터널 굴착 중 측정된 천단변위를 이용한 단층대의 변형계수 산정 Estimation of the Deformation Modulus for a Fault Zone using Crown Settlements Measured During Tunnel Excavation원문보기
변형계수는 터널 굴착 시 지반의 거동과 안정성을 결정하는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 페그마타이트 지역 단층대에서 수평경사계를 이용하여 굴착 중에 측정된 천단변위를 적용하여 역해석을 수행하고 단층대의 변형계수를 산정하였다. 역해석으로 산정된 변형계수는 RMR과 변형계수의 상관성을 이용한 여러 연구자들의 제안식으로 구한 변형계수와 공내재하시험 결과와 비교 분석되었다. 역해석에 의해 산정된 변형계수는 연구자들의 제안식에 의한 변형계수와 상당한 차이를 보이며, 현장에서 실시한 공내재하시험의 결과와도 차이를 보인다. 또한 제안식 및 공내재하시험으로 결정된 변형계수를 적용하여 수치해석에서 도출된 최대 천단변위 역시 큰 차이를 보인다. 이러한 결과는 단층대와 같이 암질이 불량한 경우 RMR을 적용한 제안식으로 변형계수를 산출하는 것은 적절하지 못하며, 위험지반의 지질 및 지반특성을 충분히 반영하여 변형계수를 결정하여야 한다.
변형계수는 터널 굴착 시 지반의 거동과 안정성을 결정하는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 페그마타이트 지역 단층대에서 수평경사계를 이용하여 굴착 중에 측정된 천단변위를 적용하여 역해석을 수행하고 단층대의 변형계수를 산정하였다. 역해석으로 산정된 변형계수는 RMR과 변형계수의 상관성을 이용한 여러 연구자들의 제안식으로 구한 변형계수와 공내재하시험 결과와 비교 분석되었다. 역해석에 의해 산정된 변형계수는 연구자들의 제안식에 의한 변형계수와 상당한 차이를 보이며, 현장에서 실시한 공내재하시험의 결과와도 차이를 보인다. 또한 제안식 및 공내재하시험으로 결정된 변형계수를 적용하여 수치해석에서 도출된 최대 천단변위 역시 큰 차이를 보인다. 이러한 결과는 단층대와 같이 암질이 불량한 경우 RMR을 적용한 제안식으로 변형계수를 산출하는 것은 적절하지 못하며, 위험지반의 지질 및 지반특성을 충분히 반영하여 변형계수를 결정하여야 한다.
The deformation modulus is one of the essential factors in determining ground behavior and safety during tunnel excavation. In this study, we conducted a back-analysis using crown settlements measured during tunnel excavation, using a horizontal inclinometer on a fault zone of pegmatite, and calcula...
The deformation modulus is one of the essential factors in determining ground behavior and safety during tunnel excavation. In this study, we conducted a back-analysis using crown settlements measured during tunnel excavation, using a horizontal inclinometer on a fault zone of pegmatite, and calculated the deformation modulus of the fault zone. This deformation modulus calculation was then compared with deformation moduli found through established relationships that use the correlation between RMR and the deformation modulus, as well as the results of pressure-meter tests. The deformation moduli calculated by back-analysis differs significantly from the deformation moduli determined through established relationships, as well as the results from pressure-meter tests conducted across the study area. Furthermore, the maximum crown settlements derived from numerical analysis conducted by applying deformation moduli determined by these established relationships and the pressure-meter tests produced noticeable differences. This result indicates that in the case of a weak rock mass, such as a fault zone, it is inappropriate to estimate the deformation modulus using preexisting relationships, and caution must be taken when considering the geological and geotechnical characteristics of weak rock.
The deformation modulus is one of the essential factors in determining ground behavior and safety during tunnel excavation. In this study, we conducted a back-analysis using crown settlements measured during tunnel excavation, using a horizontal inclinometer on a fault zone of pegmatite, and calculated the deformation modulus of the fault zone. This deformation modulus calculation was then compared with deformation moduli found through established relationships that use the correlation between RMR and the deformation modulus, as well as the results of pressure-meter tests. The deformation moduli calculated by back-analysis differs significantly from the deformation moduli determined through established relationships, as well as the results from pressure-meter tests conducted across the study area. Furthermore, the maximum crown settlements derived from numerical analysis conducted by applying deformation moduli determined by these established relationships and the pressure-meter tests produced noticeable differences. This result indicates that in the case of a weak rock mass, such as a fault zone, it is inappropriate to estimate the deformation modulus using preexisting relationships, and caution must be taken when considering the geological and geotechnical characteristics of weak rock.
본 연구에서는 터널 내 단층대가 분포하고 있는 암반의 변형계수 추정을 위해 수평경사계로부터 측정된 계측데이터를 활용하여 역해석을 수행하였다. 페그마타이트 단층대에 시공되는 터널을 대상으로 2차원 수치해석을 통해 계측결과와 일치하는 변형계수를 역으로 산정하였으며, RMR을 이용한 각종 제안식 및 현장 공내재하시험으로부터 산출된 변형계수와 비교·분석함으로써 페그마타이트 단층대의 변형계수를 검토하였다.
제안 방법
단층대가 분포하는 페그마타이트 지역의 터널을 대상으로 수평경사계로부터 측정된 천단변위를 이용하여 역해석을 통해 변형계수를 산정하였다. 산정된 변형계수와 RMR 및 공내재하시험에 의해 산출된 변형계수와 비교하였으며, 각 방법으로 산출된 변형계수를 이용하여 최대 천단변위를 비교·분석하였다.
단층대가 분포하는 페그마타이트 지역의 터널을 대상으로 수평경사계로부터 측정된 천단변위를 이용하여 역해석을 통해 변형계수를 산정하였다. 산정된 변형계수와 RMR 및 공내재하시험에 의해 산출된 변형계수와 비교하였으며, 각 방법으로 산출된 변형계수를 이용하여 최대 천단변위를 비교·분석하였다.
대상 데이터
본 연구의 대상이 되는 단층대는 터널 종점부에 분포하고 있으며, 주향 N50E, 80° 내외의 경사를 보인다. 인근 노두에서 관찰되는 단층대는 갈색 내지 회갈색의 화강암으로 심한풍화 상태이며, 폭 20 ~ 30 cm로 넓게 발달하고 있다.
본 연구지역은 동측의 편마암류와 이를 후기에 관입한 화성암류로 크게 나눌 수 있다. 연구지역을 중심으로 중생대 쥬라기 시대에 관입한 화강암이 넓게 분포하고 있으며, 터널이 통과하는 지역은 조암광물의 특징에 따라 중립질 내지 거정질 흑운모화강암이 분포한다. 또한 국부적으로 백악기에 관입한 암맥류(화강반암, 페그마타이트, 염기성 및 산성 암맥 등)가 산출되고 있다(Fig.
데이터처리
해석 영역은 굴착에 의해 경계조건에 영향이 미치지 않도록 측면 및 하부 경계를 터널 직경의 5배인 약 50 m로 설정하였으며, 측면과 하부에 수직 방향으로 경계조건을 구속하여 탄소성 해석을 수행하였다(Fig. 5). 또한 터널 종점부에 분포하는 단층대는 시추자료 및 전기비저항 탐사 등의 지반조사 자료를 기초로 하여 모델링하였다.
이론/모형
본 연구에서는 터널의 천단변위를 이용하기 때문에 천단부에 보강된 강관다단그라우팅의 변형계수가 매우 중요한 요소가 된다. 따라서 강관다단그라우팅에 의한 지반보강효과를 정량적으로 파악하기 위해 Kim et al. (1998), Lee et al. (2000)이 제시한 등가 탄성계수 평가방법을 이용하여 보강효과를 수치해석에 적용하였다.
성능/효과
1. 역해석을 통해 산정된 변형계수는 61.4 MPa로 RMR을 이용한 방법과 공내재하시험을 통해 획득한 변형계수와 비교하면 Aydan et al. (1997)의 제안식을 제외하고 약 12 ~ 20배의 큰 차이를 보인다.
2. 각 방법별로 산정된 천단변위를 살펴보면 수평경사계로부터 측정된 변위의 약 10 ~ 40 % 내외로 실제 측정변위와 상당한 차이가 있으며, 단층대에서의 터널 설계 시 RMR을 이용한 제안식 및 공내재하시험을 통해 측정된 변형계수를 단순히 반영하는 것은 적절하지 않은 것으로 판단된다.
3. 단층대가 분포하는 위험지반에서 RMR을 이용한 변형계수 추정은 합리적이지 않다는 것을 알 수 있으며, 공내재하시험의 결과가 시추공별로 차이를 보이는 것은 동일한 단층대 내에서도 단층 작용으로 인한 영향범위가 달라 암반의 공학적 특성이 다르기 때문에 현장시험 시 단층대의 특성을 고려한 위치 선정이 중요할 것으로 판단된다.
4. 단층대 내에서 변형계수를 결정할 때에는 단층대를 구성하는 각력이나 점토의 구성물질 비, 파쇄상태 등 단층암의 지질학적 특성을 고려하여 결정하여야 하며, 대규모 단층대의 경우 단층암 별 공학적 특성차를 고려하여 영역을 구분하고 결정하여야 한다.
후속연구
그리고 동일 단층대 내에서도 규모가 큰 경우 영역에 따라 역학적 특성이 변화한다. 따라서 비교적 규모가 큰 단층대의 경우 정확한 공학적 특성을 파악하여 설계에 반영하기 위해서는 야외조사 또는 시추조사의 결과를 기초로 단층대의 상태를 적절히 분류하여 시험위치를 결정하고, 산정 또는 측정된 변형계수를 단층대의 상태에 따라 달리 적용할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
변형계수는 무엇인가?
변형계수, 점착력 및 내부마찰각 등 암반의 공학적 특성은 터널 설계 시 안정성 분석을 위해 수행되는 수치해석에서 매우 중요한 요소이다. 특히 변형계수는 터널 주변의 변형과 굴착에 따른 변위를 파악하는데 가장 중요한 변수로 현장 및 실내시험, RMR 및 일축압축강도 등 여러 요소와의 상관관계를 이용한 제안식, 기존의 설계사례 분석을 통해 실무에 이용되고 있다. 암반의 변형계수를 산정하는데 있어 현장에서 직접 수행되는 현장시험은 가장 신뢰할 수 있는 방법이지만, 기술자의 숙련도 및 시험방법에 따라 결과의 차이가 발생할 수 있으며, 한정된 구간에서 수행되기 때문에 대상지반의 특성을 대표하는데 한계가 따른다.
변형계수는 어디에 이용되고 있는가?
변형계수, 점착력 및 내부마찰각 등 암반의 공학적 특성은 터널 설계 시 안정성 분석을 위해 수행되는 수치해석에서 매우 중요한 요소이다. 특히 변형계수는 터널 주변의 변형과 굴착에 따른 변위를 파악하는데 가장 중요한 변수로 현장 및 실내시험, RMR 및 일축압축강도 등 여러 요소와의 상관관계를 이용한 제안식, 기존의 설계사례 분석을 통해 실무에 이용되고 있다. 암반의 변형계수를 산정하는데 있어 현장에서 직접 수행되는 현장시험은 가장 신뢰할 수 있는 방법이지만, 기술자의 숙련도 및 시험방법에 따라 결과의 차이가 발생할 수 있으며, 한정된 구간에서 수행되기 때문에 대상지반의 특성을 대표하는데 한계가 따른다.
RMR 값과의 상관성을 이용한 제안식을 제시하는 이유는 무엇인가?
또한 시간적, 공간적 및 경제적 제약 등으로 인해 상세하고 많은 시험을 수행하기 힘든 것이 현실이다. 따라서 지반 내에 분포하는 불연속면의 특성과 터널 굴착에 따른 응력분포의 변화, 다양하고 복잡한 지질구조의 기하학적 특성 등을 고려하여 정확한 변형계수를 산정하는 것은 상당히 어렵다. 특히, 국내에서 많이 이용되고 있는 공내재하시험은 단층대나 연약대 등 위험지반이 분포하는 경우, 시추공벽의 유지가 어렵고 장비의 훼손 우려가 높아서 시험을 수행하는데 많은 제약이 따른다.
참고문헌 (12)
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