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문제 정의
- 본 연구에서는 연약지반에서의 지하굴착과정에서 상부 지층 보강효과에 따른 지반침하를 모사하기 위한 모형실험과 유한차분법을 이용한 수치해석 방법을 이용하여 결과를 비교 분석하였으며, 모형실험에 사용된 약액은 경화 시 무독성일 뿐만 아니라 내화학성 및 내구성이 우수하고 시간에 따른 변성이 없는 에폭시 계열의 재료를 이용하였고, 초저점도의 에폭시 수지와 이에 맞는 경화제를 일정비율로 혼합하여 실험을 진행하였다. 또한 지반 침하 발생여부 및 지반침하량 산정을 3차원 수치해석을 통해 보다 정확하게 구현함으로써 신뢰성 있는 결과를 도출하고자 하였다.
- 실제 현장에서 시공한 터널 굴착에 따른 지반침하의 양상을 수치해석으로 확인해봄으로써 본 연구의 적용성을 확인하였다. 본 연구에서 적용한 현장 지역은 부산지하철 0호선 건설공구로 연구대상지역의 지층은 시추자료를 토대로 확인해 본 결과 연약지반으로 매립층 4 m, 풍화토층 11 m, 풍화암층 12 m로 구성되었으며, 터널은 풍화암층 상단에서 굴착이 진행되었다.
제안 방법
- Model 3의 경우 model 1과 공동 직경 및 공동의 심도는 동일하며, 교차되는 공동의 길이는 500 mm로 실험을 진행하였다. 각 모델 모두 30 mm로 이루어진 원형의 아크릴 파이프로 구현을 하였으며, 아크릴 파이프를 인발하면서 공동 체적만큼의 굴착을 모사하고자 하였다. 지반 보강을 위한 주입장비는 노즐, 호스, 약액 통, 모터로 이루어져 있으며 지반을 보강하는 구역당 0.
- 모형 지반에는 연약지반에서의 지하공동 굴착을 모사하고자 풍화암 파쇄대 지반과 풍화토 지반을 대상으로 모형 지반을 조성하였다. 쇄석과 모래를 혼합하여 풍화암 구간을 모사하였고 풍화토 지반은 모래로 모형 지반을 조성하였다.
- 모형토조는 지반을 조성하는 재료에 의해 토조가 파괴되지 않기 위해 10 mm 두께의 투명 아크릴로 가로× 세로×높이를 각각 500 mm × 300 mm × 200 mm 크기로 제작하였다.
- 본 연구에서는 실내 모형실험을 실시하여 연약지반에서 지하공동 굴착 시 상부 지층보강에 따른 지반침하량을 비교 분석하였으며 3차원 유한차분법에 근거한 FLAC 3D를 사용하여 공동 굴착에 따른 지반 침하를 수치적으로 모사했다.
- 본 연구에서는 연약지반에서의 지하굴착과정에서 상부 지층 보강효과에 따른 지반침하를 모사하기 위한 모형실험과 유한차분법을 이용한 수치해석 방법을 이용하여 결과를 비교 분석하였으며, 모형실험에 사용된 약액은 경화 시 무독성일 뿐만 아니라 내화학성 및 내구성이 우수하고 시간에 따른 변성이 없는 에폭시 계열의 재료를 이용하였고, 초저점도의 에폭시 수지와 이에 맞는 경화제를 일정비율로 혼합하여 실험을 진행하였다. 또한 지반 침하 발생여부 및 지반침하량 산정을 3차원 수치해석을 통해 보다 정확하게 구현함으로써 신뢰성 있는 결과를 도출하고자 하였다.
- 모형 지반에는 연약지반에서의 지하공동 굴착을 모사하고자 풍화암 파쇄대 지반과 풍화토 지반을 대상으로 모형 지반을 조성하였다. 쇄석과 모래를 혼합하여 풍화암 구간을 모사하였고 풍화토 지반은 모래로 모형 지반을 조성하였다. 이때 모형 지반 중 모래는 공중 낙하법을 적용하였으며, 지표에서 약 70 cm에서 낙하시킬 때 상대밀도는 35%가 확보되는 것으로 나타났다.
- 수치해석 모델링 결과를 모형실험 결과와 비교하였을 때 변위의 분포 양상이 비교적 잘 일치하는 결과를 토대로 보강범위를 달리하여 수치해석 모델링을 수행하였다. Model 1의 경우 보강범위를 40 mm × 40 mm × 40 mm (model 1-2)의 5개 구간과, 50 mm × 50 mm × 50 mm (model 1-3)의 5개 구간으로 넓혀 보강하였고, model 2와 model 3도 model 1과 마찬가지로 각 구간에 대하여 지반보강 범위를 넓혔다.
- 유한차분법에 기초한 3차원 수치해석 프로그램 FLAC을 이용하여 지반침하 양상을 모델링하였다. 모형실험과 동일한 조건을 나타내기 위하여 지하공동을 원형으로 모델링을 한 결과 유한차분 프로그램 특성상 model 2와 model 3에서는 mesh가 정확히 일치하지 않아 model 1과 동일한 조건하에 비교가 불가능한 점을 보완하여 공동모형은 model 1, 2, 3 모두 정사각형의 형태로 하여, mesh의 불일치 문제를 해결하였다.
- 지하공동 배치에 따른 지표에서의 지반침하양상을 확인하기 위해 각 포인트에서의 지반 침하를 측정하였다. 이때 지반침하의 측정은 1 mm까지 측정이 가능한 거리측정기를 이용하여 Fig. 1과 같이 가로 X-축, 세로 Y-축에 따라 지하공동 상부에 위치하는 원지반에서 Z위치와 지하공동 모형 인발로 인해 발생하는 Z의 상대적인 위치 차이를 이용하였으며, X, Y-축 모두 50 mm간격으로 각 지점에서 5회씩 측정하여 평균 Z값을 구하였다. 이때 지반 보강재로 사용될 에폭시를 Y-축 기준으로 하여 50 mm 간격으로 주입을 하였으며, 그 결과 형성된 구근은 Fig.
- 각 모델 모두 30 mm로 이루어진 원형의 아크릴 파이프로 구현을 하였으며, 아크릴 파이프를 인발하면서 공동 체적만큼의 굴착을 모사하고자 하였다. 지반 보강을 위한 주입장비는 노즐, 호스, 약액 통, 모터로 이루어져 있으며 지반을 보강하는 구역당 0.9 l/min의 속도로 약액을 주입한 결과 평균 30 ml의 크기로 구근이 형성되었으며, 그라우팅 주입 방식은 지반 상부에서 주입하는 단순그라우팅의 방법을 적용하였다.
- 지반 침하 측정 위치는 모형실험과 동일한 위치에서 Fig. 3과 같이 50 mm간격으로 측정이 이루어졌으며 이때 발생된 변위는 각 모델에 대하여 지반보강 전･후로 비교하여 나타내었다. 또한 각 모델에 대한 지반 보강범위는 Fig.
- 지하 공동 모형은 단일공동, 복수공동, 90°로 교차되는 교차공동의 총 3가지 모델로 구성하여 모형실험을 하였다.
- 지하공동 배치에 따른 지표에서의 지반침하양상을 확인하기 위해 각 포인트에서의 지반 침하를 측정하였다. 이때 지반침하의 측정은 1 mm까지 측정이 가능한 거리측정기를 이용하여 Fig.
- 모형토조는 지반을 조성하는 재료에 의해 토조가 파괴되지 않기 위해 10 mm 두께의 투명 아크릴로 가로× 세로×높이를 각각 500 mm × 300 mm × 200 mm 크기로 제작하였다. 투명 아크릴은 벽면의 마찰을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 지하공동 굴착 시 상부에서의 지반침하 양상을 육안으로 확인이 가능하며 상부는 개방되어 실험이 용이하도록 제작하였다. 본 실험에서는 지하공동의 배치에 따른 지반침하를 분석하고자 모형 토조에 직경 30 mm의 지하공동 모형을 제작하였다.
대상 데이터
- 지하 공동 모형은 단일공동, 복수공동, 90°로 교차되는 교차공동의 총 3가지 모델로 구성하여 모형실험을 하였다. Model 1은 공동의 직경을 30 mm, 공동의 심도는 상부로부터 115 mm, 공동 길이는 300 mm인 경우이며 model 2의 공동 직경 및 공동 심도는 model 1과 동일하고, 공동 폭 간격은 90 mm로 설계를 하였다. Model 3의 경우 model 1과 공동 직경 및 공동의 심도는 동일하며, 교차되는 공동의 길이는 500 mm로 실험을 진행하였다.
- Model 1은 공동의 직경을 30 mm, 공동의 심도는 상부로부터 115 mm, 공동 길이는 300 mm인 경우이며 model 2의 공동 직경 및 공동 심도는 model 1과 동일하고, 공동 폭 간격은 90 mm로 설계를 하였다. Model 3의 경우 model 1과 공동 직경 및 공동의 심도는 동일하며, 교차되는 공동의 길이는 500 mm로 실험을 진행하였다. 각 모델 모두 30 mm로 이루어진 원형의 아크릴 파이프로 구현을 하였으며, 아크릴 파이프를 인발하면서 공동 체적만큼의 굴착을 모사하고자 하였다.
- 수치해석에 적용된 입력 물성치는 Table 4에 나타내었다. 매립토, 풍화토, 풍화암층은 부산교통공단의 종합보고서 내용을 토대로 물성값을 산정하였고, 보강재로 사용된 에폭시는 실내 실험을 통해서 얻은 물성치로 수치해석 입력값으로 사용하였다.
- 투명 아크릴은 벽면의 마찰을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 지하공동 굴착 시 상부에서의 지반침하 양상을 육안으로 확인이 가능하며 상부는 개방되어 실험이 용이하도록 제작하였다. 본 실험에서는 지하공동의 배치에 따른 지반침하를 분석하고자 모형 토조에 직경 30 mm의 지하공동 모형을 제작하였다.
- 실제 현장에서 시공한 터널 굴착에 따른 지반침하의 양상을 수치해석으로 확인해봄으로써 본 연구의 적용성을 확인하였다. 본 연구에서 적용한 현장 지역은 부산지하철 0호선 건설공구로 연구대상지역의 지층은 시추자료를 토대로 확인해 본 결과 연약지반으로 매립층 4 m, 풍화토층 11 m, 풍화암층 12 m로 구성되었으며, 터널은 풍화암층 상단에서 굴착이 진행되었다. 수치해석 모델은 Fig.
- 수치해석 모델은 Fig. 9와 같이 실제 터널 모형과 동일한 말발굽형태로 직경 6 m, 총연장은 100 m로 설계를 하였고, 공동 굴착 시 지반 보강에 의한 지표에서의 침하양상을 확인하는 것이 가장 큰 목표이기에 다른 지보재의 영향 및 건물의 하중과 같은 요소는 고려하지 않았다.
이론/모형
- 경계조건은 좌･우측 모두 수평변위를 구속하였고 하부는 연직변위를 구속하였다. 수치해석 모델링에 사용된 물성값 중 모래는 기존에 모래지반으로 실험한 논문(Jung, 2007)을 참고하였고, 에폭시의 물성은 실험실에서 기초물성 측정 및 일축압축강도, 압열인장강도 등을 이용하였으며, Table 2에 나타내었다.
성능/효과
- 3차원 수치해석 프로그램인 FLAC 3D를 이용하여 터널 굴착에 따른 지반침하 모델을 구현할 수 있었으며, 이를 토대로 실제 연약지반에서의 지하굴착에 앞서 지반보강에 의한 침하량을 추정하는 것이 가능하다고 사료된다.
- 5와같다. Model 1, 2, 3 모두 공동 상부에서 지반보강에 의해 0.1cm의 침하 감소 효과를 확인할 수 있었고, model 3의 경우 Y=15 cm 지점에서 지하공동이 cross됨으로 인하여 model 1, 2에 비해 지반침하가 더 크게 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 지반 보강 후 model 1은 X-축으로 약 30 cm의 범위에서 최소 0.
- Model 1의 경우 지하공동 굴착에 따른 상부에서의 최대 지반 침하량은 0.8 cm로 나타났으며, 지하공동이 위치한 지점에서부터 거리가 멀어질수록 침하량은 감소하는 것으로 확인되었다. 또한 지반보강 후 지반침하량은 0.
- 각 모델에 대해 발생된 변위를 살펴보면 Table 3과 같이 model 1의 경우 공동 축 방향으로 5개의 지점에서 평균 1.0 cm의 지반침하가 발생하였고 처음 굴착이 시작되는 부근에서 변위가 다소 크게 발생하는 것을 확인하였다. Model 2의 경우 공동이 두 개 존재함으로서 전체적으로 model 1과 비교하여 평균 0.
- 1 cm의 지반침하 감소효과를 확인하였다. 결과적으로 모형실험과 수치해석에 의한 지반침하의 분포양상은 비교적 잘 일치한 결과를 보이고 있다. 따라서 FLAC 3D를 이용한 수치해석 모델링이 지하공동 굴착 시 상부지층 보강효과에 따른 지반에서의 침하를 구현할 수 있는 적합한 방법이라고 사료된다.
- 결과적으로 모형실험과 수치해석에 의한 지반침하의 분포양상은 비교적 잘 일치한 결과를 보이고 있다. 따라서 FLAC 3D를 이용한 수치해석 모델링이 지하공동 굴착 시 상부지층 보강효과에 따른 지반에서의 침하를 구현할 수 있는 적합한 방법이라고 사료된다.
- 이는 실험실 스케일에 맞춰 지반 보강을 좁은 구역에서 실시한 결과이며, 실제 현장에서 연약지반의 지반보강이 넓은 범위에 걸쳐 이루어질 때 지반침하 감소효과를 크게 볼 수 있을 것이라 사료된다. 또한 모형실험과 동일한 조건에서 수행된 수치해석 결과 지반보강효과는 원지반에 비해서 평균 0.1 cm의 지반침하 감소효과를 확인하였으며, 결과적으로 모형실험과 수치해석에 의한 지반침하 분포양상은 비교적 잘 일치하는 결과를 보인다고 사료된다. 지반 보강 범위를 다르게 한 경우 보강 범위가 커질수록 지반침하량은 감소한 것으로 나타났으며 교차 공동에서 지반보강에 의한 침하 감소효과가 세 개의 모델 중 가장 크게 나타났다.
- 이에 따른 결과를 살펴보면 대상지역이 연약지반으로 구성되어 있었기 때문에 단일터널의 경우 Table 5와 같이 기존의 수치해석 결과와 동일하게 처음 굴착이 시작되는 갱구 부근에서 변위가 더 발생하는 것을 확인하였으며, 지반보강전과 비교하면 최소 36%에서 최대 47%로 지반침하가감소되는 효과를 확인하였다. 또한 지반보강 전에는 X-축으로 약 20 m에 걸쳐 10 cm이상의 지반침하가 발생하였고, 지반보강 후에는 약 5 cm정도로 지반침하가 감소하는 것을 확인하였다. 복선터널의 경우 X-축으로 48 m구간에 걸쳐 약 60 cm이상의 지반침하가 발생하였고, 지반보강 후에는 약 20 cm 이내로 침하가 감소하였다.
- 8 cm로 나타났으며, 지하공동이 위치한 지점에서부터 거리가 멀어질수록 침하량은 감소하는 것으로 확인되었다. 또한 지반보강 후 지반침하량은 0.7 cm로 측정되었으며, 지반보강재의 주입에 따라 지반침하가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. Model 2의 경우 지하공동 사이의 거리는 90 mm로 설계 하였으며 지반보강을 하지 않은 상태에서 지하공동을 굴착하였을 때는 좌･우측 지하공동의 상부에서 평균 침하량이 1.
- 모형실험 결과 지반보강 후에 측정한 지반 침하량은 단일공동, 복수공동, 교차공동 모두 0.1 cm의 감소효과를 확인하였다. 이는 실험실 스케일에 맞춰 지반 보강을 좁은 구역에서 실시한 결과이며, 실제 현장에서 연약지반의 지반보강이 넓은 범위에 걸쳐 이루어질 때 지반침하 감소효과를 크게 볼 수 있을 것이라 사료된다.
- 모형실험 결과와 수치해석 결과를 바탕으로 실제 현장에서의 본 연구의 적용가능성을 검토한 결과 복선터널의 경우 지반보강 후에도 3개의 모델 중 평균 침하량이 크게 나타났는데 이는 터널과 터널 사이가 상대적으로 좁아 넓은 지역에 걸쳐 침하가 발생되었기 때문이라고 사료된다.
- 유한차분법에 기초한 3차원 수치해석 프로그램 FLAC을 이용하여 지반침하 양상을 모델링하였다. 모형실험과 동일한 조건을 나타내기 위하여 지하공동을 원형으로 모델링을 한 결과 유한차분 프로그램 특성상 model 2와 model 3에서는 mesh가 정확히 일치하지 않아 model 1과 동일한 조건하에 비교가 불가능한 점을 보완하여 공동모형은 model 1, 2, 3 모두 정사각형의 형태로 하여, mesh의 불일치 문제를 해결하였다. 모형실험과 비교하면 수치해석 모델의 지반침하량이 1.
- 수치해석에 의한 지반 침하량은 모형실험과 비교하면 약 1.2배 정도 큰 수치를 보였지만 이는 모형실험과 수치해석상의 공동 체적에 의한 차이에서 오는 오차로 사료되며, 지반보강효과는 원지반에 비해서 평균 0.1 cm의 지반침하 감소효과를 확인하였다.
- 쇄석과 모래를 혼합하여 풍화암 구간을 모사하였고 풍화토 지반은 모래로 모형 지반을 조성하였다. 이때 모형 지반 중 모래는 공중 낙하법을 적용하였으며, 지표에서 약 70 cm에서 낙하시킬 때 상대밀도는 35%가 확보되는 것으로 나타났다. 지하공동의 위치는 풍화암 구간과 풍화토 구간의 경계에 위치하며, 시험에 사용된 시료의 물리적 특성은 Table 1과같다.
- Model 1의 경우 보강범위를 40 mm × 40 mm × 40 mm (model 1-2)의 5개 구간과, 50 mm × 50 mm × 50 mm (model 1-3)의 5개 구간으로 넓혀 보강하였고, model 2와 model 3도 model 1과 마찬가지로 각 구간에 대하여 지반보강 범위를 넓혔다. 이에 따른 결과는 지반 보강 범위가 커질수록 침하량은 감소하는 것으로 나타났으며, model 3인 교차 공동에서 지반보강에 의한 침하 감소효과가 세 개의 모델 중 가장 크게 나타났다. 이는 침하량이 가장 크게 나타나는 교차 부분에서 지반보강이 지표 침하를 억제하는 데 효과적인 방법이라고 사료된다.
- 한편, 지반보강은 높이 11 m, 길이 100 m로 구성된 풍화토 전 구간을 단순 그라우팅 방법으로 보강된 물성값으로 입력하여 보강 전 후를 각각 model 4, 5, 6과 4-1, 5-1, 6-1 로 나타내었다. 이에 따른 결과를 살펴보면 대상지역이 연약지반으로 구성되어 있었기 때문에 단일터널의 경우 Table 5와 같이 기존의 수치해석 결과와 동일하게 처음 굴착이 시작되는 갱구 부근에서 변위가 더 발생하는 것을 확인하였으며, 지반보강전과 비교하면 최소 36%에서 최대 47%로 지반침하가감소되는 효과를 확인하였다. 또한 지반보강 전에는 X-축으로 약 20 m에 걸쳐 10 cm이상의 지반침하가 발생하였고, 지반보강 후에는 약 5 cm정도로 지반침하가 감소하는 것을 확인하였다.
- 1 cm의 지반침하 감소효과를 확인하였으며, 결과적으로 모형실험과 수치해석에 의한 지반침하 분포양상은 비교적 잘 일치하는 결과를 보인다고 사료된다. 지반 보강 범위를 다르게 한 경우 보강 범위가 커질수록 지반침하량은 감소한 것으로 나타났으며 교차 공동에서 지반보강에 의한 침하 감소효과가 세 개의 모델 중 가장 크게 나타났다. 이는 교차 부분에서 지반보강을 통하여 지표 침하를 억제하는 데 보다 효과적인 방법이라고 사료된다.
- 10은 실제 현장 스케일에서의 각 모델에 대하여 지반 보강 후 측정된 지반침하량을 나타내었다. 최종적으로 3개의 모델 모두 지반 보강 후에는 지반침하가 구조물의 최대 한계 허용 침하량 기준치인 30 cm 이내로 측정된 것을 확인할 수있었으며, 이는 연약지반의 상부지반 보강공법이 지반침하량을 크게 감소시킬 수 있는 방법이라 사료된다.
- 한편, 교차터널에서 지반보강 전 반경 13 m 구간에서는 1 m이상의 지반 침하가 발생하였고, 지반 보강 후에는 평균 15 cm로 지반침하가 크게 감소한 것을 확인하였고, 두 개의 터널이 교차되는 50 m지점을 제외하고는 평균적으로 11.7 cm의 침하량을 나타내었다.
후속연구
- 국부적인 보강방법뿐만 아니라 광역적인 지반보강을 통한 지반침하량 산정을 위한 추가적인 연구가 수행되면, 본 연구 결과는 기존 지하공동으로 인한 침하 발생예상지역의 상부 지층 보강법을 이용한 지반침하 방지공법의 자료로 이용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 7 cm의 침하량을 나타내었다. 따라서 복선터널 및 교차터널의 설계를 계획한다면 지반보강 이외에도 록볼트나 숏크리트 등의 지보가 추가적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다. Fig.
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