[논문]이음부 강성계수가 세그먼트 설계에 미치는 영향

최우용; 박종덕; 이석원

doi:10.9711/ktaj.2014.16.1.063

이음부 강성계수가 세그먼트 설계에 미치는 영향
Influence of the joint stiffness on the segment design 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.16 no.1, 2014년, pp.63 - 74

최우용 (건국대학교, 사회환경시스템공학과) , 박종덕 (건국대학교, 사회환경시스템공학과) , 이석원 (건국대학교, 사회환경시스템공학과)

초록
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쉴드 TBM 터널의 라이닝은 세그먼트로 구성되므로, 각각의 세그먼트가 서로 연결되면서 세그먼트 이음부를 발생시킨다. 세그먼트 이음부는 쉴드 TBM 설계에 있어 강성계수로 적용되어지는데, 세그먼트 이음부 강성계수는 그 결정 방법에 따라 결과 값이 현저한 차이를 보인다. 따라서 서로 다른 강성계수를 설계에 적용하였을 경우 그 결과가 어떻게 다른지에 대한 검토가 필요하다. 본 연구에서는 세그먼트 이음부 강성계수를 이론식을 통해 결정한 후 일정한 범위를 선정하였다. 그 범위 내에서 강성계수를 변화해가며 터널 단면 수치해석을 실시하여 세그먼트 라이닝 부재력을 도출하였고, 이에 강도설계법을 적용하여 세그먼트 라이닝 안정성 검토를 실시하였다. 그 결과 세그먼트 이음부 강성계수는 세그먼트 라이닝 설계에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The lining of shield TBM tunnel is composed of segments, therefore segment joints are induced by connecting each segment. Segment joint is considered as joint stiffness in the design of TBM tunnel. Depending on the choice among the different stiffness equations, the joint stiffness values determined can be varied largely. Therefore, the influence of joint stiffness value on the design of segment lining should be verified. In this study, the joint stiffness values were determined firstly by using various equations and total change boundary was justified. Within the change boundary determined, the member forces were calculated by changing the joint stiffness through the numerical analysis and consequently the stability of segment lining was investigated by applying nominal strength. The results showed that the segment joint stiffness did not affect the design of segment lining largely.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수치해석 결과를 강도설계법에 따른 공칭강도와 비교하여 각 강성계수의 변화 범위 내에서 세그먼트 라이닝의 안정성을 축력, 전단력, 휨모멘트에 대하여 검토하였다. 공칭강도 계산에 사용된 세그먼트 단면은 3.
본 연구에서는 쉴드 TBM 터널 설계 단계에서 세그먼트 이음부 강성계수의 산정 방법이 달라짐에 따라 세그먼트 라이닝 설계에 영향을 미치는지를 수치해석적 방법을 통해 알아보았다. 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 이론적 방법으로 결정한 세그먼트 이음부 강성계수를 이용하여 터널 단면 수치해석을 실시하였다. 세그먼트 이음부 강성계수를 변수로 두어 앞서 제시한 세그먼트 이음부 강성계수 변화 범위 내에서 수치해석을 실시함으로써, 세그먼트 이음부강성계수의 변화가 세그먼트 라이닝 안정성에 영향을 미치는지 알아보았다. 해석 프로그램은 SAP2000을 사용하였다.

가설 설정

Janssen 식은 세그먼트 간 이음부는 선형 탄성 재료이며 이음부는 서로 완전히 맞닿아 있다고 가정한다. 맞닿아 있는 길이는 l_t 이며 이를 한 변으로 하는 정사각형을 Janssen joint로 정의하였다.
세그먼트 이음부의 영향을 고려하는 것이 목적이므로 하중의 종류 및 형태는 최대한 단순화 하였다. 하부연직토압은 작용‧반작용의 법칙을 따른다고 가정하여 상부연직토압과 같게 하였다. 점토의 상부연직토압의 경우 N값이 4이기 때문에 전체 토피의 토압인 ɤ·H으로 적용하였고, 풍화토의 경우는 Terzaghi의 이완 토압을 적용하였다.

제안 방법

빔-스프링 모델은 빔 요소와 스프링 요소로 쉴드 TBM 터널 단면을 모델링 하는 방법으로 세그먼트 이음부를 모두 모델링 할 수 있는 장점이 있다. 링을 몇 개로 모델링 하느냐에 따라 1링 모델, 2링 모델로 나뉘는데, 본 연구에서는 링간 이음부와 세그먼트 간 이음부 모두를 고려해야 하므로 2링 모델을 선택하였다. 2링 모델은 두개의 링을 모델링 하므로 실제 시공과 같은 링의 지그재그 조립 패턴을 모사할 수 있고, 모든 이음부 강성을 고려할 수 있는 장점이 있다.
본 연구에서는 기존에 수행되었던 실제 쉴드 TBM 설계 자료들을 이용하여 앞서 소개한 이론식들을 통해 세그먼트 이음부 강성계수를 계산하였다. 계산에 사용된 자료들은 총 5가지이며, 각각의 제원은 Table 1과 같다.
본 연구에서는 여러 가지 이론적 방법을 통해 다수의 세그먼트 이음부 강성계수 값을 얻었고, 이를 토대로 그 변화 범위를 설정하였다. 이 변화 범위 안에서 세그먼트 이음부 강성계수를 변수로 하여 터널 단면 수치해석을 실시하였고, 이를 통해 세그먼트 이음부강성계수의 변화가 세그먼트 라이닝 안정성에 미치는 영향을 알아보았다.
본 연구에서는 이론적 방법으로 결정한 세그먼트 이음부 강성계수를 이용하여 터널 단면 수치해석을 실시하였다. 세그먼트 이음부 강성계수를 변수로 두어 앞서 제시한 세그먼트 이음부 강성계수 변화 범위 내에서 수치해석을 실시함으로써, 세그먼트 이음부강성계수의 변화가 세그먼트 라이닝 안정성에 영향을 미치는지 알아보았다.
07m의 원형단면이며 모델링은 그 평균값을 직경으로 하여 모델링 하였다. 세그먼트 간 이음부는 회전스프링으로, 링 간 이음부는 전단스프링으로 모델링 하였으며 세그먼트 본체는 빔 요소로, 지반반력은 지반스프링으로 모델링 하였다. 링은 6개의 세그먼트와 1개의 키 세그먼트로 구성하였다.
세그먼트 이음부의 경우 2절의 내용을 바탕으로 회전강성계수의 경우 10,000 ~ 900,000 kN·m/rad의 범위 안에서 변화해가며 해석을 실시하였고, 전단강성계수의 경우 10,000 ~ 5,000,000 kN/m의 범위로 변화시켜가며 해석을 실시하였다.
점토의 상부연직토압의 경우 N값이 4이기 때문에 전체 토피의 토압인 ɤ·H으로 적용하였고, 풍화토의 경우는 Terzaghi의 이완 토압을 적용하였다. 수평토압의 기본 개념은 상부연직토압에 측압계수를 곱한 것이며 최상단(p₁), 스프링라인(p₂), 최하단(p₃)으로 나누어 사다리꼴을 이루게 하였다. 스프링라인의 수평토압은 이곳에 가상의 이완토압이 연직방향으로 작용한다고 가정하여 계산한 후 측압계수를 곱해준 값이다.
본 연구에서는 여러 가지 이론적 방법을 통해 다수의 세그먼트 이음부 강성계수 값을 얻었고, 이를 토대로 그 변화 범위를 설정하였다. 이 변화 범위 안에서 세그먼트 이음부 강성계수를 변수로 하여 터널 단면 수치해석을 실시하였고, 이를 통해 세그먼트 이음부강성계수의 변화가 세그먼트 라이닝 안정성에 미치는 영향을 알아보았다.
점토의 상부연직토압의 경우 N값이 4이기 때문에 전체 토피의 토압인 ɤ·H으로 적용하였고, 풍화토의 경우는 Terzaghi의 이완 토압을 적용하였다.
지반 조건은 점토 지반과 풍화토 지반에 대해 각각 모델링 하였다. 각 지반 정수의 선정 근거는 여러 지반조사보고서와 토목구조물 설계 표준․동해설 실드 터널편(2000)을 토대로 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 수치해석 결과를 강도설계법에 따른 공칭강도와 비교하여 각 강성계수의 변화 범위 내에서 세그먼트 라이닝의 안정성을 축력, 전단력, 휨모멘트에 대하여 검토하였다. 공칭강도 계산에 사용된 세그먼트 단면은 3.2.3절에서 소개한 수치해석 모델에 사용된 콘크리트 제원을 이용하였고, 사용 철근량은 인장철근과 압축철근 모두 직경 19mm 철근을 10개씩 1단으로 배열하였고 전단철근의 경우 직경 16mm 철근을 450mm 간격으로 배근하였다. 강도감소계수는 축력의 경우 축방향 압축부재에 사용하는 0.
대상 터널 단면은 외경 7.77m, 내경 7.07m의 원형단면이며 모델링은 그 평균값을 직경으로 하여 모델링 하였다. 세그먼트 간 이음부는 회전스프링으로, 링 간 이음부는 전단스프링으로 모델링 하였으며 세그먼트 본체는 빔 요소로, 지반반력은 지반스프링으로 모델링 하였다.
6에 나타내었다. 본 모델링에 적용된 토피고, H는 지표면으로부터 터널 천단부까지의 거리가 19m이다.
본 수치해석에 모델링 된 세그먼트 라이닝의 단면은 본 연구에서 수집한 기존 설계서 및 자료를 바탕으로 선정하였으며, 세그먼트 폭 1.5m, 높이 0.35m이고 그 제원은 Table 7과 같다.

데이터처리

세그먼트 이음부 강성계수를 변수로 두어 앞서 제시한 세그먼트 이음부 강성계수 변화 범위 내에서 수치해석을 실시함으로써, 세그먼트 이음부강성계수의 변화가 세그먼트 라이닝 안정성에 영향을 미치는지 알아보았다. 해석 프로그램은 SAP2000을 사용하였다.

이론/모형

지반 조건은 점토 지반과 풍화토 지반에 대해 각각 모델링 하였다. 각 지반 정수의 선정 근거는 여러 지반조사보고서와 토목구조물 설계 표준․동해설 실드 터널편(2000)을 토대로 하였다. 최종 결정된 지반 정수를 Table 4에 나타내었다.
지반반력은 뒷채움 주입과 주변 지반의 2층 변형 특성을 고려한 Muir Wood (1975)의 이론해를 사용하였다. 자중은 프로그램 상에서 자동으로 고려 되도록 설정하였다.
해석 모델은 국내에서 주로 사용되고 있는 빔-스프링 모델을 사용하였다. 빔-스프링 모델은 빔 요소와 스프링 요소로 쉴드 TBM 터널 단면을 모델링 하는 방법으로 세그먼트 이음부를 모두 모델링 할 수 있는 장점이 있다.

성능/효과

2. 전단강성계수가 증가 할수록 세그먼트 라이닝 부재력은 증가하고, 회전강성계수가 증가 할수록 세그먼트 라이닝 부재력은 감소하는 경향을 나타냈다
3. 전단강성계수의 경우 100,000 kN/m, 회전강성계수의 경우 100,000 kN·m/rad 이상부터는 부재력이 더 이상 변화하지 않고 일정하게 수렴하는 양상을 띠었다.
4. 세그먼트 라이닝 부재력과 강도설계법에 의한 세그먼트 라이닝의 공칭강도를 비교해본 결과, 세그먼트 라이닝 안정성에 큰 문제가 없었고, 따라서 세그먼트 이음부 강성계수는 쉴드 TBM 터널 설계에 있어 크게 영향을 미치는 요소가 아닌 것으로 판단된다.
각 강성계수의 검토 범위 내에서 세그먼트 라이닝의 부재력은 공칭강도 이내인 것으로 나타났다. 따라서 전단강성계수와 회전강성계수는 쉴드 TBM 터널의 세그먼트 라이닝 안정성에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 단, 본 논문의 연구결과는 가정된 2가지 지반조건 및 1가지 터널 단면에서 유도된 결과이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세그먼트 이음부의 외부 작용 하중에 대한 안정성이 중요한 이유는 무엇인가?	쉴드 TBM 터널의 경우 그 라이닝이 콘크리트 세그먼트로 이루어져 있고, 이를 각각 연결하여 터널 라이닝을 완성하게 되므로 반드시 이음부가 발생하게 된다. 이러한 세그먼트 이음부는 세그먼트 본체와 마찬가지로 쉴드 TBM 터널 구조물을 이루고 있는 요소이므로 역학적인 관점에서 외부 작용 하중에 대해 안정성을 띠어야 한다. 이를 해석하는 과정에서 세그먼트 이음부는 세그먼트 본체와는 다르게 취급되어야 할 것이며, 현재 국내의 쉴드 TBM 터널설계에 있어서 세그먼트 이음부는 하나의 강성계수로써 나타내어진다.
	쉴드 TBM 공법의 사용률이 증가한 이유는 무엇인가?	최근 국내에 도심지 터널 굴착 및 초장대 터널 굴착이 증가 하면서, 이러한 현장에 적합한 터널 굴착공법으로 쉴드 TBM 공법을 선정하는 빈도가 잦아지고 있다. 또한 쉴드 TBM 관련 연구도 크게 증가하고 있다(Moon et al.
	쉴드 TBM 공법으로 건설된 터널의 라이닝은 무엇으로 이루어져 있는가?	, 2013). 쉴드 TBM 터널의 경우 그 라이닝이 콘크리트 세그먼트로 이루어져 있고, 이를 각각 연결하여 터널 라이닝을 완성하게 되므로 반드시 이음부가 발생하게 된다. 이러한 세그먼트 이음부는 세그먼트 본체와 마찬가지로 쉴드 TBM 터널 구조물을 이루고 있는 요소이므로 역학적인 관점에서 외부 작용 하중에 대해 안정성을 띠어야 한다.

참고문헌 (9)

Groeneweg, T.W. (2007), "Shield driven tunnels in ultra high strength concrete", Mater thesis, Delft University of Technology.
Janssen, P. (1983), "Tragverhalten von tunnelausbauten mit gelenktubbings", Ph.D. Thesis, Technischen Universitat Carolo-Wilhelmina.
JSCE (2010), "Segment design(Revision)-To limit state design method from the allowable stress design method", Maruzen.
Kim, S.H., Kim, W.K., Lee, H.Y. (2013), "Effect of segment thickness during shield TBM tunnelling in case study", J. of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 15, No. 3, pp. 311-320.

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Lee, G.P., Bae, G.J., Moon, D.Y., Kang, T.S., Chang, S.H. (2013), "Evaluation of steel fiber reinforcement effect in segment lining by full scale bending test", J. of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 15, No. 3, pp. 215-223.

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Moon, D.Y., Kang, T.S., Chang, S.H., Lee G.P., Bae, G.J. (2013), "Flexural performance evaluation of SFRC with design strength of 60 MPa", J. of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 15, No. 3, pp. 175-186.

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Muir Wood, A.M. (1975), "The circular tunnel in elastic ground", Geotechnique, Vol. 25, No. 1, pp. 115-127.

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RTRI, (2000), "Civil structural design standards？ commentary", Sciencebook.
Teachavorasinskun, S., Chub-uppakarn T. (2010), "Influence of segmental joints on tunnel lining", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 25, No. 4, pp. 490-494.

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표제어: PCR

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