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3차원 수치해석을 이용한 조기고강도 숏크리트 지보성능 분석
3-Dimensional numerical analysis on support performance of early-high-strength shotcrete 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.16 no.5, 2014년, pp.459 - 470  

김종욱 (한양대학교) ,  김정주 (한양대학교) ,  조영재 (한양대학교) ,  유한규 (한양대학교)

초록
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최근 터널의 건설심도는 점차 깊어지고 길이 및 단면은 증가하는 추세를 보이고 있다. 따라서 굴착 직후 주변 지반의 지압에 대해 보다 높은 지보효과를 발휘하고 지표침하 억제효과가 있는 조기고강도 숏크리트에 대한 필요성이 증대되고 있다. 따라서 본 논문에서는 3차원 수치해석을 통해 조기고강도 숏크리트의 지보성능을 분석하여 실제 현장에서의 적용가능성을 높이고자 일반 숏크리트와 같은 지보효과를 발휘하는 조기고강도 숏크리트 라이닝의 두께를 추정하기 위해서 조기고강도 숏크리트 라이닝의 두께를 5단계로 변경하며 해석을 수행하여 지보성능을 분석하였다. 또한 숏크리트가 경화될 때까지 지반을 지지하기 위하여 설치하는 강지보재를 조기에 강도발휘가 가능한 조기고강도 숏크리트로 대체할 수 있는 가능성을 판단하였다. 수치해석 결과, 조기고강도 숏크리트는 지반조건이 불리할수록 지반변위 억제 효과가 증대되며 강지보재의 숏크리트 경화 전 지보효과를 보완할 수 있을 것으로 판단하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Now-a-days, the trend in constructing tunnels is to build more deeper, more longer tunnels of greater cross-sections. That's why, the demand of "Early-high-strength shotcrete" is very high because of their advantage of attaining higher strength immediately after excavation, which controls the ground...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한 숏크리트가 경화될 때까지 지반을 지지하기 위하여 설치하는 강지보재를 조기에 강도발휘가 가능한 조기고강도 숏크리트로 대체할 수 있는 가능성을 판단하였다. 3차원 수치해석을 통해 조기고강도 숏크리트의 지보효과를 분석하여 실제 현장에서의 적용가능성을 높이고자 하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
  • 0배로 바꾸어가며 해석을 수행하였다. 그리하여 강지보재가 설치된 일반 숏크리트와 같은 지보효과를 발휘하는 조기고강도 숏크리트 라이닝의 두께를 추정하고자 하였다. 지보 순서는 숏크리트의 경화단계를 고려하여 「굴착 → 연성 숏크리트 + 록볼트 + 강지보재 → 강성 숏크리트」단계로 모사하였으며, 시공단계 메카니즘은 3장에 나와있는 내용과 같다.
  • 또한 일반 숏크리트가 경화될 때까지 지반을 지지하는 강지보재를 조기에 충분한 강도가 발휘되는 조기고강도 숏크리트로 대체할 수 있는지에 대한 가능성을 수치해석을 통하여 알아보았다.
  • 본 논문에서는 3D 수치해석을 이용하여 조기고강도 숏크리트의 지보효과를 분석하고 실제 현장에서의 적용가능성을 평가하고자 하였다. 조기고강도 숏크리트의 재령별 압축강도는 일본 Mineyama 터널의 Joetsu~Toyama 구간에 사용된 숏크리트의 압축강도 시험 결과자료를 사용하였다(Kanazawa et al.
  • 본 논문에서는 조기고강도 숏크리트의 지보성능을 파악하기 위해 일본 Mineyama 터널의 Joetsu~Toyama 구간에 사용된 조기고강도 숏크리트의 재료를 바탕으로 수치해석을 수행하였다. 지반등급 1~5의 균질한 지반에 대하여 조기고강도 숏크리트의 두께를 바꾸어 가며 수치해석을 실시하여 일반 숏크리트와 같은 지보효과를 발휘하는 조기고강도 숏크리트 라이닝의 두께를 추정하였다.
  • 본 연구에서는 조기고강도 숏크리트의 지보성능을 수치해석적인 방법에 근거하여 판단하였다. 하지만 이는 본 검토 대상단면에서만 국한된 결과이므로 보다 정확한 실무 적용을 위해서는 실제 현장에서의 계측결과의 분석 등을 통한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

가설 설정

  • Table 12에는 지보패턴별로 해당하는 터널둘레와 숏크리트 라이닝 두께, 단위 폭을 곱하고 시공시 발생하는 리바운드량을 고려하여 단위 폭당 숏크리트 총 사용량을 계산하였다. 실링두께는 공사 현장마다 다르나 5 cm로 통일하여 가정하였다. 또한 조기고강도 숏크리트의 체적은 지보성능 비교 분석 결과를 바탕으로 일반 숏크리트와 같은 천단변위를 허용하는 조기고강도 숏크리트 라이닝의 두께를 사용하여 계산하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
조기고강도 숏크리트가 안전하게 터널을 구축할 수 있는 이유는? 조기고강도 숏크리트는 단시간에 높은 강성을 발현하여 지반을 견고하게 지지할 수 있기 때문에 터널 주위 지반의 이완을 최소화시키고 안전하게 터널을 구축할 수 있다. 또한 재령 28일에 압축강도는 41.
강지보재는 어떤 재료인가? 강지보재는 기본적으로 숏크리트가 경화될 때까지지반을 지지하기 위하여 설치하는 보강재이다. 따라서 타설 직후 높은 강도를 발휘할 수 있는 조기고강도 숏크리트는 이러한 강지보재의 역할을 대체하는 성능을 가지고 있을 것으로 판단된다.
조기고강도 숏크리트의 두께를 감소시키면서 천단변위를 분석한 결과 어떤 판단을 할 수 있는가? 16 mm로 나타났다. 수치해석 결과, 조기고강도 숏크리트는 강지보재의 숏크리트 경화 전 지보효과를 대신할수 있을 것으로 판단되며 경제성 측면에서도 유리할 것으로 판단된다.
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참고문헌 (6)

  1. Kanazawa, H., Nishi, T., Kiuchi, T., Nishizaki, S., Furuto, Y. (2007), "The development of early-highstrength shotcrete and the evaluation of improved tunnel support system.", Underground Space, the 4th Dimension of Metropolises, pp. 1361-1367. 

  2. Kanazawa, H., Nishi, T., Nonomura, M., Nishizaki, S. (2010), "A study on rapid NATM tunnel driving by early-high-strength shotcrete support system.", Japan Society of Civil Engineers, Vol. 66, No. 3, pp. 447-458. 

  3. Kim, S.H., Kim, K.L., Jeong, S.S., Choi, W.I., Lee, K.J., Lee, S.W. (2012), "Estimation of the Ground Loads Acting on Concrete lining in NATM Tunnel.", Korean Society for Railway, Vol. 2012, No. 5, pp. 415-420. 

  4. Korean Tunneling Association (2009), A manual of tunnel design criteria, CIR, Korea, pp. 122-131. 

  5. Lee, S.J., Moon, H.K. (2000), "A study on the interaction between tunnel ground and shotcrete support considering time dependency.", J. of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers, pp. 350-361. 

  6. Moon, S.H., Shin, Y.W., Kim, S.H., Yoo, H.K. (2012), "A Study on Load Bearing Capacity of Composite Member with Steel Rib and Shotcrete in NATM Tunnel.", J. of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 32, No. 5, pp. 221-229. 

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