최근 급격한 도시화로 인한 신도시, 택지개발지구 등의 증가로 기존 구조물 하부를 통과하는 비개착 강관압입공법의 적용이 증가하는 추세이다. 비개착공법은 시공 중 기존구조물의 정상적인 운영 안정성이 확보되어야 하므로 강관압입에 의한 지표침하의 정밀한 예측이 필수적으로 필요한 공법이다. 강관압입 시 침하를 발생시키는 원인은 강관 선단과 강관과의 직경차에 의한 공극, 원활한 강관압입을 위한 과굴착, 강관과 지반과의 마찰에 의한 공극 발생 등이 있으며, 이는 Shield TBM 시공 시 발생하는 침하 원인과 유사하다. 본 연구에서는 Shield TBM의 침하 예측방법인 Gap Parameter Method와 VolumeLoss Method를 이용하여 강관압입 시 침하를 예측하였으며, 현장시험을 통하여 예측방법에 대한 비교 분석을 수행하였다. 그 결과 Volume Loss 예측방법이 현장시험과 가장 유사한 결과로 나타났으나, 추후 예측방법의 Factor 결정 및 비개착공법 전체 침하예측을 위한 적용성 등 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
최근 급격한 도시화로 인한 신도시, 택지개발지구 등의 증가로 기존 구조물 하부를 통과하는 비개착 강관압입공법의 적용이 증가하는 추세이다. 비개착공법은 시공 중 기존구조물의 정상적인 운영 안정성이 확보되어야 하므로 강관압입에 의한 지표침하의 정밀한 예측이 필수적으로 필요한 공법이다. 강관압입 시 침하를 발생시키는 원인은 강관 선단과 강관과의 직경차에 의한 공극, 원활한 강관압입을 위한 과굴착, 강관과 지반과의 마찰에 의한 공극 발생 등이 있으며, 이는 Shield TBM 시공 시 발생하는 침하 원인과 유사하다. 본 연구에서는 Shield TBM의 침하 예측방법인 Gap Parameter Method와 Volume Loss Method를 이용하여 강관압입 시 침하를 예측하였으며, 현장시험을 통하여 예측방법에 대한 비교 분석을 수행하였다. 그 결과 Volume Loss 예측방법이 현장시험과 가장 유사한 결과로 나타났으나, 추후 예측방법의 Factor 결정 및 비개착공법 전체 침하예측을 위한 적용성 등 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
Non-excavation method is needed to secure the stability of existing structures during construction. Therefore, prediction of ground settlement is essential. Causes of settlement when using steel pipe indentation method are leading pipe-steel pipe gap, excessive excavation and soil-steel pipe frictio...
Non-excavation method is needed to secure the stability of existing structures during construction. Therefore, prediction of ground settlement is essential. Causes of settlement when using steel pipe indentation method are leading pipe-steel pipe gap, excessive excavation and soil-steel pipe friction etc. Also they are similar to the causes of settlement when using Shield TBM during construction. In this study, ground settlement during steel pipe indentation is predicted by the Gap Parameter Method and Volume Loss Method which are kinds of Shield TBM prediction Method. and compared with those of prediction methods by conducting field test. As a result, Volume Loss Prediction Method is the most similar to the field tests. However, It is needed to additional studies, such as decision of the factors and adaptability for total settlement predictions of non-excavation method.
Non-excavation method is needed to secure the stability of existing structures during construction. Therefore, prediction of ground settlement is essential. Causes of settlement when using steel pipe indentation method are leading pipe-steel pipe gap, excessive excavation and soil-steel pipe friction etc. Also they are similar to the causes of settlement when using Shield TBM during construction. In this study, ground settlement during steel pipe indentation is predicted by the Gap Parameter Method and Volume Loss Method which are kinds of Shield TBM prediction Method. and compared with those of prediction methods by conducting field test. As a result, Volume Loss Prediction Method is the most similar to the field tests. However, It is needed to additional studies, such as decision of the factors and adaptability for total settlement predictions of non-excavation method.
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문제 정의
앞서 살펴본 바와 같이 비개착 강관압입에 의한 지반거동 특성은 Shield TBM의 지표침하 발생원인과 유사한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 기존 Shield TBM의 침하량 예측에 널리 이용되고 있는 Gap Parameter법 및 Volume Loss법을 이용하여 비개착 강관압입의 침하량을 산정하여 현장시험과 비교･분석을 통하여 적정성을 평가하였다.
따라서 본 연구에서는 비개착공법에 의한 지반거동 특성과 다양한 침하예측방법을 연구하고, 강관압입 시 침하량을 예측하여 이를 현장 시험과 비교･분석함으로써 침하예측방법에 대한 적정성을 평가하기 위한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 비개착 강관압입공법 시공 시 발생하는 지반침하량의 정밀한 예측을 위해 강관압입 시 지반거동 특성을 분석하여 거동특성에 맞는 예측방법을 연구하였으며, 침하 예측방법에 따라 현장시험과 비교･분석을 수행하여 적정성을 평가하였다.
가설 설정
단순 정량적 평가를 위하여 굴진면의 3차원 거동에 의한 침하 및 시공오차로 인해 발생된 침하 등은 제외하고 선단 보강 공극 차이만 발생하는 것으로 가정하여 목표값(Gap)은 12.0mm로 선정하였다.
제안 방법
(2) 현장시험은 고속국도 ○○호선 ○○○-○○7공구 상수관로 이설 추진구간으로 원활한 교통소통 및 인접구조물 안정성 확보를 위해 비개착 강관압입공법이 적용되었으며, 강관추진 및 굴착에 따른 주변지표침하 파악을 위해 지표침하계와 층별침하계가 설치되었다. 현장시험계측 결과는 강관에 가까운 심도일수록 침하량이 크고 지표에 가까울수록 침하가 빨리 수렴하는 것으로 나타났으며, 층별침하계의 계측 결과에 따라 강관 직상부의 지표침하는 2.
굴착 및 추진압입에 따른 주변 지표침하 및 심도별 침하량 파악을 위해 지표침하계와 층별침하계를 설치하였다. 계측은 일간 측정결과의 경시변화를 분석하여 안정성 유무를 파악하는 것으로 관리기준을 선정하였다.
0m로 강관압입을 위한 추진구 및 도달구 시공 후 추진장비를 이용, 직경 1,500mm 강관을 압입하여 본선 굴진･배토를 실시하고, 압입 완료 후에는 직경 300mm, 75mm 덕타일 주철관 삽입 및 강관 외관 내 몰탈 충진으로 시공이 이루어졌다. 굴착 및 추진압입에 따른 주변 지표침하 및 심도별 침하량 파악을 위해 지표침하계와 층별침하계를 설치하였다. 계측은 일간 측정결과의 경시변화를 분석하여 안정성 유무를 파악하는 것으로 관리기준을 선정하였다.
따라서 본 현장 강관추진 시험구간을 대상으로 기존 방법인 초기단계→강관압입→내부굴착의 시공단계를 고려하여 수치해석을 통한 지표침하를 예측하였다.
변위제어에 따른 천단침하 변화량을 분석하여 목표값(12.0mm)을 만족하는 변위제어율을 역해석으로 산정하였으며, 산정된 변위제어율로 수치해석을 수행하여 천단침하 발생 경향을 분석하였다(Fig. 13 참조).
6.4 현장시험 계측 결과 비교
비개착 강관압입공법을 적용한 현장 계측 결과를 바탕으로 기존 해석방법, Volume loss(경험식), Volume loss(해석), Gap Parameter(해석)에서 산정된 예측 침하량과 비교･분석하였다(Fig. 14 참조).
현장시험이 이루어진 곳은 고속국도○○호선 ○○○-○○7공구 상수관로 이설 추진구간으로 원활한 교통소통 및 인접 구조물 안정성 확보를 위해 비개착 강관압입공법이 적용되었다. 압입구간은 토피고 6.76m, 총 길이 40.0m로 강관압입을 위한 추진구 및 도달구 시공 후 추진장비를 이용, 직경 1,500mm 강관을 압입하여 본선 굴진･배토를 실시하고, 압입 완료 후에는 직경 300mm, 75mm 덕타일 주철관 삽입 및 강관 외관 내 몰탈 충진으로 시공이 이루어졌다. 굴착 및 추진압입에 따른 주변 지표침하 및 심도별 침하량 파악을 위해 지표침하계와 층별침하계를 설치하였다.
)을 매개변수로 해석을 수행하는 방법이다. 일반적으로 쉴드터널 검토 시 VL/V의 값은 1～3% 범위이며, 본 검토에서는 성토 지반이므로 VL/V=1%로 목표값을 설정하여 목표값을 만족하는 지표침하량 발생 경향을 검토하였다(Fig. 11 참조).
대상 데이터
Shield TBM 공법 침하예측 시 주로 사용되는 경험적 방법인 Volume Loss법을 이용하여 현장시험 구간의 최대침하량 및 침하형상을 예측하였다. 시험구간 상부는 기시공된 고속국도○○호선으로 양질의 토사에 다짐이 이루어졌을 것으로 판단되어 압밀 등으로 인한 침하영향은 무시하였다. 최대경사는 Peck(1969)이 제안한 도표(Fig.
현장시험이 이루어진 곳은 고속국도○○호선 ○○○-○○7공구 상수관로 이설 추진구간으로 원활한 교통소통 및 인접 구조물 안정성 확보를 위해 비개착 강관압입공법이 적용되었다. 압입구간은 토피고 6.
데이터처리
수치해석 프로그램은 MIDAS GTS NX를 이용하였으며, 측방경계는 5.0D 이상 충분히 이격시켜 해석을 수행하였다. 수치해석 시 적용된 지반정수는 Table 2와 같다.
이론/모형
Shield TBM 공법 침하예측 시 주로 사용되는 경험적 방법인 Volume Loss법을 이용하여 현장시험 구간의 최대침하량 및 침하형상을 예측하였다. 시험구간 상부는 기시공된 고속국도○○호선으로 양질의 토사에 다짐이 이루어졌을 것으로 판단되어 압밀 등으로 인한 침하영향은 무시하였다.
이는 저토피 Shield TBM 시공 시 발생되는 지반거동 특성과 유사한 형태로 나타난다. 따라서 Shield TBM에서 지표침하를 예측하기 위한 방법인 Volume loss method 및 Gap parameter method를 이용하여 강관압입공법의 지표침하를 예측하였다.
시험구간 상부는 기시공된 고속국도○○호선으로 양질의 토사에 다짐이 이루어졌을 것으로 판단되어 압밀 등으로 인한 침하영향은 무시하였다. 최대경사는 Peck(1969)이 제안한 도표(Fig. 9)로부터 산정하였다.
성능/효과
(1) 비개착 강관압입공법은 강관압입으로 발생되는 지반거동 특성은 터널 굴착과 같은 3차원 침하형태로 나타나며, 강관 선단과 강관의 공극 등으로 침하가 발생하는 것으로 분석된다. 이는 저토피 Shield TBM 시공 시 발생되는 지반거동 특성과 유사한 형태로 나타난다.
(3) 비개착 강관압입공법을 적용한 현장시험 구간의 지표침하 계측 결과를 바탕으로 기존 해석방법, Volume loss(경험식), Volume loss(해석), Gap parameter(해석)를 수행하여 지표침하 발생 경향을 비교한 결과 최대침하량은 Volume loss(경험식) 예측방법이 가장 근사치로 나타났으며, 침하 발생 경향은 수치해석을 통한 Volume loss(해석) 예측방법이 가장 유사하게 나타났다. 그러나 Volume loss 예측방법은 지반손실률 결정에 따라 침하량 예측이 상이하게 나타난다.
ME-1의 계측 결과를 측점별로 살펴보면 지표에 가까운 측점일수록 침하가 빨리 수렴되며 강관에 가까울수록 수렴이 늦는 것을 확인할 수 있으며, 압입이 완료된 후 전반적으로 침하가 수렴된 점을 미루어볼 때 비개착 강관압입공법시공 시 발생되는 침하는 강관압입 및 굴착단계에서 이루어짐을 알 수 있다.
8). 강관의 강한 강성은 연직변위로 인한 수평변위가 지반으로 밀어냄으로써 최종적으로 지표변위가 약 0.7mm 융기하는 것으로 나타나 현장시험의 계측 결과와 상이하게 나타났으며, 상부 지장물에 대해 불안전측 결과로 평가된다.
기존 일반적인 방법으로 지표침하를 예측한 결과, 강관 압입으로 약 0.07mm의 침하 발생 후 내부 굴착으로 융기가 발생하는 경향으로 나타났다(Fig. 8). 강관의 강한 강성은 연직변위로 인한 수평변위가 지반으로 밀어냄으로써 최종적으로 지표변위가 약 0.
0mm보다 더 큰 침하가 발생했을 것으로 추정된다. 따라서 본 현장시험 계측구간 중 계측 결과의 신뢰성이 가장 높은 것으로 보여지는 ME-1의 계측 결과로 천단침하량을 추정한 결과 약 2.11mm로 나타났다(Fig. 7).
지반손실률에 따른 지표침하 검토 결과, 강관압입 중앙 상단 지표에서 최대 약 1.7mm가 발생하는 것으로 나타나 현장시험의 계측 결과(2.1mm) 및 경험적 방법에 의한 Volume loss(2.1mm)보다 다소 미소하게 예측되었다
지표침하 검토 결과, 강관압입 중앙 상단 지표에서 최대 약 3.5mm가 발생하는 것으로 나타나 현장시험의 계측 결과(2.1mm)보다 다소 보수적으로 예측되었다.
지표침하계 계측 결과 ST-2, ST-5에서 지표침하량이 1.0mm로 계측되었으나 ME-1 계측 결과로 미루어 볼 때 강관 상부 지표면인 ST-3에서는 1.0mm보다 더 큰 침하가 발생했을 것으로 추정된다. 따라서 본 현장시험 계측구간 중 계측 결과의 신뢰성이 가장 높은 것으로 보여지는 ME-1의 계측 결과로 천단침하량을 추정한 결과 약 2.
지표침하계 계측 결과, 강관압입 시점으로부터 약 11.5m 지점에 위치한 ST-2, ST-5에서 침하량이 1mm로 나타났으나, 그 외 침하계에서는 침하량이 검측되지 않아 신뢰할 수 없는 계측 결과로 판단된다.
최종 침하량이 현장 계측 결과(2.1mm)와 가장 근사치로 나타난 예측방법은 Volume loss(경험식) 예측방법이 2.1mm로 나타났으며, 전반적인 지표침하 발생 경향이 유사한 방법은 Volume loss(해석) 예측방법인 것으로 나타났다. 그러나 Volume loss 방법은 지반손실률을 결정에 따라 예측결과가 상이하게 나타남으로 추후 다양한 지반조건 및 손실률 결정에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
층별침하계 ME-1 계측 결과 설치심도에 따라 최종침하량이 증가하는 양상을 보이며, 이는 강관압입 시 강관 주변 지반의 교란으로 인해 지표면보다 강관 주변의 침하량이 더 크게 나타난 것으로 판단된다.
층별침하계 계측 결과, ME-1에서 설치심도 1.950m, 3.460m, 5.340m에서 최종침하량 -2.0cm, -4.0cm, -6.0cm로 각각 나타났으며 ME-2에서는 침하량이 계측되지 않았다.
(2) 현장시험은 고속국도 ○○호선 ○○○-○○7공구 상수관로 이설 추진구간으로 원활한 교통소통 및 인접구조물 안정성 확보를 위해 비개착 강관압입공법이 적용되었으며, 강관추진 및 굴착에 따른 주변지표침하 파악을 위해 지표침하계와 층별침하계가 설치되었다. 현장시험계측 결과는 강관에 가까운 심도일수록 침하량이 크고 지표에 가까울수록 침하가 빨리 수렴하는 것으로 나타났으며, 층별침하계의 계측 결과에 따라 강관 직상부의 지표침하는 2.1mm가 발생한 것으로 추정됐다.
후속연구
(4) 따라서 본 연구는 비개착 강관압입 공법의 침하예측을 위한 기초 연구로 Gap parameter 및 Volume loss 예측방법을 적용하기 위한 Factor 결정 또는 별도의 예측식 연구와 비개착 강관압입공법 전체 구조물의 침하를 예측하기 위한 적용성 평가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
1mm로 나타났으며, 전반적인 지표침하 발생 경향이 유사한 방법은 Volume loss(해석) 예측방법인 것으로 나타났다. 그러나 Volume loss 방법은 지반손실률을 결정에 따라 예측결과가 상이하게 나타남으로 추후 다양한 지반조건 및 손실률 결정에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비개착공법은 무엇인가?
비개착공법은 압입장비 혹은 견인장비를 이용하여 강관을 압입한 후 강관 내부를 굴착하여 상부 구조물을 지지하는 공법이다. 또한 시공 시 현장상황에 따라 강관 내･외부를 그라우팅하거나, 필요 시 철근 또는 모르타르 등으로 보강하여 대상 하부의 지하구조물을 시공하는 공법을 포괄적으로 정의한다. 비개착공법은 과밀화된 교통난 및 지하 매설물의 장애로 인하여 개착공사 적용이 곤란한 지역이나 굴진면 자립이 곤란한 불량한 지반에 적용된다.
불가피하게 기존 도로나 철도 등을 통과하는 구조물 계획 시, 종래의 개착식 공법을 적용하는 것의 문제는?
최근 급격한 도시화로 인한 신도시, 택지개발 등의 증가로 기존 시설물(고속도로, 철도, 지하철 등)을 필연적으로 교차해야 하는 구조물 계획이 증가하고 있다. 이러한 구조물 계획은 불가피하게 기존 도로나 철도 등을 통과할 경우 종래의 개착식 공법 적용 시 기존 구조물의 불안정을 가져올 수 있으며, 원지반에 대한 손상 및 되메우기 공사 시 구조물 손상, 교통흐름 장애로 인한 민원 등의 다양한 문제가 발생된다.
Shield TBM 시공 시 발생하는 침하 원인은 무엇인가?
① 쉴드 전면 압력감소에 따른 지반거동
② 쉴드 이동 시 헤드(Head)의 과굴착 등에 의한 지반거동
③ 테일보이드의 영향 : 테일스킨과 라이닝사이의 틈새(Gap)의 존재는 지반의 터널 중심을 향한 지반거동 야기
④ 지반하중 작용으로 일어나는 라이닝 변형으로 인한 지반변형
⑤ 점토지반에서 굴진에 따른 간극수압이 평형을 이루어가는 과정에서 발생하는 장기변형
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