뒷채움 주입 거리에 따른 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 특성 분석 Analysis on the behavior of shield TBM cable tunnel: The effect of the distance of backfill grout injection from the end of skin plate원문보기
최근, tunnel boring machine (TBM)을 이용한 도심지 지중 전력구 터널 건설이 증가하고 있다. 쉴드 TBM을 이용한 기계화 터널 굴착 공법은 재래식 공법에 비해 지반침하를 최소화 하고 발파에 의한 진동을 줄일 수 있는 장점이 있다. 국내에서는 earth pressure balance(EPB) 쉴드 TBM이 주로 사용되고 있다. 그러나 전력구 터널 굴착을 위한 쉴드 TBM 공법이 증가함에도 불구하고, 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 분석에 관한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 후방주입 거리에 따른 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 특성을 분석하고, 굴착면 지반 손실과 후방주입 거리와의 상관관계를 도출하고자 한다. 쉴드 TBM을 이용한 터널 굴착은 3D FEM을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 뒷채움 그라우트가 설치되는 거리의 변화에 따른 축력, 전단력, 휨 모멘트와 같은 단면력을 검토하고 지표면에서의 연직 변위를 분석하였다. 또한, 유한요소해석으로 얻어진 결과와 안정성 분석에 기초하여, 지반과 터널 구조물의 안정성을 확보할 수 있는 뒷채움재 주입시기를 결정할 수 있다.
최근, tunnel boring machine (TBM)을 이용한 도심지 지중 전력구 터널 건설이 증가하고 있다. 쉴드 TBM을 이용한 기계화 터널 굴착 공법은 재래식 공법에 비해 지반침하를 최소화 하고 발파에 의한 진동을 줄일 수 있는 장점이 있다. 국내에서는 earth pressure balance(EPB) 쉴드 TBM이 주로 사용되고 있다. 그러나 전력구 터널 굴착을 위한 쉴드 TBM 공법이 증가함에도 불구하고, 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 분석에 관한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 후방주입 거리에 따른 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 특성을 분석하고, 굴착면 지반 손실과 후방주입 거리와의 상관관계를 도출하고자 한다. 쉴드 TBM을 이용한 터널 굴착은 3D FEM을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 뒷채움 그라우트가 설치되는 거리의 변화에 따른 축력, 전단력, 휨 모멘트와 같은 단면력을 검토하고 지표면에서의 연직 변위를 분석하였다. 또한, 유한요소해석으로 얻어진 결과와 안정성 분석에 기초하여, 지반과 터널 구조물의 안정성을 확보할 수 있는 뒷채움재 주입시기를 결정할 수 있다.
Recently, tunnelling with TBM is getting popular for the construction of cable tunnel in urban area. Mechanized tunnelling method using shield TBM has various advantages such as minimization of ground settlement and prevention of vibration induced by blasting that should be accompanied by convention...
Recently, tunnelling with TBM is getting popular for the construction of cable tunnel in urban area. Mechanized tunnelling method using shield TBM has various advantages such as minimization of ground settlement and prevention of vibration induced by blasting that should be accompanied by conventional tunnelling. In Korea, earth pressure balance (EPB) type shield TBM has been mainly used. Despite the popularity of EPB shield TBM for cable tunnel construction, study on the mechanical behavior of cable tunnel driven by shield TBM is insufficient. Especially, the effect of backfill grout injection on the behavior of cable tunnel driven by shield TBM is investigated in this study. Tunnelling with shield TBM is simulated using 3D FEM. The distance of backfill grout injection from the end of shield skin varies. Sectional forces such as axial force, shear force and bending moment are monitored. Vertical displacement at the ground surface is measured. Futhermore, the relation between volume loss and the distance of backfill grout injection from the end of skin plate is derived. Based on the stability analysis with the results obtained from the numerical analysis, the most appropriate injection distance can be obtained.
Recently, tunnelling with TBM is getting popular for the construction of cable tunnel in urban area. Mechanized tunnelling method using shield TBM has various advantages such as minimization of ground settlement and prevention of vibration induced by blasting that should be accompanied by conventional tunnelling. In Korea, earth pressure balance (EPB) type shield TBM has been mainly used. Despite the popularity of EPB shield TBM for cable tunnel construction, study on the mechanical behavior of cable tunnel driven by shield TBM is insufficient. Especially, the effect of backfill grout injection on the behavior of cable tunnel driven by shield TBM is investigated in this study. Tunnelling with shield TBM is simulated using 3D FEM. The distance of backfill grout injection from the end of shield skin varies. Sectional forces such as axial force, shear force and bending moment are monitored. Vertical displacement at the ground surface is measured. Futhermore, the relation between volume loss and the distance of backfill grout injection from the end of skin plate is derived. Based on the stability analysis with the results obtained from the numerical analysis, the most appropriate injection distance can be obtained.
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문제 정의
즉, 3차원 해석을 수행하는 경우 가정사항에 근거한 Gap Parameter를 산정할 필요성이 감소하게 된다. 본 연구에서는 뒷채움 그라우트의 주입 거리(후방주입 거리)에 따른 세그먼트 라이닝의 안정성과 지표침하의 거동을 동시에 획득 할 수 있는 3차원 쉴드 TBM 모델 구축 기법을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 뒷채움 그라우트의 후방주입 거리에 따른 쉴드 TBM 터널과 지반의 거동 분석을 수행하기 위하여 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소 해석 프로그램 MIDAS-GTS NX를 이용하여 합리적인 모델과 시공단계를 제시하고 지반의 연직 침하와 세그먼트 라이닝의 안정성을 동시에 파악할 수 있는 분석법을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 후방주입 거리에 따른 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 특성을 분석하기 위하여 3차원 유한요소해석 연구를 수행하였다. 특히, 후방주입 거리에 따라 변하는 지반의 연직 변위와 Volume loss와의 상관관계를 분석하고 세그먼트 라이닝에 발생되는 단면력을 분석하였다.
쉴드 TBM 유한요소해석 모델링 정립에 사용된 TBM 제원 및 세그먼트 단면은 기설 154 kV ○○ 변전소와 ○○ 변전소간 계통 구성을 위해 20○○년 ○월 ○일∼20○○년 ○월 ○일 수행된 설계 보고서를 바탕으로 하였다.
본 연구에서는 뒷채움 그라우트의 후방주입 거리에 따른 쉴드 TBM 터널과 지반의 거동 분석을 수행하기 위하여 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소 해석 프로그램 MIDAS-GTS NX를 이용하여 합리적인 모델과 시공단계를 제시하고 지반의 연직 침하와 세그먼트 라이닝의 안정성을 동시에 파악할 수 있는 분석법을 제시하고자 한다. 또한 유한요소해석으로 얻어진 최대 지반 침하량과 변곡점의 위치로 VL의 값을 도출한 뒤 CTRL project의 측정값과 비교 분석을 수행했다.
가설 설정
하지만 이러한 방법은 실제 쉴드 TBM 거동과는 다르며, 지표의 연직 침하가 과대 예측이 되는 경향이 있다. 또한 굴착면 손실로 발생하는 3차원 움직임을 가정해서 입력해야 하고 하중 분담율을 적용해야 하므로 터널 내부의 변위 수렴 정도를 미리 가정해야 한다.
뒷채움 그라우트와 풍화암 및 풍화토는 Solid 요소로 모델링하는 것이 가장 효과적이라고 판단하였다. 본 연구에서 뒷채움 그라우트는 지반의 이완거동에 따른 하중을 세그먼트에 전달하는 탄성구조체로 가정하여 모델을 구축하였다. Fig.
세그먼트 라이닝의 설계기준강도는 24 MPa의 세그먼트이며 허용 압축응력, 허용 인장응력, 허용 전단응력 계산 결과는 Table 5에 나타냈다. 가장 큰 단면력을 나타내는 Case 1인 경우에 대하여, 시공단계 완료 상태인 세그먼트의 모든 요소에 대하여 발생되는 최대 단면력을 검토했다. 식 (2)은 휨 압축응력, 식 (3)는 휨인장응력, 식 (4)은 전단응력을 나타내며 결과값은 Table 6에 허용 응력과 비교하여 정리하였다.
또한 유한요소해석으로 얻어진 최대 지반 침하량과 변곡점의 위치로 VL의 값을 도출한 뒤 CTRL project의 측정값과 비교 분석을 수행했다. 그리고 단위길이에 대한 총 침하 부피량 (VS)와 VL의 관계를 분석하였으며, 후방주입 거리에 따른 VL의 상관관계를 도출하였다.
기존의 세그먼트 라이닝 설계는 2차원 구조해석 프로그램을 이용하여 적절한 단면을 산출한 뒤 안정성을 검토 하였다. 또한 세그먼트 라이닝 설계와는 별개로 3차원 유한요소해석을 이용하여 지반의 침하를 예측하였다.
따라서, 후방주입 모사 시공단계에서는 쉴드 길이 4 m 만큼 지반이 굴착 된 후 세그먼트 라이닝의 자중(PS(γconcret · Area)=54.24 kN/m)이 바닥에 beam load 요소로 작용하도록 모델링 하였다.
기존의 세그먼트 라이닝 설계는 2차원 구조해석 프로그램을 이용하여 적절한 단면을 산출한 뒤 안정성을 검토 하였다. 또한 세그먼트 라이닝 설계와는 별개로 3차원 유한요소해석을 이용하여 지반의 침하를 예측하였다. 하지만 3차원 유한요소해석 프로그램을 이용하여 적절한 요소로 모델링을 수행하면 세그먼트 라이닝에 발생되는 단면력과 응력을 구할 수 있다.
유한요소 해석 프로그램 MIDAS-GTS NX를 이용하여 합리적인 모델과 시공단계를 제시하고 지반의 연직 침하와 세그먼트 라이닝의 안정성을 동시에 파악할 수 있는 분석법을 제시하고자 한다. 또한 유한요소해석으로 얻어진 최대 지반 침하량과 변곡점의 위치로 VL의 값을 도출한 뒤 CTRL project의 측정값과 비교 분석을 수행했다. 그리고 단위길이에 대한 총 침하 부피량 (VS)와 VL의 관계를 분석하였으며, 후방주입 거리에 따른 VL의 상관관계를 도출하였다.
이를 위해 3차원 유한요소법을 적용하여 쉴드 TBM의 합리적인 모델링 방법을 제시 하였다. 또한 이러한 합리적인 모델을 바탕으로 후방 주입 거리에 따른 세그먼트의 단면력을 분석하고 허용응력 설계법을 바탕으로 세그먼트의 안정성을 분석 하였다. 종전에 구조해석과 지반 침하 확인을 위한 유한요소해석을 각각 수행하는 불편함을 해소하기 위해 세그먼트의 안정성과 지반 침하를 동시에 분석할 수 있는 기반을 제시했다.
Shell 요소로부터 요소 두께의 상단, 중간, 하단에서 발생되는 힘을 결과 값으로 추출 할 수 있다. 본 연구에서는 세그먼트와 쉴드를 Shell 요소로 적용함으로써 단면력을 결과 값으로 얻을 수 있었다. Solid 요소를 사용하고 응력을 획득한 뒤 작용 힘을 각 단면마다 계산하여 단면력을 구할 수 있지만, 빠른 안정성 판단을 위해서는 Shell 요소가 가장 적절하다고 판단하였다.
본 연구에서는 쉴드 스킨 후방 1 m 지점에 세그먼트와 뒷채움 그라우트가 설치되는 즉시주입 공법과, 쉴드 스킨 후방 2 m, 4 m, 6 m, 8 m 지점에 세그먼트와 뒷채움 그라우트가 설치되는 후방주입 거리에 따른 분석을 수행했다. 수행된 Case는 Table 2에 정리하였으며, Case 1에 대한 시공단계는 Table 3에 정리하였다.
즉 3차원 유한요소해석을 통해 지반의 거동과 세그먼트의 안정성을 동시에 검토할 수 있다. 세그먼트 라이닝과 같은 콘크리트 구조물은 허용응력 검토를 수행하여 허용응력을 초과하는 응력이 발생되는 경우 강도 설계법을 적용하여 철근량을 산정하는 것이 일반적이나, 본 연구 대상 터널에 발생되는 응력은 허용응력이내이므로 강도 설계법은 생략하였다.
세그먼트의 안정성을 판단하기 위해 최대주응력, 축력, 휨모멘트, 전단력을 분석했다. 발생되는 응력과 힘은 터널이 80 m 굴착이 되었을 때 세그먼트의 모든 요소에 대하여 검토되었다.
쉴드 스킨과 세그먼트 라이닝은 각각 0.1 m와 0.2 m 두께의 Shell 요소로 모델링 한다. Shell 요소로부터 요소 두께의 상단, 중간, 하단에서 발생되는 힘을 결과 값으로 추출 할 수 있다.
앞서 구축한 동일한 모델로부터 지반 침하를 획득 하여 터널 굴착면의 지반 손실량 VL과 지표면 침하곡선에서의 단위길이에 대한 총 침하 부피량 VS의 관계를 분석했다. 터널굴착으로 인해 발생되는 지반침하 예측은 현재 Peck (1969)이 제안한 에러 함수가 자주 사용되고 있다(Son et al.
특히, 후방주입 거리에 따라 변하는 지반의 연직 변위와 Volume loss와의 상관관계를 분석하고 세그먼트 라이닝에 발생되는 단면력을 분석하였다. 이를 위해 3차원 유한요소법을 적용하여 쉴드 TBM의 합리적인 모델링 방법을 제시 하였다. 또한 이러한 합리적인 모델을 바탕으로 후방 주입 거리에 따른 세그먼트의 단면력을 분석하고 허용응력 설계법을 바탕으로 세그먼트의 안정성을 분석 하였다.
또한 이러한 합리적인 모델을 바탕으로 후방 주입 거리에 따른 세그먼트의 단면력을 분석하고 허용응력 설계법을 바탕으로 세그먼트의 안정성을 분석 하였다. 종전에 구조해석과 지반 침하 확인을 위한 유한요소해석을 각각 수행하는 불편함을 해소하기 위해 세그먼트의 안정성과 지반 침하를 동시에 분석할 수 있는 기반을 제시했다. 후방주입 거리가 증가 할수록 지반의 연직 침하는 증가했다.
본 연구에서는 후방주입 거리에 따른 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 특성을 분석하기 위하여 3차원 유한요소해석 연구를 수행하였다. 특히, 후방주입 거리에 따라 변하는 지반의 연직 변위와 Volume loss와의 상관관계를 분석하고 세그먼트 라이닝에 발생되는 단면력을 분석하였다. 이를 위해 3차원 유한요소법을 적용하여 쉴드 TBM의 합리적인 모델링 방법을 제시 하였다.
대상 데이터
이는 쉴드 TBM 공법으로 시행된 CTRL project (Channel Tunnel Rail Link)에서 측정된 범위와 유사함을 확인할 수 있다. CTRL project는 다양한 점토와 흙을 포함 하는 복합지반에서 수행되었으며, 외경 8.15 m의 EPB 쉴드 TBM을 이용하여 건설되었다. CTRL project에서 탈수 상태의 모래지반에서는 0.
변위는 터널이 모두 시공된 후 발생된 최대 침하 지점에서 터널 시공단계에 따라 측정했다. 측정지점은 터널 중심축 상부이다. 대부분의 경우 지표면의 연직 변위는 20 m 굴착 시 수렴되는 특성을 나타낸다.
이론/모형
2차원 유한요소해석에는 주로 변위 제어 모델 (Displacement Control Model, DCM) 방법을 이용하여 유한요소해석을 수행한다. DCM 방법은 Gap Parameter를 포함한 터널 모델을 만든 뒤 터널의 외경 부분을 터널 내부의 한 점으로 수렴하게 하여 세그먼트 라이닝에 접촉 시키는 방법이다.
성능/효과
본 연구에서는 세그먼트와 쉴드를 Shell 요소로 적용함으로써 단면력을 결과 값으로 얻을 수 있었다. Solid 요소를 사용하고 응력을 획득한 뒤 작용 힘을 각 단면마다 계산하여 단면력을 구할 수 있지만, 빠른 안정성 판단을 위해서는 Shell 요소가 가장 적절하다고 판단하였다. 뒷채움 그라우트와 풍화암 및 풍화토는 Solid 요소로 모델링하는 것이 가장 효과적이라고 판단하였다.
Solid 요소를 사용하고 응력을 획득한 뒤 작용 힘을 각 단면마다 계산하여 단면력을 구할 수 있지만, 빠른 안정성 판단을 위해서는 Shell 요소가 가장 적절하다고 판단하였다. 뒷채움 그라우트와 풍화암 및 풍화토는 Solid 요소로 모델링하는 것이 가장 효과적이라고 판단하였다. 본 연구에서 뒷채움 그라우트는 지반의 이완거동에 따른 하중을 세그먼트에 전달하는 탄성구조체로 가정하여 모델을 구축하였다.
05%를 나타냈으며 이는 Case 5의 경우에 비해 88% 감소된 값을 나타냈다. 또한 즉시주입에 비해 Case 2의 VL는 큰 폭으로 증가하였으며 후방주입 거리가 증가함에 따라 VL증가폭은 감소하여 일정한 값으로 수렴하는 것으로 나타났다. 즉, 지반 연직 침하 억제를 우선적으로 고려 할 때 즉시주입으로 인한 지반 침하 억제 효과는 후방주입보다 효과적이라고 판단된다.
후방주입 거리가 증가 할수록 지반의 연직 침하는 증가했다. 반면, 세그먼트에 발생되는 축력, 휨 모멘트 및 전단력은 후방주입 거리가 증가 할수록 감소하는 경향을 나타냈다. 즉시 주입으로 지반의 내공 변위를 제어함으로써 지반의 이완이 제어되는 경우, 지반 침하를 최대한 감소 시킬 수 있지만 세그먼트에 발생되는 단면력이 증가한다.
5(b)의 그래프에서 Case 1의 경우, 급격한 기울기로 최대값에 빨리 수렴하는 반면, 뒷채움재의 후방주입 거리가 증가할수록 최대값에 수렴하기까지 기울기는 완만해진다. 본 연구 결과, 후방 주입인 경우 세그먼트에 발생되는 축력은 다른 단면력에 비해 일정한 값으로 수렴하기까지 시간이 상대적으로 오래 걸림을 알 수 있다. 세그먼트에 발생되는 축력은 다른 단면력에 비해 크기가 크고 지속적으로 세그먼트의 안정성에 영향을 미칠 것으로 판단된다.
터널 내공 변위를 억제한 Case 1의 경우 가장 큰 휨모멘트를 나타낸다. 응력 이완의 정도에 따라 Case 5까지 점차 줄어드는 휨모멘트를 확인 할 수 있으며, 최대 휨모멘트가 발현되는 순간 역시 순차적으로 증가함을 확인 할 수 있다. 이는 그래프 상에서 최대값에 수렴하기까지 기울기로 확인 할 수 있다.
또한 즉시주입에 비해 Case 2의 VL는 큰 폭으로 증가하였으며 후방주입 거리가 증가함에 따라 VL증가폭은 감소하여 일정한 값으로 수렴하는 것으로 나타났다. 즉, 지반 연직 침하 억제를 우선적으로 고려 할 때 즉시주입으로 인한 지반 침하 억제 효과는 후방주입보다 효과적이라고 판단된다. 실제 터널 시공 시 최대한 빨리 뒷채움 그라우트를 시행하는 것이 지반침하의 억제에 중요한 부분이라는 점을 확인할 수 있다.
식 (2)은 휨 압축응력, 식 (3)는 휨인장응력, 식 (4)은 전단응력을 나타내며 결과값은 Table 6에 허용 응력과 비교하여 정리하였다. 최대 작용 응력의 비교 결과, 설계된 세그먼트 라이닝은 허용응력 이내 존재함을 알 수 있다. 본 논문에서 참고한 기설 154 kV ○○ 변전소와 ○○ 변전소간 계통 구성을 위해 수행된 설계 보고서에 따르면, 본 연구에서 획득한 세그먼트에 발생되는 최대 응력 값이 구조해석 프로그램 및 2차원 유한요소해석을 이용 하여 획득한 결과와 유사함을 확인했다.
즉시 주입으로 지반의 내공 변위를 제어함으로써 지반의 이완이 제어되는 경우, 지반 침하를 최대한 감소 시킬 수 있지만 세그먼트에 발생되는 단면력이 증가한다. 후방주입 거리에 따른 Volume loss의 분석 결과, 지반 침하 억제 측면에서는 즉시주입이 효과적임을 알 수 있었고, 후방주입 거리가 늘어날수록 Volume loss의 증가 폭은 점차 수렴되는 것을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Gap Parameter란 무엇인가?
2차원 유한요소해석과 3차원 유한요소해석의 가장 큰 차이점은 Gap Parameter의 적용 여부이다. Gap Parameter는 쉴드 TBM 터널 시공 중 발생하는 체적손실에 의한 변위를 정량화 시켜 유한요소해석 모델에 입력 할 수 있도록 한 것이다(Lee et al., 1992).
쉴드 TBM을 이용한 기계화 터널 굴착 공법의 장점은?
최근, tunnel boring machine (TBM)을 이용한 도심지 지중 전력구 터널 건설이 증가하고 있다. 쉴드 TBM을 이용한 기계화 터널 굴착 공법은 재래식 공법에 비해 지반침하를 최소화 하고 발파에 의한 진동을 줄일 수 있는 장점이 있다. 국내에서는 earth pressure balance(EPB) 쉴드 TBM이 주로 사용되고 있다.
DCM 방법의 문제점은?
DCM 방법은 Gap Parameter를 포함한 터널 모델을 만든 뒤 터널의 외경 부분을 터널 내부의 한 점으로 수렴하게 하여 세그먼트 라이닝에 접촉 시키는 방법이다. 하지만 이러한 방법은 실제 쉴드 TBM 거동과는 다르며, 지표의 연직 침하가 과대 예측이 되는 경향이 있다. 또한 굴착면 손실로 발생하는 3차원 움직임을 가정해서 입력해야 하고 하중 분담율을 적용해야 하므로 터널 내부의 변위 수렴 정도를 미리 가정해야 한다.
참고문헌 (10)
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