개착식 터널공법으로 시공된 지하철 건설현장을 대상으로 각종 계측시스템을 적용하여 지하 박스구조물에 작용하는 토압을 측정하였다. 이를 토대로 기존 이론식으로 산정된 측방토압과 현장에서 계측된 실측토압을 비교 검토하고, 실제 지하구조물에 작용하는 토압분포를 조사하였다. 조사결과에 의하면 지하 박스구조물에 작용하는 연직토압은 주로 성토고에 큰 영향을 받고 있으며, 측방토압은 흙막이구조물(버팀보, 흙막이벽)의 존치여부에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 현장에서 측정된 지하 박스구조물 상단에 작용하는 연직토압은 Bierbaumer의 이론토압에 가장 근사하게 나타나고 있으며, 측방토압은 정지토압보다 주동토압에 가깝게 작용하고 있다. 그리고, 토압계수는 토사층의 경우 평균 0.35정도로 나타났으며 연암층의 경우 평균 0.21정도로 토사층에서 크게 나타나고 있다. 따라서, 지하 박스구조물이 토사층에 설치되는 경우, 지하 박스구조물에 작용하는 측방토압은 정지토압보다는 주동토압과 정지토압의 평균치를, 암반층에 설치되는 경우에는 주동토압을 사용하는 것이 보다 합리적이라고 판단된다.
개착식 터널공법으로 시공된 지하철 건설현장을 대상으로 각종 계측시스템을 적용하여 지하 박스구조물에 작용하는 토압을 측정하였다. 이를 토대로 기존 이론식으로 산정된 측방토압과 현장에서 계측된 실측토압을 비교 검토하고, 실제 지하구조물에 작용하는 토압분포를 조사하였다. 조사결과에 의하면 지하 박스구조물에 작용하는 연직토압은 주로 성토고에 큰 영향을 받고 있으며, 측방토압은 흙막이구조물(버팀보, 흙막이벽)의 존치여부에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 현장에서 측정된 지하 박스구조물 상단에 작용하는 연직토압은 Bierbaumer의 이론토압에 가장 근사하게 나타나고 있으며, 측방토압은 정지토압보다 주동토압에 가깝게 작용하고 있다. 그리고, 토압계수는 토사층의 경우 평균 0.35정도로 나타났으며 연암층의 경우 평균 0.21정도로 토사층에서 크게 나타나고 있다. 따라서, 지하 박스구조물이 토사층에 설치되는 경우, 지하 박스구조물에 작용하는 측방토압은 정지토압보다는 주동토압과 정지토압의 평균치를, 암반층에 설치되는 경우에는 주동토압을 사용하는 것이 보다 합리적이라고 판단된다.
The earth pressure acting on underground structure was measured by application of the instrumentation system in the subway construction site constructed by the method of cut-and-cover tunnel. The measured earth pressure was compared with the earth pressure obtained from the existed theoretical equat...
The earth pressure acting on underground structure was measured by application of the instrumentation system in the subway construction site constructed by the method of cut-and-cover tunnel. The measured earth pressure was compared with the earth pressure obtained from the existed theoretical equation, and the actual earth pressure diagram acting on the underground structure was investigated. As a result of investigation, the vertical earth pressure is mainly affected by the embankment height, and the lateral earth pressure is significantly affected by whether the existence of earth retaining structures or not. The measured vertical earth pressure is very similar to the theoretical earth pressure proposed by Bierbaumer. The measured lateral earth pressure is closed to the active earth pressure proposed by Rankine rather than the earth pressure at rest. The coefficient of earth pressure in soil deposit layer is about 0.35, and the coefficient in soft rock deposit layer is about 0.21. For design and construction the underground structures, therefore, it is reasonable estimation that the lateral earth pressure acting on structures installed in soil deposit layers is an average value between active earth pressure and earth pressure at rest. In rock deposit layers, the lateral earth pressure acting on structure is an active earth pressure only.
The earth pressure acting on underground structure was measured by application of the instrumentation system in the subway construction site constructed by the method of cut-and-cover tunnel. The measured earth pressure was compared with the earth pressure obtained from the existed theoretical equation, and the actual earth pressure diagram acting on the underground structure was investigated. As a result of investigation, the vertical earth pressure is mainly affected by the embankment height, and the lateral earth pressure is significantly affected by whether the existence of earth retaining structures or not. The measured vertical earth pressure is very similar to the theoretical earth pressure proposed by Bierbaumer. The measured lateral earth pressure is closed to the active earth pressure proposed by Rankine rather than the earth pressure at rest. The coefficient of earth pressure in soil deposit layer is about 0.35, and the coefficient in soft rock deposit layer is about 0.21. For design and construction the underground structures, therefore, it is reasonable estimation that the lateral earth pressure acting on structures installed in soil deposit layers is an average value between active earth pressure and earth pressure at rest. In rock deposit layers, the lateral earth pressure acting on structure is an active earth pressure only.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서, 본 연구에서는 개착식 터널공법으로 시공된 지하철 건설현장을 대상으로 각종 계측시스템을 적용하여 지하 박스구조물에 작용하는 토압을 측정하였다. 이를 토대로 기존 이론식으로 산정된 토압과 현장에서 계측된 실측토압을 비교 검토하고, 실제 지하 박스구조물에 작용하는 토압분포를 조사하고자 한다.
따라서, 본 연구에서는 개착식 터널공법으로 시공된 지하철 건설현장을 대상으로 각종 계측시스템을 적용하여 지하 박스구조물에 작용하는 토압을 측정하였다. 이를 토대로 기존 이론식으로 산정된 토압과 현장에서 계측된 실측토압을 비교 검토하고, 실제 지하 박스구조물에 작용하는 토압분포를 조사하고자 한다. 특히 지하 박스구조물이 완성된 이후, 성토에 의한 상재하중재하시, 최상단 버팀보 제거시, 흙막이벽 제거시 등 시공단계별로 토압의 변화를 고찰하고자 한다.
이를 토대로 기존 이론식으로 산정된 토압과 현장에서 계측된 실측토압을 비교 검토하고, 실제 지하 박스구조물에 작용하는 토압분포를 조사하고자 한다. 특히 지하 박스구조물이 완성된 이후, 성토에 의한 상재하중재하시, 최상단 버팀보 제거시, 흙막이벽 제거시 등 시공단계별로 토압의 변화를 고찰하고자 한다.
가설 설정
지하 박스구조물 상부에서 측정된 연직토압이 구조물 측벽의 최상단에 부착된 토압계(Ph-4)의 설치지점에서 작용하는 연직토압과 같다고 가정하고, Ph-3, Ph-2, Ph-1 계측지점의 연직토압은 현장에서 측정된 연직토압에 각 토압계의 설치위치에 단위중량(α=γZ )을 곱하여 가산하였다.
제안 방법
따라서, 본 연구에서는 개착식 터널공법으로 시공된 지하철 건설현장을 대상으로 각종 계측시스템을 적용하여 지하 박스구조물에 작용하는 토압을 측정하였다. 이를 토대로 기존 이론식으로 산정된 토압과 현장에서 계측된 실측토압을 비교 검토하고, 실제 지하 박스구조물에 작용하는 토압분포를 조사하고자 한다.
굴착저면에 축조된 지하 박스구조물에 토압계를 설치한 이후 굴착공간내에 성토를 실시하는 단계에서부터 흙막이벽을 제거한 후 시공이 완료된 단계까지의 토압변화를 검토하기 위하여 다음과 같이 시공단계를 4단계로 구분하였다.
3m 까지 관입하였다. 그리고 엄지말뚝이 설치된 암반층에는 록볼트를 설치하여 흙막이벽을 지지하도록 하였다. 본 구간에서는 흙막이벽 배면지반에 별도의 차수벽을 설치하지는 않았으나 엄지말뚝이 설치된 구간에서는 흙막이판을 설치하지 않고 두께 15cm의 철근콘크리트를 타설하여 지하수가 굴착현장내로 유입되는 것을 방지하였다.
지하공간을 마련하기 위하여 설치된 가설흙막이구조물은 매립토층 및 충적토층으로 이루어진 토사층까지 강널 말뚝(Sheet-Pile)을 관입시켰으며, 그 하부인 풍화암층 및 연암층에서는 숏크리트를 타설하거나 엄지말뚝(H-Pile)을 설치하고 그 사이에 콘크리트판을 타설하기도 하였다. 그리고 흙막이벽 지지구조는 버팀보지지방식으로 시공하였다.
그리고 엄지말뚝이 설치된 암반층에는 록볼트를 설치하여 흙막이벽을 지지하도록 하였다. 본 구간에서는 흙막이벽 배면지반에 별도의 차수벽을 설치하지는 않았으나 엄지말뚝이 설치된 구간에서는 흙막이판을 설치하지 않고 두께 15cm의 철근콘크리트를 타설하여 지하수가 굴착현장내로 유입되는 것을 방지하였다.
여기서 단위중량(γ)은구조물 상부에 설치된 토압계로부터 측정된 연직토압을 이용하여 산정하였으며, 흙의 내부마찰각(Φ)은 설계시 통상적으로 성토재에 적용하고 있는 30°를 적용하였다.
14는 지하 박스구조물 상부에 작용하는 연직토압에 대하여 실측토압과 Marston & Anderson(1913)의 이론식, AASHTO(1994)의 이론식, Bierbaumer(1913)의 이론 식에 의한 이론토압과 비교하여 나타낸 것이다. 여기서 연직토압은 성토고가 다른 두가지 경우에 대해서 비교한 것으로 최상단 버팀보까지 성토가 완료되었을 때의 연직토압과 흙막이벽이 제거된 후 최대연직토압을 대상으로 하여 이론식과 비교하였다.
개착식 터널공법으로 시공된 지하철 건설현장을 대상으로 각종 계측시스템을 적용하여 지하 박스구조물에 작용하는 토압을 측정하였다. 이를 토대로 기존 이론식으로 산정된 측방토압과 현장에서 계측된 실측토압을 비교 검토하고, 실제 지하 박스구조물에 작용하는 토압분포를 조사하였다. 이들 결과를 정리하면 다음과 같다.
본 연구에 활용된 굴착현장은 서울지하철 제 8호선 잠실구간의 개착식터널 공사구간이다. 현장계측은 본선구간 2개소와 정차장구간 2개소에 축조된 지하 박스구조물에 토압계 및 간극수압계를 각각 설치하여 실시하였다.
대상 데이터
대상현장의 지층구성은 Fig. 2에 나타난 바와 같이 지표면으로부터 매립토층, 충적토층, 풍화암층, 연암 및 경암 층으로 구성되어 있다. 매립토층은 주로 실트 및 자갈섞인 모래, 모래섞인 자갈로 이루어져 있으며, 층의 두께는 1.
본 연구에 활용된 굴착현장은 서울지하철 제 8호선 잠실구간의 개착식터널 공사구간이다. 현장계측은 본선구간 2개소와 정차장구간 2개소에 축조된 지하 박스구조물에 토압계 및 간극수압계를 각각 설치하여 실시하였다.
1은 본선구간 및 정차장구간의 계측지점 및 주변상황을 개략적으로 나타낸 것이다. 제1계측지점은 남쪽의 백제고분로(폭 35m)에서 북쪽으로 50m정도 떨어진 석촌 호수의 서호부근에 굴착깊이 17.2m, 굴착폭 12.5m로 이루어진 지하공간에 축조된 지하 박스구조물의 좌측벽이다. 제2계측지점은 북쪽의 잠실길(폭 25m)에서 송파대로 (폭40m) 남쪽방향으로 45m 떨어진 지점에 축조된 지하 박스구조물의 우측벽이다.
5m로 이루어진 지하공간에 축조된 지하 박스구조물의 좌측벽이다. 제2계측지점은 북쪽의 잠실길(폭 25m)에서 송파대로 (폭40m) 남쪽방향으로 45m 떨어진 지점에 축조된 지하 박스구조물의 우측벽이다. 제1계측지점과 제2계측지점은 약 100m정도 떨어져 있으며 이들 계측지점 사이에는 석촌호수 동호와 서호의 관통수로가 위치하고 있다.
이론/모형
본 굴착구간의 서측에는 석촌호수가 위치하고 있으므로 흙막이벽 배면지반에 차수벽을 설치하여 굴착현장내로 지하수의 유입을 방지하였다. 차수벽은 고압분사주입공법(JSP)을 적용하였으며 직경 80cm의 현장콘크리트말뚝을 G.L(-)17.0m 까지 중첩시공하였다.
성능/효과
(1) 지하 박스구조물에 작용하는 연직토압은 주로 성토고에 큰 영향을 받고 있으며 흙막이구조물의 존치여부 에는 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 그러나 측방 토압은 성토고도 영향을 받지만 흙막이벽구조물(버팀보, 흙막이벽)의 존치여부에 큰 영향을 받고 있다.
(2) 토압계수는 토사층의 경우 평균 0.35정도로 나타났으며 연암층의 경우 평균 0.21정도로 토사층에서 크게 나타나고 있다. 따라서 토압계수는 원지반이 견고할수록 작게 나타나고 있어 뒷채움재의 종류 뿐만 아니라 원지반의 종류(강도)에도 영향을 받고 있음을 알 수 있다.
(3) 현장에서 측정된 지하 박스구조물 상단에 작용하는 연직토압은 Bierbaumer(1913)의 이론토압에 가장 근사하게 나타나고 있으며, AASHTO(1994)의 이론식 보다는 작으며 Marston & Anderson(1913) 이론식보다 크게 나타나고 있다.
(4) 지하 박스구조물 측벽에 뒷채움이 완료된 후 구조물에 작용하는 측방토압은 Marston & Anderson(1913) 의 사일로 내의 토압산정식을 적용하여 추정하는 것이 가능하며, 구조물과 뒷채움흙 사이의 마찰각이 δ = (3/4)Φ인 경우와 일치하고 있다.
(5) 지하 박스구조물이 토사층에 설치되는 경우, 지하 박스구조물에 작용하는 측방토압은 정지토압보다는 주동토압과 정지토압의 평균치를, 암반층에 설치되는 경우에는 주동토압을 사용하는 것이 보다 합리적이라고 판단된다.
그리고 흙막이벽 제거된 제4단계 구간에서의 연직토압은 흙막이벽이 제거된 후 약 4개월동안 매우 큰 폭으로 증가하여 제1계측지점에 서는 최대 6.98t/m², 제2계측지점에서는 7.47t/m²정도가 작용하고 있으며, 그 후 약 1년 6개월동안 토압은 매우 미세하게 증가하고 있다.
제1계측지점에서 측정된 간극수압은 지하굴착과 동시에 양수작업을 실시하여 뒷채움이 실시되는 성토초기에는 0.05t/m²정도로 거의 작용하지 않는 것으로 나타났다.
제1계측지점에서 측정된 연직토압은 성토초기단계에서 0.14t/m²정도로 매우 작게 나타났으나 성토가 진행되면서 토압은 급격히 증가하여 최상단 버팀보를 제거하고 성토계획고까지 성토가 완료되었을 때 13.36-13.75t/m²정도로 나타났다.
한편, 시공이 완료된 후 간극수압의 측정결과를 토대로 하면 지하수의 위치는 G.L (-)12.82m-15.52m로 굴착전의 지하수위(G.L(-)7.1-8.0m)보다 훨씬 낮은 것으로 나타났다.
흙막이벽(Sheet-pile)이 제거되자 토압은 약간증가하여 14.41-14.42t/m²정도로 나타났으며 시공이 완료된 후 장기간(2년)동안 토압의 변화는 거의 없이 일정하게 유지되고 있는 것으로 나타났다.
흙막이벽이 제거된 단계에서는 토압이 급격히 증가하여 6.34-7.57t/m²정도로 나타났으며 시공이 완료된 후 장기간(2년)동안 토압의 변화는 거의 없이 일정하게 유지되고 있는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
개착식 터널공법은 어떤 공법인가?
일반적으로 지하 박스구조물은 개착식 터널공법 및 암거공법으로 시공되어 진다. 개착식 터널공법은 지표면에서 직접시공이 곤란하여 가설흙막이벽을 이용하여 지반을 굴착하고 굴착지반속 소정의 위치에 구조물을 설치한 후성토를 실시하는 것이다. 도심지에서의 지하철 공사시 주로 적용되는 개착식 터널공법은 굴착단면을 최대한 이용하기 위하여 주로 구형 라멘단면을 이용하고 있다.
일반적으로 지하 박스구조물은 어떤 공법으로 시공되는가?
일반적으로 지하 박스구조물은 개착식 터널공법 및 암거공법으로 시공되어 진다. 개착식 터널공법은 지표면에서 직접시공이 곤란하여 가설흙막이벽을 이용하여 지반을 굴착하고 굴착지반속 소정의 위치에 구조물을 설치한 후성토를 실시하는 것이다.
본 연구에서 개착식 터널공법으로 시공된 지하철 건설현장을 대상으로 각종 계측시스템을 적용하여 지하 박스구조물에 작용하는 토압을 측정하여 기존 이론식으로 산정된 측방토압과 현장에서 계측된 실측토압을 비교 검토하고, 실제 지하 박스구조물에 작용하는 토압분포를 조사한 결과는 무엇인가?
(1) 지하 박스구조물에 작용하는 연직토압은 주로 성토고에 큰 영향을 받고 있으며 흙막이구조물의 존치여부 에는 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 그러나 측방 토압은 성토고도 영향을 받지만 흙막이벽구조물(버팀보, 흙막이벽)의 존치여부에 큰 영향을 받고 있다. 특히, 흙막이벽이 지중에 그대로 설치되어 있는 경우에는 지하 박스구조물에 작용하는 측방토압을 30～70% 정도 작게 작용하고 있다.
(2) 토압계수는 토사층의 경우 평균 0.35정도로 나타났으며 연암층의 경우 평균 0.21정도로 토사층에서 크게 나타나고 있다. 따라서 토압계수는 원지반이 견고할수록 작게 나타나고 있어 뒷채움재의 종류 뿐만 아니라 원지반의 종류(강도)에도 영향을 받고 있음을 알 수 있다.
(3) 현장에서 측정된 지하 박스구조물 상단에 작용하는 연직토압은 Bierbaumer(1913)의 이론토압에 가장 근사하게 나타나고 있으며, AASHTO(1994)의 이론식 보다는 작으며 Marston & Anderson(1913) 이론식보다 크게 나타나고 있다. 그리고 측방토압은 정지토압 보다 주동토압에 가깝게 작용하고 있다.
(4) 지하 박스구조물 측벽에 뒷채움이 완료된 후 구조물에 작용하는 측방토압은 Marston & Anderson(1913) 의 사일로 내의 토압산정식을 적용하여 추정하는 것이 가능하며, 구조물과 뒷채움흙 사이의 마찰각이 δ = (3/4)Φ인 경우와 일치하고 있다.
(5) 지하 박스구조물이 토사층에 설치되는 경우, 지하 박스구조물에 작용하는 측방토압은 정지토압보다는 주동토압과 정지토압의 평균치를, 암반층에 설치되는 경우에는 주동토압을 사용하는 것이 보다 합리적이라고 판단된다.
참고문헌 (12)
AASHTO (1994) LRFD Bridge Design Specifications, 1st Edition, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C.
Bierbaumer, A. (1913) Die dimensuonierung des tunnelmauerwerkes, Leipzig, W. Engelmann.
Christensen J.T. (1967) "The application of generalized stress-strain relations", Proc. Symp. on Limit Equilibrium, Plasticity, and Generalized Stress-Strain Applications in Geotech, Engg., ASCE, Annual Convention and Exposition, Hollywood, Florida, pp.182-204.
Chung, S.G., Cho, K.Y., Yoon, C.K., Lee, D.M. (1996) "Earth pressures on box culvert induced by excavation geometry", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.12, No.5, pp.27-40. (In Korean with English Abstract)
Dasgupta, A. and Sengupta, B. (1991) "Large scale model test on square box culvert backfilled with sand", Jour. Geotechnical Engineering, Vol.117, No.1, pp.156-161.
Houska, J. (1960) "Beitrag zur theorie der erddrucke auf das tunnelmauerwerk", Schweizerische Bauzeitung, Vol.78, pp.607-609.
Lee, S.D., Moon, C.Y., Kim, E.S., Lee, C.K. (1997) "A study on the lateral earth pressure by the narrowly backfilled soil", Jouranl of Korean Society of Civil Engineers, Vol.17, No.III-3, pp.285-292. (In Korean with English Abstract)
Marston, A. and Anderson, A.O. (1913) "The theory of loads on pipes in ditches, and tests of cement and clay drain tile and sewer pipe", Bulletins of the Engineering Experiment Station, Iowa State College, No.31, pp.30-64.
Muller-Breslau H. (1906) Erddruck auf Stutzmauern, Alfred Kroner, Stuttgart.
Rankine, W. (1857) "On the stability of loose earth", Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol.147, pp.9-27.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.