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제안 방법
- OTR 공법의 적용성을 검토하기 위하여 OTR 공법을 이용한 지하철 O호선 환승역의 지하연결통로 시공 시 상부에 위치하고 있는 기존 지하차도와 OTR 비개착터널과 연결될 기존 지하철 정거장 구조물의 안정성을 평가하는 3차원 수치해석을 수행하였다. 해석은 먼저 2D 해석을 통해 개략적인 단면검토를 수행하여 기본적인 부재들의 단면 및 배치간격을 선정하였으며, 링빔 및 토류판을 각각 모델링하는 3차원 수치해석을 통해 세밀한 부재검토를 수행하였다.
- 쉴드 TBM이 세그먼트에서 반력을 취하듯이 짧은 길이의 선도관이 조립된 OTR 구조체에서 반력을 취하여 굴진하므로 선도관 관입, 내부토사반출, 측부절개 등 일련의 작업이 동시에 이루어질 수 있어 공사기간을 단축시킬 수 있다. OTR 관 압입이 완료되고 OTR 관을 서로 연결한 후 그림 3과 같이 방수쉬트를 연결 설치함으로서 지하수 유입을 억제하고, 터널 Box 구조물이 완성된 후 터널 내부굴착을 수행함으로써 OTR 구조체의 변형에 의한 지반침하가 최소화될 수 있도록 하였다. 그림 4는 Box 구조물 시공방법을 나타내고 있다.
- 그림 7은 OTR 시공 시 상부의 기존 지하차도 구조물 및 정거장 구조물에 미치는 영향을 검토하기 위해 수행된 3차원 수치해석의 해석단계별 요소망을 보여주고 있다. OTR 관 추진 및 내부 굴착과정을 굴진장 및 시공순서에 준하여 모사하였으며, 지하연결 통로박스 상부에 위치한 지하차도 구조물 및 지하철 정거장 구조물에 미치는 영향을 구조물의 변위량으로 검토하였다. 해석은 선도관 추진 및 내부토사 굴착을 반복 시행하여 OTR관을 상부에서 하부 순으로 설치하였다.
- OTR 관의 압입은 굴진장을 고려하여 16단계에 걸쳐 굴착되었으며 OTR 관의 연결, OTR 내부 콘크리트 타설, 터널 내부 굴착 및 바닥콘크리트 시공을 각각 독립적 단계로 모사하였고 최종적으로 지하철 정거장과의 연결부를 시공하는 것으로 해석을 수행하였다. 각 단계에서 OTR 관 천단부 및 측벽부의 변위와 상부에 위치한 기존지하차도 바닥면의 변위, 기존 지하철 구조물의 변위를 측정하여 안정성을 평가하였다.
- OTR 구조물은 상기에 기술한 3차원 구조해석을 통해 산정된 링빔 및 토류판의 물성치를 등가로 환산하여 동일 두께의 등가물성치를 갖는 Plate 요소로 적용하여 모델링 하였다. 신규 및 기존 콘크리트 구조물과 지반은 Solid 요소 모델을 적용하여 객관적이고 실제적인 거동을 모사하였다.
- 해석은 선도관 추진 및 내부토사 굴착을 반복 시행하여 OTR관을 상부에서 하부 순으로 설치하였다. OTR관 시공이 완료된 후 OTR관을 연결하여 Frame구조를 만들었으며 Frame 속에 콘크리트를 타설하는 순서로 시행하였다.
- OTR 관의 압입은 굴진장을 고려하여 16단계에 걸쳐 굴착되었으며 OTR 관의 연결, OTR 내부 콘크리트 타설, 터널 내부 굴착 및 바닥콘크리트 시공을 각각 독립적 단계로 모사하였고 최종적으로 지하철 정거장과의 연결부를 시공하는 것으로 해석을 수행하였다. 각 단계에서 OTR 관 천단부 및 측벽부의 변위와 상부에 위치한 기존지하차도 바닥면의 변위, 기존 지하철 구조물의 변위를 측정하여 안정성을 평가하였다. 그림 8~10은 각각 기존지하차도 바닥 슬래브, OTR 관 구조물, 기존 지하철 정거장 구조물의 변위측점 및 시공단계별 수직변위를 나타내고 있다.
- 구조물의 수직변위는 OTR 관의 압입이 완료된 Step 20에서 초기화하여 OTR 관 연결, Box 구조물 콘크리트 타설, Box 구조물 내부굴착에 따른 구조물의 변위를 예측하였다. 해석결과 OTR 공법을 이용한 10m × 4.
- 해석은 먼저 2D 해석을 통해 개략적인 단면검토를 수행하여 기본적인 부재들의 단면 및 배치간격을 선정하였으며, 링빔 및 토류판을 각각 모델링하는 3차원 수치해석을 통해 세밀한 부재검토를 수행하였다. 또한 OTR 관과 수평 및 수직 연통구간을 동일한 두께의 등가물성치를 갖는 빔요소로 모델링한 3차원 수치해석을 수행하여 OTR 비개착터널 시공 시 기존 구조물의 침하 등 미치는 영향을 검토하였다.
- 링빔 및 토류판을 각각 모델링한 3차원 구조 수치해석은 OTR 관 1개를 추진하였을 경우 (Case 1), 상부 OTR 관 3개를 추진하고 수평방향으로 연통하였을 경우 (Case 2), 전체 ORT 관을 추진하고 수평과 수직방향으로 모두 연통한 경우 (Case 3) 등 3가지 Case에 대해 수행하였다. 그림 6은 OTR 관을 수평, 수직방향으로 모두 연결한 Case 3의 모델형상이며, 표 4는 위에서 설명한 3가지 Case에서 Ring Beam에 작용하는 BMD, SFD, AFD 이다.
- OTR 구조물은 상기에 기술한 3차원 구조해석을 통해 산정된 링빔 및 토류판의 물성치를 등가로 환산하여 동일 두께의 등가물성치를 갖는 Plate 요소로 적용하여 모델링 하였다. 신규 및 기존 콘크리트 구조물과 지반은 Solid 요소 모델을 적용하여 객관적이고 실제적인 거동을 모사하였다. 지반 항복모델은 Mohr-Coulomb 탄소성 모델을 이용하였고, 본 수치해석에 적용된 토질정수는 시추조사 자료와 경험식 등을 이용하여 표 6과 같이 산정하였다.
- 최근 도로 및 철도 하부를 횡단하는 설치공사에 적용되는 비개착공법은 과도한 재료의 사용으로 경제성과 시공성 및 품질 확보가 어려운 점도 있으며, 특히 철도 횡단이나 고속도로 하부의 경우 상부자중 및 활하중에 의한 부재력이 크게 발생하여 매우 큰 단면이 요구되고 있다. 이러한 비개착 지하구조물 축조 공법의 단점인 경제성과 시공성 및 품질 문제를 해결하기 위해 OTR (Octopus Tubular Roof) 터널공법을 개발하였다.
- OTR 공법의 적용성을 검토하기 위하여 OTR 공법을 이용한 지하철 O호선 환승역의 지하연결통로 시공 시 상부에 위치하고 있는 기존 지하차도와 OTR 비개착터널과 연결될 기존 지하철 정거장 구조물의 안정성을 평가하는 3차원 수치해석을 수행하였다. 해석은 먼저 2D 해석을 통해 개략적인 단면검토를 수행하여 기본적인 부재들의 단면 및 배치간격을 선정하였으며, 링빔 및 토류판을 각각 모델링하는 3차원 수치해석을 통해 세밀한 부재검토를 수행하였다. 또한 OTR 관과 수평 및 수직 연통구간을 동일한 두께의 등가물성치를 갖는 빔요소로 모델링한 3차원 수치해석을 수행하여 OTR 비개착터널 시공 시 기존 구조물의 침하 등 미치는 영향을 검토하였다.
- OTR 관 추진 및 내부 굴착과정을 굴진장 및 시공순서에 준하여 모사하였으며, 지하연결 통로박스 상부에 위치한 지하차도 구조물 및 지하철 정거장 구조물에 미치는 영향을 구조물의 변위량으로 검토하였다. 해석은 선도관 추진 및 내부토사 굴착을 반복 시행하여 OTR관을 상부에서 하부 순으로 설치하였다. OTR관 시공이 완료된 후 OTR관을 연결하여 Frame구조를 만들었으며 Frame 속에 콘크리트를 타설하는 순서로 시행하였다.
대상 데이터
- 해석에 사용된 지보재의 규격과 물성치는 각각 표 2와 표 3에 정리되어 있다. 검토 지반 조건은 매립층, 풍화토, 풍화암 등이며 기존 지하차도의 차량에 대한 활하중은 DB-24를 적용하였다.
이론/모형
- 신규 및 기존 콘크리트 구조물과 지반은 Solid 요소 모델을 적용하여 객관적이고 실제적인 거동을 모사하였다. 지반 항복모델은 Mohr-Coulomb 탄소성 모델을 이용하였고, 본 수치해석에 적용된 토질정수는 시추조사 자료와 경험식 등을 이용하여 표 6과 같이 산정하였다.
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