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[국내논문] 계면요소를 이용한 지반-라이닝 상호작용 모델에 의한 터널 콘크리트 라이닝 연구
A study of tunnel concrete lining design using the ground-lining interaction model with the interface element 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.17 no.6, 2015년, pp.575 - 586  

허도학 (한양대학교 공과대학, (주)유신) ,  문현구 (한양대학교 공과대학)

초록
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NATM터널의 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중을 산정하는 방법으로 수치해석적 기법인 지반-라이닝 상호작용모델(Ground-Lining Interaction Model, GLI 모델)에 의한 지반하중 산정방법이 제안되었다. 그러나, 기존의 GLI 모델은 지반과 지보재 또는 콘크리트 라이닝 사이에 존재하는 계면(Interface)의 구조적 역할을 반영하지 못하였다. 이에 본 연구에서는 기존의 GLI 모델에 계면요소를 반영하여 보다 실제에 가까운 모델로 구현하였다. 그리고, 지반조건 및 토피별 지반하중을 수치해석을 통해 산정하고 기존의 GLI모델 지반하중 상관식을 수정하여 제안하였다. 연구결과, 기존 모델에 비해 계면요소 반영시 지반하중은 토피두께에 따라 IV등급 지반조건에서는 평균 88~106%, 풍화토 지반조건에서는 평균 47~57% 수준으로 감소하였다. 본 연구결과로 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중을 실제에 가까운 모델로 산정할 수 있으며, 상관식을 이용하여 일관되고 경제적인 설계가 가능하게 될 것으로 예상된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In NATM tunnel, the Ground-Lining Interaction model(GLI model) had been proposed a one of the numerical analysis as the ground load estimation method of the concrete lining. But this model was not applied with the interface mechanism between the ground and the support member or concrete lining. Ther...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서, 본 연구에서는 지반과 지보재 사이의 계면의 구조적 역할을 모사하지 않은 기존의 GLI 모델에 계면요소를 반영하여 지반과 지보재 사이의 구조적 거동을 보다 실제와 유사하게 모사하고, 이를 통해 다양한 지반조건 및 하중조건에 대한 해석을 수행하여 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중을 검토하고자 한다. 또한, 그 결과를 이용하여 수정된 GLI 상관식을 제안함으로써 지반조건 및 해석자에 따라 달라질 수 있는 수치해석적 방법의 지반하중 산정에 일관성을 가질 수 있도록 하고자 한다.
  • 그러나, 현재까지는 지반과 숏크리트 및 콘크리트라이닝 사이의 계면에 대한 정의가 불확실하여 숏크리트 및 콘크리트 라이닝과 지반을 일체화하여 수치 해석을 수행하여 왔다. 따라서, 본 장에서는 계면요소 적용을 위한 기초단계로 계면요소 적용시 적용 물성 결정을 위한 변수연구를 수행하였다.
  • 따라서, 본 연구에서는 지반과 지보재 사이의 계면의 구조적 역할을 모사하지 않은 기존의 GLI 모델에 계면요소를 반영하여 지반과 지보재 사이의 구조적 거동을 보다 실제와 유사하게 모사하고, 이를 통해 다양한 지반조건 및 하중조건에 대한 해석을 수행하여 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중을 검토하고자 한다. 또한, 그 결과를 이용하여 수정된 GLI 상관식을 제안함으로써 지반조건 및 해석자에 따라 달라질 수 있는 수치해석적 방법의 지반하중 산정에 일관성을 가질 수 있도록 하고자 한다.
  • 본 논문에서는 NATM터널의 콘크리트 라이닝에 작용하는 지반하중에 대하여 합리적인 산정방법으로 제안된 GLI 모델 방법에 대하여 고찰해 보았다. 숏크리트 및 콘크리트 라이닝과 지반의 계면요소 적용을 위해 계면요소 적용시 적용 부착력 등의 물성에 대한 변수연구를 수행하였다.
  • 지반과 1차 지보재 또는 콘크리트 라이닝의 계면요소의 파라미터 결정에 대한 연구는 GLI모델에서 지반과 지보재나 라이닝과의 사이에 형성된 불연속면의 물성을 반영하여 해석하므로써 GLI모델에 의한 지반하중을 합리적으로 도출하고 이를 근거로 지반-라이닝상호작용모델 지반하중식을 수정하여 제안하고자 함이다. 이를 위해, GLI모델 지반하중식을 결정하기 위한 해석 모델을 이용하여 계면요소가 반영된 해석을 재수행하였다.
  • 콘크리트 라이닝과 지반이 분리구조이므로 계면요소의 물성치는 존재하지 않는 것이 합리적이라고 판단되나, 이를 검증하기위해 수치해석적으로 검토하고자 한다. 이를 위한 해석모델은 상기 해석과 동일한 모델과 지반물성치를 사용하고, 시공절차에 따라 콘크리트 라이닝 요소 설치시기는 지반-라이닝 상호거동모델에서와 같이 숏크리트 제거 후 설치하는 것으로 한다.

가설 설정

  • 해석케이스는 Table 4와 같이 지반과 라이닝이 분리된 구조로서 계면요소의 물성치가 존재하지 않는 케이스, 기존의 해석과 같이 일체로 해석하는 케이스와 라이닝 콘크리트 타설시 타설압에 의한 접촉력이 존재할 것을 가정하여 지반물성치의 50%정도를 적용하는 케이스로 연구하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
GLI 모델은 무엇인가? GLI 모델은 굴착하중을 지반과 분담하고 있는 주지보재가 열화 등에 의한 지지력 상실시, 콘크리트 라이닝으로 전이되는 하중을 지반하중으로 고려하는 방법으로, 굴착과 지보완료후 평형상태에서 지보재를 수치모델로 구현한 구조요소(structural element)를 제거 하는 방법으로 지보재의 지지력 상실을 반영한다 (Fig. 1).
지반 라이닝 상호작용을 고려한 모델의 장단점은 무엇인가? , 2006, 2010). 지반 라이닝 상호작용을 고려한 모델은 다양한 지반 조건, 터널형상 등을 고려할 수 있는 장점이 있으나, 구조계산법의 복잡성 등으로 인하여 현실적으로 직접 적용하기에는 다소 문제점이 야기될 가능성도 배제할 수 없다. 따라서, 일반철도와 고속철도 단면에 대하여 기존설계사례분석을 통한 암반등급별 대표물성치, 토피고를 매개변수로 수치해석적인 방법을 사용하여 지반하중크기를 산정하였다.
콘크리트 라이닝을 지반과 분리구조의 구조물이라고 할 수 있는 이유는 무엇인가? 콘크리트 라이닝은 시공순서상 굴착면-숏크리트부직포-방수막-콘크리트 라이닝의 순서 중 방수막 다음으로 설치되며 방수막과의 연결된 요소는 없이 콘크리트 모르타르를 타설하여 경화시켜 설치되는 구조물이다. 이러한 이유로 콘크리트 라이닝은 지반과 분리구조의 구조물이라고 할 수 있다.
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참고문헌 (8)

  1. Ahan, K.C., Shin, J.K., Kim, J.D., Won, K.Y., Kim, T.K. (2004), "The support design with mesurement of shotcrete bonding strength", Spring Conference Proceeding of Korean Society for Rock Mech, pp. 31-45. 

  2. Chang, S.B., Hong, E.J., Moon, S.J. (2005), "A study on effect of shotcrete adhesive strength on large section rock tunnel stability", J of Tunn Underground Space Association, Vol. 7, No. 4, pp. 305-311. 

  3. Chang, S.B., Huh, D.H., Moon, H.K. (2006), "A study of tunnel secondary lining design using ground-lining interaction model", J of Tunn Underground Space Association, Vol. 8, No. 4, pp. 365-375. 

  4. Chang, S.B., Lee, S.Y., Suh, Y.H., Yun, K.H., Park, Y.J., Kim, S.M. (2010), "A study on field change case of tunnel concrete lining designs using GLI(Ground Lining Interaction) model", Journal of Korean Society for Rock Mechanics, TUNNEL & UNDERGROUND SPACE, Vol. 20, No. 1, pp. 58-64. 

  5. Huh, D.H., Chang, S.B., Moon, H.K. (2008), "A study on the secondary tunnel lining design using a ground-lining interaction model", J of the Korean Society of Mineral and Energy Resources Engineers, Vol. 45, No. 4, pp. 370-380. 

  6. 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", Spring Conference Proceeding of Korean Society for Railway, pp. 415. 

  7. Kim, S.H., Kim, K.L., Park, J.J., Kim, D.H., Lee, S.W., Kim, C.Y. (2012), "A study on the design loads of concrete lining using ground-lining interaction model in NATM tunnel", the 38st ITA- AITES World Tunnel Congress, pp. 417. 

  8. Seo, S.H., Chang, S.B., Lee, S.D. (2001), "An analysis model of the secondary tunnel lining considering ground-primary support-secondary lining interaction", Tunnel&Underground, J. of Korean Society for Rock Mech., Vol. 12, No. 2, pp. 107-114. 

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