[논문]터널천단변위와 암석 또는 암반의 일축압축강도를 이용한 시공 중인 터널의 예비 안정성 평가

박영화; 문홍득; 하만복

doi:10.7855/ijhe.2015.17.6.027

터널천단변위와 암석 또는 암반의 일축압축강도를 이용한 시공 중인 터널의 예비 안정성 평가
The Pre-Evaluation of Stability during Tunnel Excavation using Unconfined Compression Strength of Intact Rock or Rock Mass and Crown Settlement Data 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.17 no.6 = no.74, 2015년, pp.27 - 32

박영화 (태현엔지니어링) , 문홍득 (경남과학기술대학교 토목공학과) , 하만복 (경상대학교 환경 및 지역발전연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

PURPOSES : It is difficult to estimate tunnel stability because of lack of timely information during tunnel excavation. Tunnel deformability refers to the capacity of rock to strain under applied loads or unloads during tunnel excavation. This study was conducted to analyze a methods of pre-evaluation of stability during tunnel construction using the critical strain concept, which is applied to the results of tunnel settlement data and unconfined compression strength of intact rock or rock mass at the tunnel construction site. METHODS : Based on the critical strain concept, the pre-evaluation of stability of a tunnel was performed in the Daegu region, at a tunnel through andesite and granite rock. The critical strain concept is a method of predicting tunnel behavior from tunnel crown settlement data using the critical strain chart that is obtained from the relationship between strain and the unconfined compression strength of intact rock in a laboratory. RESULTS : In a pre-evaluation of stability of a tunnel, only actually measured crown settlement data is plotted on the lower position of the critical strain chart, to be compared with the total displacement of crown settlement, including precedent settlement and displacement data from before the settlement measurement. However, both cases show almost the same tunnel behavior. In an evaluation using rock mass instead of intact rock, the data for the rock mass strength is plotted on the lower portion of the critical strain chart, as a way to compare to the data for intact rock strength. CONCLUSIONS : From the results of the pre-evaluation of stability of the tunnel using the critical strain chart, we reaffirmed that it is possible to promptly evaluate the stability of a tunnel under construction. Moreover, this research shows that a safety evaluation using the actual instrumented crown settlement data with the unconfined compression strength of intact rock, rather than with the unconfined compression strength of a rock mass in the tunnel working face, is more conservative.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

,2011). 따라서 본 연구에서는 실제 계측치만을 이용한 안정평가와 기존 연구에 의한 선행변위와 계측 전 변위를 가정하여 전체 변위를 고려한 터널의 변형률 산정에 대하여 평가하였다.
본 연구에서는 대구지역의 안산암과 화강암 지반 터널 시공현장의 계측결과를 이용하여 한계변형률 개념을 터널의 예비 안정성 평가의 기준으로 적용하기 전에 그 평가의 기준이 되는 한계변형률도표(Sakurai, 1997)를 검증하여보고자 하였으며, 암석의 한계변형률 개념을 암반으로 확대 적용하기 위한 암반의 변형률 산정 기법을 이용한 터널 현장의 안정성 평가방법의 현장 적용성을 평가하였다
본 연구에서는 터널 굴착 중 계측결과와 막장관찰, 암석 및 암반의 일축압축강도를 이용한 한계변형률 개념으로 터널의 안정성을 현장에서 신속히 예비 평가하는 방법에 대해 대구지역 터널의 안산암 지반과 화강암 지반의 터널 굴착 현장을 대상으로 분석하였으며, 본 연구에서 도출된 결론은 다음과 같다.

제안 방법

본 연구 대상 터널의 상·하행선 천단침하량에 대한 변형률과 일축압축강도를 이용하여 터널의 안정성을 평가하였다.
본 연구 대상 터널의 상·하행선 천단침하량에 대한 변형률과 일축압축강도를 이용하여 터널의 안정성을 평가하였다. 천단침하량에 대한 변형률은 선행변위와 계측 전 변위 그리고 계측변위 모두를 고려한 전체 변위를 터널의 반경으로 나누어 구하였고, 막장관찰 자료에서 암석의 일축압축강도와 RMR 값을 산정하였다. 그리고 산정한 변형률과 일축압축강도를 바탕으로 Sakurai(1997)가 제시한 한계변형률 도표를 이용하여 터널의 안정성평가를 실시하였다.

대상 데이터

본 연구 대상은 대구지역의 도로 터널인 안산암 지반과 화강암 지반의 터널 상행선과 하행선 현장이다. Table 1은 대구터널의 개요이며, Fig.

이론/모형

천단침하량에 대한 변형률은 선행변위와 계측 전 변위 그리고 계측변위 모두를 고려한 전체 변위를 터널의 반경으로 나누어 구하였고, 막장관찰 자료에서 암석의 일축압축강도와 RMR 값을 산정하였다. 그리고 산정한 변형률과 일축압축강도를 바탕으로 Sakurai(1997)가 제시한 한계변형률 도표를 이용하여 터널의 안정성평가를 실시하였다.
일반적인 터널계측에서는 계측 전 변위를 측정할 수 없으나, 굴착 시 계측한 막장거리에 대한 침하량 곡선에서 최초 측점지점의 침하량을 0으로 하여 거리와 침하량에 대한 근사함수식에 의한 회귀분석을 실시하면 계측지점에서 계측 전 변위를 추정할 수 있다. 본 연구에서 근사함수식은 지수함수식을 사용하였다.
암반의 한계변형률 산정을 위해서는 암반강도(σ_mass)와 암반 탄성계수(E_mass)를 측정해야 한다. 암반 강도 및 탄성계수는 현장 원위치 시험을 통해 결정할 수 있으나, 본 연구에서는 매 굴착면마다 수행되는 암반평가결과(RMR)를 매개변수로 하는 경험식을 사용하였다.

성능/효과

Eq. (1)과 같은 지반 거동 메카니즘에 의해 터널굴착 시 지반 변형을 천단변위와 터널반경으로 표현 가능함을 알 수 있다. 따라서 터널현장 실무에서 천단변위와터널크기를 이용하여 변형률을 산정한 후, 이를 한계변형률 개념을 이용하여 터널안정성을 평가하는 것에 대하여 공학적으로 타당한 근거를 제시하고 있다.
1. 한계변형률 도표를 이용한 터널의 예비 안정성 평가 결과, 터널의 실제 천단침하 계측 변위만을 이용한 경우가 선행변위와 계측 전 변위 그리고 실제 계측 변위 모두를 고려한 전체 변위를 이용한 안정성 평가의 경우보다 한계변형률 도표의 약간 아래쪽에 위치하는 것으로 나타났다. 그러나 두 경우 모두 거의 비슷한 경향을 보였다.
2. 현장에서 계측된 터널 천단변위와 암석의 일축압축강도를 이용하여 Sakurai(1997)가 제시한 한계변형률 도표를 적용하여 대구 지역의 안산암 지반과 화강암 지반의 굴착 중인 터널의 안정성을 예비 평가하는 것이 가능하다는 것을 확인하였다. 그러나 터널변상이 발생한 보다 많은 국내 자료를 추가하여 한계변형률 도표를 보완할 필요가 있다.
3. 터널의 안정성 평가를 위한 한계변형률 도표를 적용함에 있어 막장의 암석의 일축압축강도를 적용한 경우가 암반의 일축압축강도를 적용한 경우보다 한계변형률도표 관리기준치의 상부에 나타나기 때문에 보다 보수적인 안전측으로 평가하는 방법이라 판단된다.
7은 선행변위, 계측 전 변위, 계측변위 그리고 전체 변위를 막대그래프로 표시하였다. 변위에 대한 분석 결과, 선행변위의 최소 값은 1.03mm, 최대값은 3.514mm이고, 계측 전 변위의 최소 값은 0.1mm, 최대 값은 1.5mm이고, 계측변위의 최소 값은 2.0mm, 최대 값은 7.1mm이다. 그리고 전체 변위의 최소 값은 3.
(4)를 이용하여 구한 암반의 일축압축강도와 한계변형률에 대한 터널 굴착 시의 안정성평가 결과이다. 터널의 안정성 평가 결과를 분석해 보면, 안산암과 화강암 지반 모두 막장의 암석의 일축압축강도를 적용한 경우가 암반의 일축압축강도를 적용한 경우보다 한계변형률 상하 관리기준에 속하거나 상한 기준치에 근접하는 것으로 나타나기 때문에 보다 보수적인 안정성 평가를 하는 것으로 평가된다.
안산암 지반 터널은 한계변형률 도표의 하한 관리치보다 아래에 위치하여 매우 안전한 상태임을 나타내고 있다. 화강암 지반의 경우 한계변형률 도표의 상하 관리 기준치 내에 주로 위치하며, 일부는 상한치에 근접함에도 불구하고 시공 중 변상없이 안전하게 시공되었으므로 터널의 안정성을 보수적으로 평가하고 있음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	한계변형률의 정의는?	Sakurai(1982)는 측정된 계측변위에서 응력으로 변환하는 과정없이 변형률을 평가하는 방법인 직접변형률 평가법과 평가기준치로서 한계변형률을 활용하는 방법을 제안하였다. 한계변형률은 암석의 일축압축강도와 변형계수의 비로서 정의되며, 불연속면의 영향을 그다지 받지 않고 암석의 일축압축시험에서 구한 값과 현장 암반에서 구해진 값이 거의 일치하는 것으로 알려져 있다.
	터널의 안정성을 사전에 평가하는 것이 중요한 이유는?	터널의 합리적 설계나 안전한 시공을 위해서는 시공 중인 터널의 거동을 관찰하고 계측하여 그 결과를 이용하여당초 설계를 재검토하는 정보화시공이 요구된다. 현장계측을 실시하여 굴착 초기에 불확실한 요인을 정확히 파악하여 터널의 안전 시공을 유도하는 것이 필요하므로 터널의 안정성을 사전에 평가하는 것이 무엇보다 중요하다.
	터널의 실제 천단침하 계측 변위만을 이용한 경우와 선행변위와 계측 전 변위 그리고 실제 계측 변위 모두를 고려한 전체 변위를 이용한 안정성 평가의 경우와 비슷한 경향을 보이는 사실로 어떤 판단이 가능한가?	그러나 두 경우 모두 거의 비슷한 경향을 보였다. 이러한 사실은 두 경우 모두 터널의 정밀 안정성 평가보다는 시공 중인 터널의 예비 안정성을 현장에서 신속히 평가하는 또 하나의 대안으로 활용 가능하다고 판단된다.

참고문헌 (12)

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상세보기
Shin, Shi Un, 2009, Tunnel Stability Evaluation by using Limit Deformation Ratio, KyungPook University Graduate Ph.D. Thesis, pp. 181-192.
Yim, Sung Bin, 2009, Safety Assessment of Face and Prediction of Weak Zone Based on RMR and Measured Displacement during Tunnel Excavation, ChungBuk University Graduate Ph.D. Thesis, pp. 88-90.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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