터널의 지반이완하중 산정방법에는 이론식, 경험식, 수치해석적인 방법 등이 있는데 이론식과 경험식은 실무에 적용하기에는 많은 한계점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 그 중에서 수치해석적 방법이 지반이완하중 산정에 필요한 모든 매개변수를 고려할 수 있고, 지반과 지보재의 상호작용을 모사할 수 있기 때문에 보다 합리적인 방법이라 판단하였다. 수치해석 결과를 바탕으로 명확한 지반이완영역을 결정하기 위하여 Sakurai(1981)의 한계전단변형률 개념을 이용하였다. Stable region의 경계영역인 Level 1의 지반이 완하중고를 산정한 결과 지반등급 3까지는 지반이완하중이 산정되지 않았고, 지반등급 4, 5에서는 기존 산정방법들에 비해 지반이완하중고가 작게 산정되어 보다 경제적인 콘크리트라이닝 설계가 가능할 것으로 판단하였다.
터널의 지반이완하중 산정방법에는 이론식, 경험식, 수치해석적인 방법 등이 있는데 이론식과 경험식은 실무에 적용하기에는 많은 한계점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 그 중에서 수치해석적 방법이 지반이완하중 산정에 필요한 모든 매개변수를 고려할 수 있고, 지반과 지보재의 상호작용을 모사할 수 있기 때문에 보다 합리적인 방법이라 판단하였다. 수치해석 결과를 바탕으로 명확한 지반이완영역을 결정하기 위하여 Sakurai(1981)의 한계전단변형률 개념을 이용하였다. Stable region의 경계영역인 Level 1의 지반이 완하중고를 산정한 결과 지반등급 3까지는 지반이완하중이 산정되지 않았고, 지반등급 4, 5에서는 기존 산정방법들에 비해 지반이완하중고가 작게 산정되어 보다 경제적인 콘크리트라이닝 설계가 가능할 것으로 판단하였다.
After studying the characteristics of three different evaluation methods of rock load; namely theoretical method, empirical method and numerical method, there were too many limitations for them to be applied on tunnels. Therefore, in this research paper, the method based on numerical analysis is sel...
After studying the characteristics of three different evaluation methods of rock load; namely theoretical method, empirical method and numerical method, there were too many limitations for them to be applied on tunnels. Therefore, in this research paper, the method based on numerical analysis is selected to use as this method is the most reasonable one since it considers all parameters that are necessary for rock load estimations, and it also considers the interaction between ground and tunnel support. The critical shear strain concept formulated by Sakurai (1981) was used in order to measure exact rock load values based on numerical analysis. Evaluation on a Level 1 rock load height, which is depicted by the stable region in the graph shows that rock load is not affecting between ground grade 1~3, and it was evaluated that the fourth and fifth grades show less values of rock load height which led to the conclusion of a more economical design of concrete lining.
After studying the characteristics of three different evaluation methods of rock load; namely theoretical method, empirical method and numerical method, there were too many limitations for them to be applied on tunnels. Therefore, in this research paper, the method based on numerical analysis is selected to use as this method is the most reasonable one since it considers all parameters that are necessary for rock load estimations, and it also considers the interaction between ground and tunnel support. The critical shear strain concept formulated by Sakurai (1981) was used in order to measure exact rock load values based on numerical analysis. Evaluation on a Level 1 rock load height, which is depicted by the stable region in the graph shows that rock load is not affecting between ground grade 1~3, and it was evaluated that the fourth and fifth grades show less values of rock load height which led to the conclusion of a more economical design of concrete lining.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 기존 지반이완하중 산정법들의 한계점을 고찰하고 지반이완하중 산정에 필요한 모든 매개 변수와 지반과 지보재의 상호작용을 고려있는 수치해석을 통한 합리적인 지반이완하중 산정방법을 제안하였다. 또한 터널의 안정성을 판단할 수 있는 기준인 Sakurai (1995)의 한계전단변형률 개념을 도입하여 지반이완영역 판단에 공학적 근거를 제시하였다.
콘크리트라이닝의 경제적 설계를 위하여 합리적인 지반이완하중 산정과 1차 지보재의 장기적인 하중지지능력에 대한 평가가 이루어져야 한다. 본 연구에서는 합리적인 산정방법에 초점을 맞추고 Sakurai의 한계전단변형률 개념을 이용하여 터널에서의 합리적인 지반이완하중 산정방법을 제안하였다.
이처럼 실무에서 주로 사용되는 이유는 1차 지보재와 같은 수치해석법을 적용할 수 없고 작용하중의 크기 및 조합, 재료 물성과 관련된 매개변수 등은 설계자의 공학적 판단에 의해 수행할 수 있기 때문이다. 본 연구에서도 보다 합리적으로 지반이완하중을 산정하고 콘크리트 라이닝의 골조모델에 적용할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
가설 설정
Terzaghi는 1946년에 강지보재에 대한 암반하중 산정방법을 제시하였고, Rose에 의해 1982년에 수정되었다. 터널 굴착 후 지보재를 설치하면 터널 주변지반의 아칭효과에 의한 지반의 이완범위가 일정범위까지만 진행된다는 가정에 근거하였다. Table 2의 Terzaghi 암반하중 분류표는 현재 터널설계 시 많이 사용되고 있지만 Fig.
제안 방법
15와 같이 ○○터널의 지반등급 별 대표단면을 설정한 후 Table 3의 표준 지보패턴과 같이 모델링하고, Table 4의 물성값을 입력하여 해석을 수행하였다. ○○터널의 폭은 13.3 m, 터널의 높이는 8.5 m이며 경계조건의 영향이 미치지 않도록 터널 측방으로 3.5 D 이상으로 확대하여 모델링하였다. 하중분담률은 일반적으로 사용되는 지반등급 1, 2에서는 60%－ 20%－20%, 지반등급 3에서는 50%－25%－25%, 그리고 지반등급 4, 5에서는 40%－30%－30%를 적용하였다.
보다 합리적인 지반이완하중 산정방법을 결정하기 위해서 각 산정방법 별 특징 파악이 선행되어야 하며 이를 위해서 국내 터널설계 사례를 바탕으로 조사된 Table 1에서의 지반등급별 특성치의 평균값을 매개변수로 하여 분석하였다. 또한 터널심도와 측압계수에 영향을 받는 초기응력상태를 고려하기 위해 토피고는 0～100 m로 변화시키고 측압계수는 0.5～3.0으로 변화시켜 분석하였다.
터널 설계 시 위 산정방법들에 대해 최대값이 아닌 산술평균 등을 이용하여 지반이완하중을 결정하고 콘크리트라이닝을 설계하고 있다. 보다 합리적인 지반이완하중 산정방법을 결정하기 위해서 각 산정방법 별 특징 파악이 선행되어야 하며 이를 위해서 국내 터널설계 사례를 바탕으로 조사된 Table 1에서의 지반등급별 특성치의 평균값을 매개변수로 하여 분석하였다. 또한 터널심도와 측압계수에 영향을 받는 초기응력상태를 고려하기 위해 토피고는 0～100 m로 변화시키고 측압계수는 0.
하중분담률은 일반적으로 사용되는 지반등급 1, 2에서는 60%－ 20%－20%, 지반등급 3에서는 50%－25%－25%, 그리고 지반등급 4, 5에서는 40%－30%－30%를 적용하였다. 시공단계를 반영하기 위하여 지반등급 1～3의 경우 전단면 굴착 후 숏크리트 타설 및 록볼트 설치, 숏크리트 경화의 순서로 시공단계별로 해석을 수행하고 지반등급 4～5의 경우 상･하반 분할 굴착의 시공단계를 고려하였다.
(2013)은 기존 지반이완하중 산정방법들은 모든 영향요소와 지반의 불확실성을 고려하지 못하고, 추정값이기 때문에 계측자료를 활용한다면 보다 합리적으로 현장조건을 고려한 지반이완하중 산정이 가능하다고 판단하였다. 이에 계측자료 중 선행변위를 포함한 천단침하값을 목적함수로 숏크리트와 강재보재를 합성부재로 모사하고, 지중골조 모델에 적용시켜 역해석을 실시하였다. Fig.
터널 주변부의 경우 토사와 암반은 모두 삼축상태에 놓이게 되고, 전단변형에 의해 파괴가 발생하는 경우가 많아 토사와 암반의 파괴를 전단응력 및 전단변형률로 평가해야 한다(Sakurai, 1995). 이에 본 연구에서는 수치해석의 결과인 최대전단변형률값과 대응시켜 지반이완하중을 산정하였다.
지형조건, 터널형상, 지중응력 상태, 지보재의 시공 조건 등을 반영할 수 있는 유한요소 프로그램인 Midas NX를 이용하여 ○○터널의 지반이완하중을 산정하였다.
측압계수에 따른 지반이완하중을 산정하기 위하여 0.5, 1.0, 1.5의 세 가지 경우로 나누어 해석을 실시하였다. 지반등급 1～3에서는 Level 1의 한계전단변형률의 값이 존재하지 않아 지반이완하중이 작용하지 않는 것으로 판단하였다.
성능/효과
1. 지반이완하중 산정방법 중 이론식의 경우 점착력이 큰 암반터널에 적용하기에는 제약이 크며, 암반 분류 방법에 따른 경험식의 경우 지반이완하중 산정에 암반의 공학적 상태를 고려한 점은 합리적이나 중요한 매개변수의 부재와 지반과 지보재의 상호작용을 고려할 수 없는 단순 산술적인 식이기 때문에 한계가 분명하다고 판단하였다. 본 연구에 서는 다양한 매개변수를 고려할 수 있고 지보재의 역할을 모사할 수 있는 수치해석적 방법이 보다 합리적인 산정방법이라 판단하였다.
2. ○○터널의 지반등급 별 대표단면을 산정하고 측압계수 변화에 따라 지반이완하중을 한계전단변형률 Level 1을 기준으로 산정한 결과 지반등급 1～3까지는 지반이완하중이 작용하지 않았으며 지반등급 4, 5는 측압계수에 따라 크기와 형상이 다르게 작용하였다. 측압계수 0.
3. ○○터널의 지반이완하중을 한계전단변형률 Level 1을 기준으로 산정한 결과 지반등급 4의 지반이완 하중고는 경험식의 47%의 수준이며, 지반-라이닝 상호작용 모델 관계식의 26%에 해당하는 값이다. 또한 지반등급 5의 경우 경험식의 39%, 지반-라이닝 상호작용 모델 관계식의 25%에 해당하는 값이기 때문에 특수한 지반조건을 제외한 일반적인 조건의 경우 보다 경제적인 콘크리트라이닝 설계가 가능할 것으로 판단된다.
Fig. 2와 Fig. 3의 분석결과 Terzaghi 이론식은 토피고가 증가함에 따라 지반이완하중도 크게 증가하다가 아칭효과에 의해 토피고 100 m에서 130.64 kN/m2에 수렴하는 경향을 보였고, 측압계수가 커짐에 따라 천단부의 지반이완하중은 133.01～43.59 kN/m2로 크게 감소하였다.
○○터널의 지반이완하중을 한계전단변형률 Level 1을 기준으로 산정한 결과 지반등급 4의 지반이완 하중고는 경험식의 47%의 수준이며, 지반-라이닝 상호작용 모델 관계식의 26%에 해당하는 값이다. 또한 지반등급 5의 경우 경험식의 39%, 지반-라이닝 상호작용 모델 관계식의 25%에 해당하는 값이기 때문에 특수한 지반조건을 제외한 일반적인 조건의 경우 보다 경제적인 콘크리트라이닝 설계가 가능할 것으로 판단된다.
지반이완하중 산정방법 중 이론식의 경우 점착력이 큰 암반터널에 적용하기에는 제약이 크며, 암반 분류 방법에 따른 경험식의 경우 지반이완하중 산정에 암반의 공학적 상태를 고려한 점은 합리적이나 중요한 매개변수의 부재와 지반과 지보재의 상호작용을 고려할 수 없는 단순 산술적인 식이기 때문에 한계가 분명하다고 판단하였다. 본 연구에 서는 다양한 매개변수를 고려할 수 있고 지보재의 역할을 모사할 수 있는 수치해석적 방법이 보다 합리적인 산정방법이라 판단하였다.
본 연구에서 적용한 Sakurai 한계변형률 개념 중가장 안전측인 Level 1을 이용하여 지반이완하중을 산정한 결과 지반등급 1～3의 경우 지반이완하중이 작용하지 않았으며 지반등급 4, 5의 경우는 산정된 지반이완하중고에 안전율(F.S = 2)를 적용할 경우 측벽부에 3.4 m와 3.7 m로 산정되었다. 이는 이론식의 19, 18%에 해당하고, 경험식에 47, 39% 해당하는 값이다.
점착력을 고려한 Terzaghi 이론식의 경우 암반의 큰 점착력으로 인하여 지반이완하중을 산정할 수 없으며 점착력을 고려하지 않은 사질토지반의 이론식과 비교한 결과 암반이 양호한 1등급의 경우에도 지반이 완하중고가 8.9m로 과다하게 산정되고 있는 것으로 나타났다.
후속연구
그러나 본 연구는 ○○터널의 지반이완하중 산정 사례의 대한 연구이며, 수치해석의 경우 지반의 불확실성을 모두 고려할 수 없고 본 연구에서 제안한 방법도 실제값이 아닌 추정값이기 때문에 다양한 조건에 서의 계측자료를 활용하여 정확한 지반이완하중을 검증하려는 노력이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
경험식에 의한 방법은 어떻게 나뉠 수 있나요?
경험식에 의한 방법은 크게 Terzaghi 암반하중 분류와 RMR 그리고 Q값에 의한 방법으로 구분할 수 있다. 터널의 경우 막장면과 상부 천단부의 암반상태에 따라 그 거동이 결정되기 때문에 지반이완하중을 산정 하는 방법이 보다 합리적이라 생각할 수 있다.
본 연구에서 Q-system에 의한 방법을 합리적인 산정방법으로 보기 어려운 이유는?
암반분류방법인 RMR과 Q-system을 이용한 경험 식의 경우에서도 지반등급 2에서 지반이완하중이 다소 크게 작용되고 있으며 Q-system에 의한 방법의 경우 암반의 기하학적 상태, 절리의 전단강도, 환경적인 요소에 따라 변화폭이 크기 때문에 객관적인 지반 이완하중산정에 어려움이 있을 것으로 판단된다. 이러한 경험식은 암반의 공학적 특징을 고려하였지만 지반이완하중을 산정에 사용되는 매개변수는 중 터널 심도와 측압계수와 같은 초기응력상태 및 NATM 터널의 지보재 역할을 고려할 수 없어 합리적인 산정방법으로 보기 어렵다.
터널의 지반이완하중 산정방법에는 어떤 것들이 있나?
터널의 지반이완하중 산정방법에는 이론식, 경험식, 수치해석적인 방법 등이 있는데 이론식과 경험식은 실무에 적용하기에는 많은 한계점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 그 중에서 수치해석적 방법이 지반이완하중 산정에 필요한 모든 매개변수를 고려할 수 있고, 지반과 지보재의 상호작용을 모사할 수 있기 때문에 보다 합리적인 방법이라 판단하였다.
참고문헌 (26)
Bierbaumer, A. (1913), "Die dimensionnierung des tunnelmanerwerks." pp. 101.
Bieniawski, Z.T. (1989), "Engineering rock mass classifications", John Wiley & Sons, pp. 162-169.
Chun, B.S., Shin, Y.W. (2000), "A case study on the design loads of tunnel concrete lining." Civil Expo, pp. 5-8.
Chun, B.S., Shin, Y.W. (2001), "A study on the design loads of NATM tunnel concrete lining." J. of Korean Society for Rock Mechanics TUNNEL & UNDERGROUND, Vol. 11, No. 2, pp. 96-108.
Grimstad, E., Barton, N. (1993), "Updating the Q-system for NMT." Proc. int. symp. on sprayed concrete - modern use of wet mix sprayed concrete for underground support, Fagernes. Oslo, pp. 46-66.
Huh, D.H., Chang, S.B., Moon, H.K. (2008), "A study on the secondary tunnel lining design using a ground lining interaction model." J. of The Korean Society for Geosystem Engineering, Vol. 45, No. 4, pp. 370-380.
Korean Tunneling Association. (2009), A manual of tunnel design criteria, CIR, Korea, pp. 145-165.
Kim, S.H., Park, I.J., Moon, H.K., Shin, Y.S. (2010), "A study on behavioral characteristics of concrete lining based on the equations of relaxed rock loads." J. of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 12, No. 6, pp. 443-450.
Kim, S.H., Kim, K.L., Jeong, S.S., Choi, W.I. Lee, K.J., Lee, S.W. (2012), "Estimation of the ground loads acting on concrete lining in NATM tunnel." Korean Society for Railway pp. 415-420.
Kwa'sniewsji, M., Takahashi, M. (2010), "Strainbased failure criteria for rocks : State of the art and recent advances." Rock Mechanics in Civil Environmental Engineering. pp. 45-56.
Park, J.J., Kim, Y.M., Hwang, T.J., Jeong, S.S. (2011), "Numerical analysis of tunnel lining under lossening Load." J. of THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY, Vol. 27, No. 7, pp. 35-45.
Park, S.H. (2013), "Engineering interpretation of critical strains in the ground and a new approach to assess the tunnel stability." Proc. of Tunnelling and Underground Space Construction for Sustainable Development., Korea Tunnelling Underground Space Association, Seoul, Korea, pp. 273-276.
Park, K.H., Shin, Y.W., Kim, J.J., Yoo, H.K. (2013), "A study on the estimation method of rock load applied to concrete lining using back analysis." J. of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 33, No. 5, pp. 1957-1968.
Rose, D. (1982), "Revising Terzaghi's tunnel rock load coefficient", Proc. 23rd U.S Symposium on Rock Mechanics., AIME, New york, pp. 953-960.
Ryu, D.H., Kim, S.C., Lee, C.J., Park, J.Y., Lim J.G., Moon, J.W. (2012), "A study on the application based on the equations of loosening loads for the optimized design of concrete lining." Korean Society for Railway, pp. 7-18.
Sakurai, S. (1981), "Direct strain evaluation technique in construction of underground opening", Proc. 22nd U,S, Sympo. Rock Mech., Cambridge, MIT, pp. 298-302.
Sakurai, S. (1982), "An evaluation technique of displacement measurements in tunnels", Journal of Geotechnical Engineering, JSCE, Vol, 317, pp 93-100.
Sakurai, S., I.Kawashima & T.Otani. (1995), "A criterion for assessing the stability of tunnels." Eurock'93, Ribeiro e Sousa & Grossmann(eds), pp. 969-973.
Sakurai, S. (1997), "Lesson learned from field measurements in tunnelling", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 12, No. 4, pp. 453-460.
Seo, S.H., Chang, S.B., Lee, S.D. (2002), "An analysis model of the secondary tunnel lining Considering ground-primary support-secondary lining interaction." J. of Korean Society for Rock Mech, Vol. 12, No 2, pp. 107-114.
Shin, Y.S., Park, S.H. (2009), "Engineering interpretation of critical strains in the ground based on the tunnel engineering." J. of TUNNELLING TECHNOLOGY, Vol 11, No. 4, pp. 403-410.
Terzaghi, K. (1943), Theoretical soil mechanics, John Wiley and Sons, New York, pp. 66-76.
The British Tunnelling Society and The Institution of Civil Engineers. (2004), Tunnel lining design guide, Thomas Telford, UK, pp. 92-95.
Unal, E. (1983), Design guideline and roof control standards for coal mine roofs, Ph.D. Thesis, The Pennsylvania State University.
Venkateswarlu, V. (1986), "Geomechanics classification of coal measure rocks vis-a-vis roof supports", Engineering Rock Mass Classification (ed. Bieniawski, Z. T.), John Wiley & Sons.
Yoo, K.H., Lee D.H., (2007), "The estimation of the relaxed rock mass height of a subsea tunnel under the overstressed ground conditions in coupled analysis." J. of Korean Society for Rock Mechanics, pp. 137-146.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.