구조물, 터널 등 기존 시설물에 근접하여 통과하는 경우에는 기존 시설물의 중요도 및 구조적인 특성에 따라 터널 굴착공사로 인한 상호 영향을 검토하여야 하며 장래 지상 및 지하개발계획을 감안하여 사전대책을 수립하여야 한다. 또한 구조물 기초설계 기준 해설에서는 기존 구조물에 미치는 영향의 예측방법으로 기존의 쉴드 터널 바로 위에 굴착공사를 시행하는 경우를 예로 기존 터널에 미치는 영향을 예측하는 방법을 다음과 같이 제시하였다.
- 본 연구에서는 터널의 상부에 대한 접근 심도와 하중 조건 등에 대한 규정이 명확하지 않은 터널의 안전영역에 대해 근접 구조물의 위치 및 지반변형계수의 변화에 따른 안전영역을 2차원 및 3차원 수치해석에 의해 평가하였으며 안전영역과 지반변형계수와의 상관관계를 고찰하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는, 지반의 강성변화, 근접 구조물의 위치 변화를 고려한 경우에 대하여 터널굴착으로 인한 지반 및 구조물의 거동을 수치해석을 통하여 분석한 후 근접 구조물의 위치 및 지반변형계수의 변화에 따른 안전영역을 평가하여 제시된 안전영역과 비교하였다. 안전영역은 2차원 수치해석에 의해 시공 불가영역 및 제약조건 아래 시공 가능영역으로 구분하였으며, 횡 방향 각 변위에 의한 안전영역을 터널굴착에 따른 종 방향의 영향을 고려하기 위하여 3차원 수치해석에 의한 종 방향 및 횡 방향각 변위를 분석하여 2차원 수치해석에 의해 제안된 안정영역의 적정성을 평가하였다.
- 느슨한 상태의 실트 섞인 모래로 구성되어 있는 매립토, 조밀한 상태의 실트 섞인 모래로 구성되어 있는 풍화토, 매우 조밀한 상태의 실트 섞인 모래로 구성되어 있는 풍화암의 지층조건을 고려하여 지반 물성 값을 선정하였다. 신설 터널이 위치하는 기반암의 강성변화에 따른 안전영역을 분석하기 위하여 기반암의 지반변형계수(E)를 500, 700, 1,000, 1,500MPa로 변화하는 조건을 고려하였다.
- 본 연구에서는, 지반의 강성변화, 근접 구조물의 위치 변화를 고려한 경우에 대하여 터널굴착으로 인한 지반 및 구조물의 거동을 수치해석을 통하여 분석한 후 근접 구조물의 위치 및 지반변형계수의 변화에 따른 안전영역을 평가하여 제시된 안전영역과 비교하였다. 안전영역은 2차원 수치해석에 의해 시공 불가영역 및 제약조건 아래 시공 가능영역으로 구분하였으며, 횡 방향 각 변위에 의한 안전영역을 터널굴착에 따른 종 방향의 영향을 고려하기 위하여 3차원 수치해석에 의한 종 방향 및 횡 방향각 변위를 분석하여 2차원 수치해석에 의해 제안된 안정영역의 적정성을 평가하였다.
- 2차원 수치해석 결과로 부터 안전영역은 터널굴착에 따른 하중전이로 인해 발생되는 지반의 변위 및 주응력, 전단응력에 의해 소성영역을 분석하여 평가하였다. 안전영역을 소성영역이 발생하는 시공불가 영역과 지반의 변형 및 최대주응력 변화가 완화되는 영역인 제약조건 아래 시공 가능영역으로 구분하였다. 기존 구조물의 안정성 분석은 지하철 구조물이므로 철도설계기준에 의해 열차를 지지하는 구조물의 레일 면에서의 허용 부등 변위량을 1/1,000 기준으로 하였다.
- 일반적으로 근접시공은 도로 터널보다는 도심지 지하철 터널공사에 발생되므로 본 연구의 수치해석 단면은 신설 터널은 지하철 표준단면을 적용하였으며 근접 구조물은 지하철 박스 구조물의 일반도를 기준으로 하였다. Fig.
- 본 연구에서는 기존 지하철 박스 구조물에 근접하여 측면부에 신설 터널을 계획할 때, 터널 굴착으로 인한 지반 및 구조물의 거동에 대한 수치해석을 수행하여 근접 구조물의 위치 및 지반변형계수의 변화에 따른 안전영역을 평가하였다. 터널굴착에 따른 아칭영향을 고려하기 위하여 3차원 수치해석에 의한 종 방향 및 횡 방향 변위를 분석하였으며 근접 구조물의 위치 및 지반변형계수 변화에 따른 안전영역과 분포도, 지반변형계수와의 상관관계를 제시하였다.
대상 데이터
- 0H 상부에 위치하는 수직변화 조건의 대표단면을 나타낸 것이다. 도심지역의 대표 지층단면인 매립토, 풍화대, 기반암으로 구성되어 있는 지반조건에서 신설 터널은 기반암층에 위치하는 것으로 고려하였다.
- 부산지하철 1호선 건설당시 시공감리를 수행하여 풍화암층의 복선 NATM 터널을 대상으로 안전영역을 시공 가능영역, 조건부 제한 시공 가능영역, 구조물 침범 불가영역으로 구분하여 Fig. 2와 같이 적용하였다. 안전영역Ⅰ은 지하부지 사용에 제한이 없는 시공 가능영역이며, 안전영역Ⅱ는 건축한계에 따른 시공 가능 영역이다.
- 서울지하철 3, 4호선 건설구간 중 설계 및 감리를 실시하는 과정에서 도심지 NATM 터널을 대상으로 안전영역을 시공 가능영역, 시공 불가영역, 제약조건 아래 시공 가능영역으로 구분하여 Fig. 1과 같이 적용하였으며 설정한 안전영역은 터널의 상부에 대한 접근 심도와 하중 조건 등에 대한 규정이 명확하지 않다.
성능/효과
- 1) 2차원 수치해석에 의해 발생되는 연직변위, 최대 주응력 및 최대 전단응력에서 근접 구조물이 측면으로 0.5D, 상부로 1.0H 이격조건에서 터널의 인버트부에서 전단파괴선에 지하 구조물이 근접할수록 안전영역이 확대되며, 지하 구조물의 위치가 굴착저면과 동일선상에 위치할 경우 안전영역이 확대되는 것으로 나타났다.
- 2) 시공 불가영역은 지반변형계수가 E=500Mpa 에서 1,500MPa로 증가함에 따라 각각 터널 인버트 하부는 0.25D에서 0.2D로, 측벽부는 0.5D에서 0.3D로, 천단부는 1.0D에서 0.6D로 감소되는 것으로 나타나고 있다. 또한, 제약조건 아래 시공 가능영역은 터널의 인버트 연장선에서 전단파괴선 사이의 범위가 해당하는 것으로 분석되었다.
- 3) 안전영역과 지반변형계수의 상관관계는 지반변형계수가 증가함에 따라 시공 불가영역은 점차 감소하는 경향을 나타내고 있으며, 지반변형계수의 변화에 따른 시공 불가영역의 변화추이는 인버트 하부는 DBot = -0.00001E + 0.284, 측벽부는 DSl = -0.0002E + 0.593, 천단부는 DTop = -0.00037E + 1.144의 관계식을 나타낸다.
- 4) 종 방향 터널굴착에 따른 아칭영향을 고려한 3차원 수치해석에서 종 방향, 횡 방향 및 종․횡 방향 각 변위를 동시에 고려한 경우의 안전영역과 지반변형계수의 상관관계는 2차원해석과 같이 지반변형계수가 증가함에 따라 시공 불가영역은 점차 감소하는 경향을 나타내고 있다.
- 5) 안전영역은 3차원 수치해석의 경우, 인버트 하부와 측벽부는 유사한 결과를 나타내고 있으나 천단부는 지반변형계수의 변화에 따른 안전영역의 변화가 작게 나타나며 안전영역의 범위는 지반변형계수가 높을수록 크게 나타나고 있다. 터널 굴착 진행방향인 종 방향 각 변위의 경우 인버트 하부는 DBot = -0.
- 6) 서울지하철 안전영역과 비교 시 측벽부는 유사한 결과를 나타내고 있으나 천단부는 증가되는 영역을 나타내고 있다. 제약조건 아래 시공 가능영역은 전단파괴선이 서울지하철 기준과는 달리 터널의 인버트 연장선에서 나타나므로 안전영역이 상당히 확대되는 것으로 나타나고 있다.
- 6D로 지반변형계수가 증가함에 따라 감소되는 것으로 나타나고 있다. 또한, 제약조건 아래 시공 가능영역은 스프링라인에서 전단파괴선 사이의 범위가 해당하는 관련 기관의 기준과 달리 터널의 인버트 연장선에서 전단파괴선 사이의 범위가 해당하는 것으로 분석되었다.
- 6D로 감소되는 것으로 나타나고 있다. 또한, 제약조건 아래 시공 가능영역은 터널의 인버트 연장선에서 전단파괴선 사이의 범위가 해당하는 것으로 분석되었다.
- 제약조건 아래 시공 가능영역은 전단파괴선이 서울지하철 기준과는 달리 터널의 인버트 연장선에서 나타나므로 안전영역이 상당히 확대되는 것으로 나타나고 있다. 서울지하철의 안전영역은 신설 터널을 기준으로 하여 안전에 영향을 미치는 정도를 규정한 것으로 본 연구에서는 근접시공에 따른 기존 구조물의 안전성에 미치는 영향을 분석하는 것이므로 서울지하철의 안전영역 기준과 같이 신설 터널을 기준으로 하면 천단부의 시공 불가영역과 제약조건 아래 시공 가능영역이 확대되는 결과가 나타나며 기존 구조물을 기준으로 하면 시공 불가영역 및 시공제한 영역이 축소되는 결과를 나타내고 있는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 터널 직 상부의 개발인 경우에는 응력이완 및 하중 재분배로 인하여, 신설 터널의 안정성과 관련된 해석결과가 상이하게 나타나므로 안전영역을 재분석할 필요성이 있다. 또한 지반조건에 따라 안전영역의 범위가 증가 또는 감소할 것으로 예상되며, 추후 다양한 지반조건 및 터널형상에 대한 검토가 필요하다. 본 연구결과에서 제시된 이러한 터널의 안전영역은 본 연구 해석조건과 같이 근접된 지하 구조물이 존치하고 있는 상황에서 신설 터널의 계획시 계략적인 계획지표로 이용은 가능하나, 지반 조건 및 지하공간개발 영역의 제한조건 등을 고려하여 상세 해석 후 안전영역을 결정하여야 한다.
- 안정해석에서는 구조물과 지반의 경계 및 상호작용, 지반정수 등의 초기 조건의 신뢰성이 확보되어야 한다. 또한, 지반거동은 2차원 거동이 아닌 3차원 응력-변형거동을 나타내므로 수치해석 모델링의 적합성 검증이 필요하다.
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