[논문]터널에서의 숏크리트 응력 측정 사례 연구

김학준; 김미란

doi:10.9720/kseg.2014.1.81

터널에서의 숏크리트 응력 측정 사례 연구
Case Studies for the Stress Measurements on the Shotcrete Tunnel Lining 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.24 no.1, 2014년, pp.81 - 89

김학준 (대전대학교 지반방재공학전공) , 김미란 (대전대학교 지반방재공학전공)

초록
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국내 터널현장에서는 일차 지보재의 안정성 및 이차라이닝의 두께와 시공 시기 등을 결정하기 위하여 숏크리트에서 응력 측정을 수행하고 있다. 본 연구에서는 국내 여러 지역의 터널 현장에서 수행된 숏크리트 응력 측정 사례의 분석을 통하여 숏크리트 계측 현황 및 숏크리트 안정성 평가 기준의 문제점을 제시하였다. 또한 개선된 숏크리트 응력 계측 방법을 시공 중인 터널현장에 적용한 사례를 제시하였다. 현재와 같이 숏크리트의 안정성 평가를 측정응력의 절대적 크기를 통하여 수행하기 위해서는 숏크리트 응력 측정의 신뢰성 향상이 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

Stress measurements of shotcrete lining were performed to evaluate the stability of the primary lining and to determine the thickness and the construction timing of the secondary lining. The current situation of stress measurements of shotcrete and problems related to judging the safety of shotcrete linings are presented, based on the results of several case studies. An improved method of performing stress measurements on shotcrete lining is also presented. In evaluating the safety of shotcrete lining, the use of absolute values of measured stresses would improve the reliability of the measurements.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 국내 8개 지역, 9개 터널에서 측정된 숏크리트 응력 결과를 분석하여 국내 숏크리트 계측의 현황과 문제점을 분석하고자 한다. 또한 시공 중인 터널에서 기존의 숏크리트 계측 방법과 Kim et al. (2010)이 제안된 방법을 사용한 숏크리트 응력 계측 결과의 비교를 통하여 숏크리트 응력 측정의 신뢰성을 검증하고자 한다.
그러므로 국내 터널의 숏크리트 응력 계측값은 지반 하중에 의해 발생되는 절대적인 숏크리트 응력값이 아닌 숏크리트 타설 이후 시간 경과에 따른 숏크리트 라이닝의 상대적인 응력 변화에 더 의미를 두고 있다. 본 연구에서는 국내 8개 지역, 9개 터널에서 측정된 숏크리트 응력 결과를 분석하여 국내 숏크리트 계측의 현황과 문제점을 분석하고자 한다. 또한 시공 중인 터널에서 기존의 숏크리트 계측 방법과 Kim et al.
본 연구에서는 국내 여러 지역의 터널 현장에서 수행된 숏크리트 응력 측정의 사례 분석을 통하여 숏크리트 계측 현황 및 숏크리트 안정성 평가 기준의 문제점을 제시하였다. 본 연구로부터 얻어진 결과는 다음과 같다.

제안 방법

A, B, D, F, G, H 터널에서는 한 단면 당 5개의 숏크리트 응력계를 상반 좌/우, 하반 좌/우, 천단 등의 위치에 설치하여 계측이 수행되었다. C 터널은 한 단면당 좌/우 총 2개, E 터널은 천단부, 좌/우 측벽부에 총 3개의 숏크리트 응력계를 설치하여 계측을 수행하였다.
A, B, D, F, G, H 터널에서는 한 단면 당 5개의 숏크리트 응력계를 상반 좌/우, 하반 좌/우, 천단 등의 위치에 설치하여 계측이 수행되었다. C 터널은 한 단면당 좌/우 총 2개, E 터널은 천단부, 좌/우 측벽부에 총 3개의 숏크리트 응력계를 설치하여 계측을 수행하였다. 따라서 사례 연구 터널의 숏크리트 응력 측정에서는 한단면 당 총 5개의 숏크리트 응력계를 설치하는 것이 가장 일반적이었다.
무응력 상태에서 지반하중과 관계없이 발생하는 숏크리트 변형률을 측정하기 위하여 20 mm 두께의 목재로 600 × 600 mm의 규격의 몰드를 현장 숏크리트 타설 두께로 제작하였고 무응력 몰드를 70° 이상으로 세워 놓은 상태에서 라이닝을 타설하는 노즐맨에 의하여 현장 터널에 숏크리트를 타설하는 방법과 동일하게 분사하였다.
2 m 떨어진 좌측과 우측의 측벽부에각 세 개씩 총 여섯 개의 숏크리트 응력계를 설치하여 수행되었다. 숏크리트 응력은 숏크리트 지보재에서 측정된 변형률에서 동일 시간에 측정한 무응력 몰드 변형률을 뺀 후 100,000 kg/cm²의 숏크리트 변형계수를 이용 하여 결정하였다. 100,000 kg/cm² 의 변형계수는 숏크리트가 완전히 경화되지 않은 상태에서 많은 하중을 받게 됨을 고려하여 결정된 값이며 이 값은 Kuwajima (1991)에 의해서도 검증되었다.
숏크리트 응력은 측정된 숏크리트 변형률에 숏크리트 변형계수를 곱하여 구한다. 측정된 응력값은 MOCT (2007)에서 규정한 재령 28일 숏크리트 설계기준 강도 (210 kg/cm²)의 40%인 허용 압축응력(84 kg/cm²)과 비교하여 터널의 안정성을 평가한다.
현장에서의 숏크리트 응력 측정은 Fig. 5와 같이 터널 바닥으로부터 1.2 m 떨어진 좌측과 우측의 측벽부에각 세 개씩 총 여섯 개의 숏크리트 응력계를 설치하여 수행되었다. 숏크리트 응력은 숏크리트 지보재에서 측정된 변형률에서 동일 시간에 측정한 무응력 몰드 변형률을 뺀 후 100,000 kg/cm²의 숏크리트 변형계수를 이용 하여 결정하였다.

대상 데이터

국내 숏크리트 응력 측정의 사례를 검토하기 위하여 국내 8개 지역, 9개 터널의 숏크리트 응력 측정 자료를 분석하였다. 각 터널의 명칭은 현장의 보안 사항을 고려하여 제시하지 않았다.
연구가 수행된 현장은 경부고속철도 OO공구의 단선 터널이며 NATM 공법으로 상·하반 단면 굴착공법이 적용되었다. 터널의 직경은 15.7 m, 높이는 9.5 m, 연장은 4.75 km이며 숏크리트 계측이 수행된 구간의 지질은 옥천계 창리층 천매암질 편암으로 구성되어 있다.

이론/모형

4와 같이 철근을 이용하여 몰드에 고정하였다. 몰드에서 측정된 변형률을 응력으로 환산할 때 사용된 변형계수는 무응력 몰드에 타설된 숏크리트가 초기 재령임을 고려하여 You et al. (2007) 및 Ha et al. (2008)에 의하여 제시된 50,000 kg/cm²을 사용하였다. 무응력 몰드에서 측정된 최대 압축응력은 반경방향 2.
본 연구에서는 Kim et al. (2010)에 의해 제안된 숏크리트 계측 방법을 실제 터널 현장에 적용하였다. 연구가 수행된 현장은 경부고속철도 OO공구의 단선 터널이며 NATM 공법으로 상·하반 단면 굴착공법이 적용되었다.
연구가 수행된 현장은 경부고속철도 OO공구의 단선 터널이며 NATM 공법으로 상·하반 단면 굴착공법이 적용되었다.

성능/효과

1. 국내 8개 지역, 9개 터널의 숏크리트 응력 측정 자료를 분석한 결과에 의하면 숏크리트 계측은 한 단면당 총 5개의 숏크리트 응력계를 설치하는 것이 가장 일반적이었으며 각 터널별로 측정된 숏크리트의 최대 응력값과 측정시기를 제시하였다. 측정 결과의 분석에 의하면 터널 심도와 숏크리트 최대 응력 값은 뚜렷한 상관관계를 보이지 않았으며 일부 터널의 경우 얕은 터널에서 높은 최대 응력 값을 보였다.
2. 숏크리트의 최대 응력은 일반적으로 암반등급이 양호할수록 감소하는 경향을 보였으나 암반 등급과의 상관성을 보이지 않는 개별적인 계측 결과도 상당히 관찰되었다. 이러한 현상은 암반 등급이 불량한 경우에는 적절한 시기에 지보량의 증가와 함께 보강공법이 추가되는 것이 지반의 강도를 증진시키는 효과가 있기 때문으로 판단된다.
3. 응력환산을 위한 숏크리트 변형계수는 1개 터널을 제외한 모든 터널에서 비현실적으로 매우 큰 217,370 kg/cm²이 관행적으로 사용되었으며 사례 대상의 모든 터널에서 지반하중과 관계없이 발생되는 변형률에 의한 숏크리트 응력을 고려하지 않은 문제점이 있었다. 사례 연구 결과에 의하면 이러한 문제로 인하여 숏크리트 응력 측정값은 평균 약 34%의 오차를 보였다.
두 방법에 의해서 계산된 최대 응력값의 오차 범위는 약 36%이었으며 전체 측정값의 평균 오차는 약 34%이 었다. 국내 터널 건설의 경우 대부분 암반에서 공사가 이루어지며 암반상태가 불량한 경우에는 적절한 보강과 함께 숏크리트 지보재가 사용되므로 실제 숏크리트에는 대부분 허용응력보다 상당히 작은 응력이 작용하게 된다.
C 터널은 한 단면당 좌/우 총 2개, E 터널은 천단부, 좌/우 측벽부에 총 3개의 숏크리트 응력계를 설치하여 계측을 수행하였다. 따라서 사례 연구 터널의 숏크리트 응력 측정에서는 한단면 당 총 5개의 숏크리트 응력계를 설치하는 것이 가장 일반적이었다.
본 사례 연구 터널들의 경우 최대 응력값은 계측 시작 후 약 2~80일(평균 27.8일) 경과 후에 측정되었다. 지질과 최대 응력값 측정 기간과의 상관성은 자료수가 한정되어 있으므로 뚜렷하게 규명하기는 어렵지만 셰일에서 평균 43일로 가장 길었고 혼펠스에서는 2일로 가장 짧았다.
응력환산을 위한 숏크리트 변형계수는 1개 터널을 제외한 모든 터널에서 비현실적으로 매우 큰 217,370 kg/cm²이 관행적으로 사용되었으며 사례 대상의 모든 터널에서 지반하중과 관계없이 발생되는 변형률에 의한 숏크리트 응력을 고려하지 않은 문제점이 있었다. 사례 연구 결과에 의하면 이러한 문제로 인하여 숏크리트 응력 측정값은 평균 약 34%의 오차를 보였다.
각 터널의 명칭은 현장의 보안 사항을 고려하여 제시하지 않았다. 조사 항목은 계측이 수행된 지점의 응력 계측 결과, 지질, 터널 연장, 규격, 숏크리트 두께, 계측기 설치 위치 및 개수, 계측 지점의 터널 심도 (지표에서 터널 측벽부까지), 암반등급, 지보패턴, 응력 환산에 사용된 숏크리트 변형계수 등이다. Table 1은 사례 연구가 수행된 터널에서 얻어진 정보를 요약한 것이며 Table 2는 각 터널에서 지보패턴별로 사용된 숏크리트 두께를 보여주고 있다.
8일) 경과 후에 측정되었다. 지질과 최대 응력값 측정 기간과의 상관성은 자료수가 한정되어 있으므로 뚜렷하게 규명하기는 어렵지만 셰일에서 평균 43일로 가장 길었고 혼펠스에서는 2일로 가장 짧았다.
국내 8개 지역, 9개 터널의 숏크리트 응력 측정 자료를 분석한 결과에 의하면 숏크리트 계측은 한 단면당 총 5개의 숏크리트 응력계를 설치하는 것이 가장 일반적이었으며 각 터널별로 측정된 숏크리트의 최대 응력값과 측정시기를 제시하였다. 측정 결과의 분석에 의하면 터널 심도와 숏크리트 최대 응력 값은 뚜렷한 상관관계를 보이지 않았으며 일부 터널의 경우 얕은 터널에서 높은 최대 응력 값을 보였다.

후속연구

그러나 보다 신뢰성 있는 숏크리트 응력 측정을 위해서는 숏크리트 변형계수의 결정 및 지반하중과 상관없이 발생되는 변형률에 대한 보다 개선된 지침이 필요하다. 이를 위해서는 공신력 있는 기관에 의한 추가적인 연구가 필요하며 숏크리트 응력 측정의 신뢰성이 높아졌을 때 비로소 현재와 같이 숏크리트의 안정성 평가를 숏크리트 설계기준 강도의 40%인 허용 압축응력(84 kg/cm²)과 비교하여 수행하는 것에 대한 타당성이 확보될 것으로 사료된다.
현재와 같이 숏크리트의 안정성 평가를 숏크리트 설계기준 강도의 40%인 허용 압축응력(84 kg/cm²)과 비교하여 수행하기 위해서는 숏크리트 응력 측정의 신뢰성 향상이 필요하다. 이를 위해서는 숏크리트 변형계수의 결정 및 지반하중과 상관없이 발생되는 변형률에 대한 공신력 있는 기관에 의한 추가적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	숏크리트 계측 방법이 신뢰도가 떨어지는 이유는?	국내의 숏크리트 계측 방법은 MOCT (Ministry of Construction and Transportation, 2007)의 터널설계기준과 Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (2009)의 터널표준시방서에 의하여 제시되었다. 그러나 숏크리트 응력 측정은 숏크리트의 건조·수축 등과 같이 지반하중과 관계없이 발생되는 변형과 변형률을 응력으로 환산할 때 사용되는 숏크리트 변형계수 값의 시간 경과에 따른 변화 등으로 인하여 신뢰성 있는 숏크리트 응력측정 결과를 얻기가 매우 어렵다(Kim et al., 2010).
	숏크리트에서 응력 측정을 하는 이유는?	국내 터널현장에서는 일차 지보재의 안정성 및 이차라이닝의 두께와 시공 시기 등을 결정하기 위하여 숏크리트에서 응력 측정을 수행하고 있다. 본 연구에서는 국내 여러 지역의 터널 현장에서 수행된 숏크리트 응력 측정 사례의 분석을 통하여 숏크리트 계측 현황 및 숏크리트 안정성 평가 기준의 문제점을 제시하였다.
	국내의 숏크리트 계측 방법은?	국내 터널 건설에 가장 활발히 적용되고 있는 NATM공법에서는 숏크리트 안정성 및 이차라이닝의 두께와 시공 시기 등을 결정하기 위해서 주로 숏크리트에 응력계를 설치하여 계측을 수행하고 있다. 국내의 숏크리트 계측 방법은 MOCT (Ministry of Construction and Transportation, 2007)의 터널설계기준과 Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (2009)의 터널표준시방서에 의하여 제시되었다. 그러나 숏크리트 응력 측정은 숏크리트의 건조·수축 등과 같이 지반하중과 관계없이 발생되는 변형과 변형률을 응력으로 환산할 때 사용되는 숏크리트 변형계수 값의 시간 경과에 따른 변화 등으로 인하여 신뢰성 있는 숏크리트 응력측정 결과를 얻기가 매우 어렵다(Kim et al.

참고문헌 (13)

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Barton, N., Lien, R., and Lunde, J., 1974, Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support, Rock Mechanics, 6(4), 189-236.

상세보기
Bieniawski, Z. T., 1989, Engineering rock mass classifications, John Wiley & Sons, 251p.
Brierley, G. S., 1975, The performance during construction of the liner for a large, shallow underground opening in rock, Ph. D. Thesis, University of Illinois at Urbana-Champaign, 318p.
Ha, T. W., Kim, D. Y., Shin, Y. W., and Yang, H. S., 2008, Evaluation methods of shotcrete lining stresses considering steel rib capacities by two-dimensional numerical analysis, Tunnelling Technology, Korean Tunnelling Association, 10(3), 269-282 (in Korean).
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Kim, H. J., Park, S. H, and Bae, G. J., 2010, Suggestion for the improvement of the field measurements on the shotcrete lining, Tunnelling Technology, Korean Tunnelling Association, 12(2), 177-192 (in Korean).
Kuwajima, F. M., 1991, Behavior of shotcrete in shallow tunnels, Ph. D. Thesis, University of Alberta, Edmonton, Canada, 511p.
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2009, Standard specification for tunnelling, Korean Tunnelling Association, 135p (in Korean).
MOCT (Ministry of Construction and Transportation), 2007, Design standard for tunnelling, Korean Tunnelling Association, 138p (in Korean).
Park, D. S., Kim, H. J., and Kim, W. Y., 2003, A study on the lining load induced by backfill and consolidation grouting, The Journal of Engineering Geology, The Korean Society of Engineering Geology, 13(4), 445-456 (in Korean).
Terzaghi, K., 1946, Rock defects and loads on tunnel supports; In: Rock tunneling with steel supports by Proctor, R. V and White, T. L., Commercial Shearing Co., Ohio, 17-99.
You, K. H., Lee, M. H., and Park, Y. J., 2007, Comparison and validation on shotcrete modelling method for the quantitative stability estimation of a tunnel, Tunnelling Technology, Korean Tunnelling Association, 9(2), 99-107 (in Korean).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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