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연약대를 통과하는 터널의 시공중 변위거동 - 수치해석 연구
Deformation behavior of tunnels crossing weak zone during excavation - numerical investigation 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.16 no.4, 2014년, pp.373 - 386  

유충식 (성균관대학교 건설환경시스템공학과) ,  박정규 ((주)포스코건설, 기술연구소)

초록
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본 연구에서는 연약대를 관통하는 터널의 변위거동에 관한 연구내용을 다루었다. 이를 위해 발파굴착 공법이 적용되는 터널을 대상으로 다양한 파쇄대 조건을 도출하고 이에 대한 3차원 해석을 수행하여 파쇄대의 주향 및 경사와 터널 변위 거동과의 관계에 대한 매개변수 연구를 실시하였다. 해석결과를 토대로 파쇄대의 공간적 분포 특성에 따른 터널의 파쇄대 관통 전후의 변위 거동을 고찰하였으며 이를 토대로 현재 실무에서 적용되고 있는 3차원 계측결과의 활용방안을 모색하였다. 3차원 해석 결과를 분석한 결과 터널 천단 및 내공변위의 각 성분비는 터널 주변 파쇄대의 터널과의 상대적 위치 및 방향성에 따라 달라지는 것으로 관찰되어 천단 및 내공변위 등 전통적인 터널 안정성 지표와 아울러 터널의 안정성 검토는 물론 주변 파쇄대 존재여부를 판정하는 지표로 활용할 수 있는 것으로 검토되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper concerns the deformation behavior of tunnels crossing weak zone during excavation. A three dimensional finite element model was adopted in order to conduct a parametric study on the orientation of weaj zone in terms of strike and dip angle relative to the tunnel longitudinal axis. The res...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • )에 따른 영향도 차이와 역경사(against dip) 혹은 순경사(with dip)에 따른 영향도 차이를 고려할 수 있다. 따라서 본 절에서는 이에 대한 검토를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 연약대를 관통하는 터널의 변위거동에 관한 연구내용을 다루었다. 이를 위해 발파굴착공법이 적용되는 터널을 대상으로 다양한 연약대 조건을 도출하고 이에 대한 3차원 해석을 수행하여 연약대의 주향 및 경사와 터널 변위 거동과의 관계에 대한 매개변수 연구를 실시하였다.
  • Abaqus는 지반공학분야에 있어 다양한 흙에 대한 구성모델을 제공하고 효율적인 소성 응력-변형률 거동 모사 알고리즘을 제공하며 해석대상 도메인에 대한 요소의 제거 및 추가가 자유롭게 수행될 수 있어 굴착 및 지보재 설치과정이 반복되는 터널 분야에 매우 효율적으로 사용될 수 있다는 장점이 있다. 본 절에서는 유한요소해석 모델링에 대한 상세내용을 기술하였다.
  • 광파기 계측을 이용한 절대변위 계측이 이루어 질 경우 임의 터널 단면에 대한 변위 벡터를 작성할 수 있다. 이러한 횡단면 벡터의 방향성은 주변 연약대 여부에 따라 달라 질 수 있으며[Steindorfer (1998)] 본 연구에서는 해석결과를 통해 이에 대한 검토를 수행하였다.
  • 이와 아울러 터널굴착 후 설치되는 지보재를 모델링에서 생략하거나 터널 내압으로 대체하는 등 터널 시공상황을 단순화 시킨 결과를 근거로 하였기 때문에 제한적이다. 이에 본 연구에서는 대심도 발파굴착 터널에 대한 3차원 수치해석결과를 토대로 연약대의 공간적 분포특성에 따른 터널 변위 특성을 고찰하고 터널 주변 및 전방에 위치하는 연약대의 공간적 분포와 터널 내 변위비와의 상관관계를 분석하였다. 이를 위해 터널 시공과정을 상세히 모사하는 3차원 유한요소해석모델을 구축하였으며 이를 이용하여 연약대의 공간적 분포 특성에 대한 매개변수 연구를 수행하고 그 결과를 분석하여 연약대의 공간적 분포와 터널내 변위비와의 상관관계를 수립하였다.

가설 설정

  • 본 연구에서는 풍화암내지 연암 정도의 암반에 터널이 시공되는 것으로 가정하였다. 물론 터널 심도별 지반/암반의 응력-변형률-강도 특성이 달라 질 수는 있겠으나 연약대 조건별 정량적인 상대적 비교를 위해 터널 심도에 관계없이 동일 지반조건에서 터널이 시공되는 것으로 가정하였다. 연약대 또한 다양한 지반정수를 가질 수 있으나 본 연구에서는 기존 문헌조사(Yoo et al.
  • 본 연구에서는 직경(D) 10 m, 높이(H) 8 m의 터널이 10D (C=100 m)의 토피고로 시공되는 경우를 대상으로 하였으며(Fig. 2, Fig. 3) 1차 지보재로는 두께 200mm의 숏크리트 라이닝이 타설되는 것으로 가정하였다. 일반적으로 본 연구에서 다루는 시공조건에서는 일정길이의 록볼트가 설치되는 것이 보통이나 해석의 편의상 록볼트는 해석모델링에서 제외하였으며 아울러 연약대 통과구간에서도 상호 직접적인 비교를 위해 연약대 통과 여부에 관계없이 동일한 지보패턴을 적용되는 것으로 가정하였다.
  • 본 연구에서는 풍화암내지 연암 정도의 암반에 터널이 시공되는 것으로 가정하였다. 물론 터널 심도별 지반/암반의 응력-변형률-강도 특성이 달라 질 수는 있겠으나 연약대 조건별 정량적인 상대적 비교를 위해 터널 심도에 관계없이 동일 지반조건에서 터널이 시공되는 것으로 가정하였다.
  • 이때 지반 및 연약대의 팽창각은 ψ=20°로 가정하였다.
  • 3) 1차 지보재로는 두께 200mm의 숏크리트 라이닝이 타설되는 것으로 가정하였다. 일반적으로 본 연구에서 다루는 시공조건에서는 일정길이의 록볼트가 설치되는 것이 보통이나 해석의 편의상 록볼트는 해석모델링에서 제외하였으며 아울러 연약대 통과구간에서도 상호 직접적인 비교를 위해 연약대 통과 여부에 관계없이 동일한 지보패턴을 적용되는 것으로 가정하였다. 한편, 터널은 균질한 지반을 통과하다 폭 6 m의 연약대(Wf=6.
  • 5). 한편, 재료모델링에 있어 지반은 Mohr-Coulomb 파괴규준과 Davis (1968)가 제안한 비관련흐름 법칙을 따르는 탄소성 재료로 가정하였으며 숏크리트는 탄성재료로 모델링하였다. 이때 지반 및 연약대의 팽창각은 ψ=20°로 가정하였다.
  • 해석에서는 편의상 전단면 굴착이 이루어지는 것으로 가정하였으며 [1회 굴진장 2 m 무지보 굴착 ⇒ 이전 굴착 단면 구간 숏크리트 타설]의 과정을 반복하여 총 60 m의 터널굴진을 모사하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
연약대 조건은 무엇인가? 연약대의 공간적 분포 특성이 터널의 변위거동에 미치는 영향을 분석하고 관련 DB 구축을 위해 터널 굴진 방향 대비 다양한 공간적 분포 특성을 갖는 연약대를 고려하였다. 즉, 연약대 조건은 Series A와 Series B로 대별되는데 Series A는 연약대의 주향이 터널 굴진축과 직교하는 조건이며 Series B는 연약대 주향이 터널 굴진축과 90° 보다 작게 형성되어 있는 경우를 포함한다. Fig.
Series A는 무엇인가? 앞서 기술한 바와 같이 Series A는 연약대의 주향이 터널의 굴진축과 직교하는 조건으로서 연약대의 경사각(θyz)에 따른 영향도 차이와 역경사(against dip) 혹은 순경사(with dip)에 따른 영향도 차이를 고려할 수 있다. 따라서 본 절에서는 이에 대한 검토를 수행하였다.
연약대를 관통하는 터널의 변위거동에 대해 분석한 결과는 어떠한가? 해석결과를 토대로 파쇄대의 공간적 분포 특성에 따른 터널의 파쇄대 관통 전후의 변위 거동을 고찰하였으며 이를 토대로 현재 실무에서 적용되고 있는 3차원 계측결과의 활용방안을 모색하였다. 3차원 해석 결과를 분석한 결과 터널 천단 및 내공변위의 각 성분비는 터널 주변 파쇄대의 터널과의 상대적 위치 및 방향성에 따라 달라지는 것으로 관찰되어 천단 및 내공변위 등 전통적인 터널 안정성 지표와 아울러 터널의 안정성 검토는 물론 주변 파쇄대 존재여부를 판정하는 지표로 활용할 수 있는 것으로 검토되었다.
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참고문헌 (18)

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  5. ITA Working Group No.2 Report (2011), Monitoring and Control in Tunnel Construction, 23p. 

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  7. Jeon, J.S., Martin, C.D., Chan, D.H., Kim, J.S. (2005), "Predicting ground conditions ahead of tune tunnel face by vector orientation analysis", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 20., pp. 344-355. 

  8. Kim, K.S., Kim, Y.S., Yoo, K.H., Park, Y.J., Lee, D.H. (2003), "Prediction of change in ground condition ahead of tunnel face using three-dimensional convergence analysis", Tunnel and Underground Space, Vol. 13, No. 6, pp. 476-485. 

  9. Kim, K.Y. (2007), "Measurement and analysis of 3-D absolute displacement for prediction of fault zone ahead of tunnel face", Ph.D. Thesis, Seoul National University, p. 292. 

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  11. Kun, M., Onargan, T. (2013), "Influence of the fault zone in shallow tunneling: a case study of izmir metro tunnel", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 33, No. 1, pp. 34-45. 

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  16. Steindorfer, A. (1998), "Short term prediction of rock mass behaviour in tunnelling by advanced analysi of displacement monitoring data. Ph.D thesis", Department of Civil Engineering, Graz University of Technology, Austria. 

  17. Steindorfer, A., Schubert, W. (1997), "Application of new methods of monitoring data analysis for short term prediction on tunnelling", Proceedings of the International Symposium on Tunnels for People, Vienna, A.A. Balkema, Rotterdam, pp. 65-79. 

  18. Yoo, C., Cho, Y.G., Park, J.G. (2013), "Effect of Orientation of Facture Zone on Tunnel Behavior - Numerical Investigation", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 15, No. 3, pp. 253-270. 

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