본 연구에서는 필러 폭과 모형재료의 강도가 서로 다른 등방성 및 이방성 암반 내 쌍굴터널의 모형실험을 통해 얻어진 터널의 변형과 필러부 균열이 발생한 이축압력 자료를 이용하여 터널 간 이격거리, 지반 강도, 등방성 및 이방성이 터널 안정성에 미치는 영향을 알아보았다. 모형재료의 일축압축강도에 대한 균열개시압력의 백분율을 균열개시압력비율이라고 정의할 경우, 강도가 큰 지반에 시공되는 쌍굴터널은 강도가 작은 지반에 비하여 균열개시압력 값은 크지만, 균열개시압력비율은 작게 나타났다. 이에 비해 필러 폭이 큰 쌍굴터널은 필러 폭이 작은 경우에 비하여 균열개시압력 값이 클 뿐 아니라 균열개시압력비율도 크게 나타나, 필러 폭은 쌍굴터널 안정성에 영향을 미치는 주된 요소로 판단된다. 지반의 등방성과 이방성 여부도 터널 안정성에 영향을 미쳤는데, 이방성 모형은 등방성 모형에 비해 균열개시압력과 균열개시압력비율이 작을 뿐 아니라 필러부에 존재한 기존 불연속면을 따라 균열이 발생하였다.
본 연구에서는 필러 폭과 모형재료의 강도가 서로 다른 등방성 및 이방성 암반 내 쌍굴터널의 모형실험을 통해 얻어진 터널의 변형과 필러부 균열이 발생한 이축압력 자료를 이용하여 터널 간 이격거리, 지반 강도, 등방성 및 이방성이 터널 안정성에 미치는 영향을 알아보았다. 모형재료의 일축압축강도에 대한 균열개시압력의 백분율을 균열개시압력비율이라고 정의할 경우, 강도가 큰 지반에 시공되는 쌍굴터널은 강도가 작은 지반에 비하여 균열개시압력 값은 크지만, 균열개시압력비율은 작게 나타났다. 이에 비해 필러 폭이 큰 쌍굴터널은 필러 폭이 작은 경우에 비하여 균열개시압력 값이 클 뿐 아니라 균열개시압력비율도 크게 나타나, 필러 폭은 쌍굴터널 안정성에 영향을 미치는 주된 요소로 판단된다. 지반의 등방성과 이방성 여부도 터널 안정성에 영향을 미쳤는데, 이방성 모형은 등방성 모형에 비해 균열개시압력과 균열개시압력비율이 작을 뿐 아니라 필러부에 존재한 기존 불연속면을 따라 균열이 발생하였다.
Scaled model tests were performed to investigate the influence of pillar width, rock strength and isotropy/anisotropy on the stability of twin tunnels. Test models had respectively different pillar widths, uniaxial compressive strengths of modelling materials and model types, where both the deformat...
Scaled model tests were performed to investigate the influence of pillar width, rock strength and isotropy/anisotropy on the stability of twin tunnels. Test models had respectively different pillar widths, uniaxial compressive strengths of modelling materials and model types, where both the deformation behaviors around tunnels and the biaxial pressure data at a time of pillar cracking were analysed. The cracking pressures of the higher strength models were higher than the lower strength models, whereas the percentage of cracking pressure to uniaxial compressive strength of modelling materials showed an opposite tendency. The cracking pressures of the shallower pillar width models were lower than the thicker models, moreover the percentage of that showed a same tendency. It has been found that the pillar width was one of the main factors influencing on the stability of twin tunnels. Model types such as isotropy/anisotropy also influenced on the stability of twin tunnels. The anisotropic models showed lower values of both cracking pressures and the percentage of that than the isotropic models, where the pillar cracks of anisotropic models were generated with regard to the pre-existing joint planes.
Scaled model tests were performed to investigate the influence of pillar width, rock strength and isotropy/anisotropy on the stability of twin tunnels. Test models had respectively different pillar widths, uniaxial compressive strengths of modelling materials and model types, where both the deformation behaviors around tunnels and the biaxial pressure data at a time of pillar cracking were analysed. The cracking pressures of the higher strength models were higher than the lower strength models, whereas the percentage of cracking pressure to uniaxial compressive strength of modelling materials showed an opposite tendency. The cracking pressures of the shallower pillar width models were lower than the thicker models, moreover the percentage of that showed a same tendency. It has been found that the pillar width was one of the main factors influencing on the stability of twin tunnels. Model types such as isotropy/anisotropy also influenced on the stability of twin tunnels. The anisotropic models showed lower values of both cracking pressures and the percentage of that than the isotropic models, where the pillar cracks of anisotropic models were generated with regard to the pre-existing joint planes.
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문제 정의
본 연구에서 분석한 5가지 그룹 중에서 A, B, C그룹은 등방성 모형이고 D, E그룹은 이방성 모형이다. Fig. 9에서 언급한 바와 같이 이방성 지반에서도 필러 폭이 클수록 필러부의 균열개시압력은 크게 나타났지만, 이 절에서는 균열개시압력 값이 아니라 균열개시압력비율에 대해 알아보았다.
본 연구에서는 5가지 그룹, 19가지 쌍굴터널 모형에서 필러부 균열이 발생한 압력수준을 분석하여 필러 폭, 모형재료의 강도, 등방성과 이방성이 터널 안정성에 미치는 영향을 알아보았다. 이로부터 얻어진 주요 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 쌍굴터널의 안정성을 조사하기 위하여 축소모형실험을 실시하였다. 본 실험에 사용된 실험장치는 Fig.
본 연구에서는 필러 폭과 모형재료의 강도가 서로 다른 등방성 및 이방성 암반 내 쌍굴터널의 모형실험 연구사례(Kim and Park, 2004, Kim, 2011, Kim, 2012, Kim and Kim, 2012)에서 터널 주변지반의 변형과 필러부 균열이 발생한 이축압력 자료를 총괄적으로 분석함으로써, 터널 간 이격거리, 지반 강도, 등방성 및 이방성이 터널 안정성에 미치는 영향을 알아보았다. Table 2는 모형실험 연구사례들을 5가지 그룹으로 나눈 것으로, 각 그룹별 모형터널의 규격, 터널 모양, 필러 폭이 0.
본 연구에서는 필러 폭과 모형재료의 강도가 서로 다른 등방성 및 이방성 암반 내 쌍굴터널의 모형실험을 통해 얻어진 터널의 변형과 필러부 균열이 발생한 이축 압력 자료를 이용하여 터널 간 이격거리, 지반 강도, 등방성 및 이방성이 터널 안정성에 미치는 영향을 알아보았다. 이를 위해 쌍굴터널 관련 모형실험 연구사례들을 5가지 그룹으로 나누고, 총 19가지 모형실험 결과를 정량적으로 분석하였다.
전술한 바와 같이 필러 폭이 클수록 필러부의 균열개시압력은 크게 나타났지만, 이 절에서는 균열개시압력 값이 아니라 균열개시압력비율에 대해 알아보았다.
제안 방법
5D일 때 모형시험체의 모양, 시험 필러 폭의 종류, 하중조건 등을 나타낸 것이다. A, B, C, D, E그룹에 속한 실험모형의 개수는 각각 6, 3, 4, 3, 3개로서 본 연구에서는 총 19가지 모형실험 결과를 분석하였다.
④ 터널에 작용하는 지압을 모사하기 위해 모형시험체에 이축압축력을 증가시키면서 균열의 발생 여부를 관찰하며 사진촬영을 통해 터널 주변의 거동을 조사한다.
등방성 및 이방성 모형시험체를 각각 만들어 시험하였는데, 시험체의 규격은 모두 480×480×76 mm이다. 등방성 시험체는 모래, 석고, 물의 혼합물을 소정의 거푸집에 넣은 후 탈형하고 건조하는 단순한 제작과정을 거치지만, 이방성 시험체는 일정한 두께를 가진 슬랩(slab)들을 먼저 제작한 후 이를 재단하여 적층체 형태로 만들어 제작하였다. 여기서 슬랩간의 틈새는 암반의 불연속면을 모사한다.
본 연구에서 분석한 등방성 터널모형은 Table 2의 A, B, C그룹으로서, 이들은 터널 모양, 필러 폭, 하중조건, 모형재료의 강도 등이 서로 다른 총 13가지 모형이다. Table 3은 그룹별, 모형별 균열개시압력을 나타낸 것으로, 그룹별 쌍굴터널의 단면적과 모형재료의 강도를 함께 표시하였다.
이를 위해 쌍굴터널 관련 모형실험 연구사례들을 5가지 그룹으로 나누고, 총 19가지 모형실험 결과를 정량적으로 분석하였다. 여기서 인용된 연구사례들은 저자에 의해 기발표된 것이지만, 본 논문은 기발표되지 않은 세부적인 실험 자료를 다수 포함하며, 모형터널의 파괴거동과 균열개시압력 자료를 이용하여 터널 안정성에 초점을 맞춘 분석을 실시하였다. 이 연구의 결과는 쌍굴터널 간 적정한 이격거리를 결정하는 기초 자료로 활용될 것으로 기대한다.
다음으로, 해석적인 방법은 암반의 파괴조건에 따라 필러부 암반의 안정성을 수치해석적으로 평가하는 방법이다. 여기서는 Mohr-Coulomb 파괴조건이 주로 사용되며, 필러부에 작용하는 주응력을 이용하여 파괴조건에 근거한 강도/응력비(strength/sress ratio)를 구함으로써 해당 암반조건에서의 필러 안정성을 조사한다. 즉, 필러의 소성파괴는 Fig.
본 연구에서는 필러 폭과 모형재료의 강도가 서로 다른 등방성 및 이방성 암반 내 쌍굴터널의 모형실험을 통해 얻어진 터널의 변형과 필러부 균열이 발생한 이축 압력 자료를 이용하여 터널 간 이격거리, 지반 강도, 등방성 및 이방성이 터널 안정성에 미치는 영향을 알아보았다. 이를 위해 쌍굴터널 관련 모형실험 연구사례들을 5가지 그룹으로 나누고, 총 19가지 모형실험 결과를 정량적으로 분석하였다. 여기서 인용된 연구사례들은 저자에 의해 기발표된 것이지만, 본 논문은 기발표되지 않은 세부적인 실험 자료를 다수 포함하며, 모형터널의 파괴거동과 균열개시압력 자료를 이용하여 터널 안정성에 초점을 맞춘 분석을 실시하였다.
대상 데이터
등방성 및 이방성 모형시험체를 각각 만들어 시험하였는데, 시험체의 규격은 모두 480×480×76 mm이다.
본 연구에서는 쌍굴터널의 안정성을 조사하기 위하여 축소모형실험을 실시하였다. 본 실험에 사용된 실험장치는 Fig. 5와 같은 유압식 이축압축장치로서 25톤 용량의 램 4개와 압력조절용 핸드펌프로 2개로 구성된다. 모형실험의 방법과 순서는 다음과 같다.
본 연구에서는 특정한 중량배합비를 가진 모래, 석고, 물의 혼합물을 모형재료로 사용하였다. 이는 중량배합비와 건조기간에 따라 다양한 강도를 나타내는 성질이 있으므로 모형실험의 재료로 널리 사용된다.
이방성 터널 모형시험체는 Table 1의 하부 그림과 같이 제작하여 실험하였으며, 실험결과의 분석대상은 Table 2에 나타낸 D, E그룹의 6가지 모형이다. D그룹은 지층 경사 15°, 두께 25 mm인 암반모형에 5152 mm2 단면적의 쌍굴터널을 굴착하는 경우이고, E그룹은 지층경사 30°, 두께 30 mm인 암반모형에 4484 mm2 단면적의 쌍굴터널을 굴착하는 경우이다.
성능/효과
1. 쌍굴터널의 변형은 터널 내공방향으로 주로 발생하고, 필러에 균열이 생겨 파괴된 후에는 터널 변형이 대폭 발생하였다.
2. 모든 모형에서 필러 폭과 모형재료의 강도가 클수록 균열개시압력은 크게 나타났으며, 필러 폭과 지반 강도는 쌍굴터널의 안정성에 영향을 미치는 주된 요소임을 알 수 있었다.
3. 모형재료의 일축압축강도에 대한 균열개시압력의 백분율을 균열개시압력비율이라고 정의할 경우, 강도가 큰 지반에 시공되는 쌍굴터널은 강도가 작은 지반에 비하여 균열개시압력 값은 크지만, 균열개시압력비율은 작게 나타났다.
4. 필러 폭이 큰 쌍굴터널은 필러 폭이 작은 경우에 비하여 균열개시압력 값이 클 뿐 아니라 균열개시압력 비율도 크게 나타나, 필러 폭은 쌍굴터널 안정성에 가장 큰 영향을 미치는 요소로 생각된다.
5. 지반의 등방성과 이방성 여부도 쌍굴터널 안정성에 영향을 미쳤는데, 이방성 모형은 등방성 모형에 비해 균열개시압력과 균열개시압력비율이 작을 뿐 아니라 필러부에 존재한 기존 불연속면을 따라 균열이 발생하므로, 이방성이 현저한 암반에서 쌍굴터널을 시공할 경우에는 특별한 주의가 요구된다,
국내에서도 쌍굴터널에 대한 모형실험 연구사례가 몇차례 보고된 바 있다. 각 연구사례에서 쌍굴터널이 위치한 지반은 등방성 암반(Kim and Park, 2004, Ahn et al., 2008, Kim, 2011)과 이방성 암반(Kim et al., 2008, Lee and Lee, 2010, Kim, 2012, Kim and Kim, 2012)으로 모사되었으며, 모든 경우에서 있어서 터널 간 이격거리가 작아질수록 터널 안정성은 낮아짐을 보여주었다.
9는 히스토그램으로 표시한 것이다. 등방성 모형과 마찬가지로 필러 폭이 클수록 균열 개시압력은 크게 나타났으며, 모형재료의 강도가 상대적으로 큰 D그룹이 E그룹보다 균열개시압력이 다소 컸다. 그러나 D, E그룹은 지질구조, 터널단면적, 지보조건, 하중조건 등이 서로 다르기 때문에 더 이상의 정량적인 비교를 하기에는 다소 무리가 있으며, 이에 대해서도 추가적인 실험연구가 요구된다.
3과 같이 H가 1D보다 작은 경우는 음영 표시된 이완대의 전하중이 필러부에 작용하는 것으로 보며, 필러부에서 생기는 평균응력은 식 (1), (2)와 같이 계산된다. 또한, Peck의 방법과 마찬가지로 필러부에서 생기는 평균응력이 필러부 암반의 강도보다 작으면 필러는 안정성을 확보한 것으로 취급한다.
모든 모형에서 필러 폭이 클수록 균열개시압력은 크게 나타나 터널 안정성은 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 당초 각 모형재료의 강도는 A, B, C그룹의 순서대로 컸는데, 균열개시압력도 대체로 이 순서대로 크게 나타나 터널 주변암반의 강도가 클수록 터널 안정성은 증가함을 알 수 있다.
7은 Table 3의 그룹별, 모형별 균열개시압력을 히스토그램으로 나타낸 것이다. 모든 모형에서 필러 폭이 클수록 균열개시압력은 크게 나타나 터널 안정성은 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 당초 각 모형재료의 강도는 A, B, C그룹의 순서대로 컸는데, 균열개시압력도 대체로 이 순서대로 크게 나타나 터널 주변암반의 강도가 클수록 터널 안정성은 증가함을 알 수 있다.
본 연구에서 분석한 5가지 그룹 중에서 A, B, C그룹은 등방성 모형이고 D, E그룹은 이방성 모형이다. Fig.
서로 다른 일축압축강도를 가진 모형재료로 제작된 등방성 및 이방성 모형에 대해 이축압력을 가할 때, 필러 폭과 모형재료의 강도가 클수록 균열개시압력은 증가함을 알 수 있었다. 한편, 필러부에서는 횡방향의 구속응력이 발생하므로 균열개시압력은 모형재료의 일축 압축강도보다는 작기 마련이다.
13과 같이 C그룹 아래에 표시되었다. 즉, 이방성 모형의 균열개시압력비율은 등방성 모형에 비해 작게 나타났다.
후속연구
등방성 모형과 마찬가지로 필러 폭이 클수록 균열 개시압력은 크게 나타났으며, 모형재료의 강도가 상대적으로 큰 D그룹이 E그룹보다 균열개시압력이 다소 컸다. 그러나 D, E그룹은 지질구조, 터널단면적, 지보조건, 하중조건 등이 서로 다르기 때문에 더 이상의 정량적인 비교를 하기에는 다소 무리가 있으며, 이에 대해서도 추가적인 실험연구가 요구된다.
따라서 터널단면적이 작을수록 균열개시압력은 커지는 경향이 있어 이 경우 터널 안정성은 증가하는 것으로 생각된다. 단, B, C그룹은 하중 조건이 서로 다르기 때문에 더 이상의 정량적인 비교를 하기에는 다소 무리가 있으며, 이에 대해서는 추가적인 실험연구가 요구된다.
여기서 인용된 연구사례들은 저자에 의해 기발표된 것이지만, 본 논문은 기발표되지 않은 세부적인 실험 자료를 다수 포함하며, 모형터널의 파괴거동과 균열개시압력 자료를 이용하여 터널 안정성에 초점을 맞춘 분석을 실시하였다. 이 연구의 결과는 쌍굴터널 간 적정한 이격거리를 결정하는 기초 자료로 활용될 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 터널 안정성에 미치는 영향을 파악하기 위한 방법은?
본 연구에서는 필러 폭과 모형재료의 강도가 서로 다른 등방성 및 이방성 암반 내 쌍굴터널의 모형실험을 통해 얻어진 터널의 변형과 필러부 균열이 발생한 이축 압력 자료를 이용하여 터널 간 이격거리, 지반 강도, 등방성 및 이방성이 터널 안정성에 미치는 영향을 알아보았다. 이를 위해 쌍굴터널 관련 모형실험 연구사례들을 5가지 그룹으로 나누고, 총 19가지 모형실험 결과를 정량적으로 분석하였다. 여기서 인용된 연구사례들은 저자에 의해 기발표된 것이지만, 본 논문은 기발표되지 않은 세부적인 실험 자료를 다수 포함하며, 모형터널의 파괴거동과 균열개시압력 자료를 이용하여 터널 안정성에 초점을 맞춘 분석을 실시하였다.
국내의 교통터널은 어떤 형태인가?
국내의 교통터널은 대부분 상행 및 하행 터널이 나란히 배열되는 쌍굴터널의 형태로 시공되는데, 쌍굴터널은 양쪽 터널 간에 역학적인 상호간섭이 발생하기 때문에 터널 안정성을 확보하기 위해서는 적정한 이격거리가 필요하다. 쌍굴터널 간 이격거리 또는 필러 폭(pillar width)은 지반의 조건이나 시공법에 따라 달라지는데, 이를 결정하기 위해서는 경험적인 방법(Peck, 1969, Matsuda et al.
강도가 큰 지반에 시공되는 쌍굴터널은 어떤 실험 결과를 보여주는가?
본 연구에서는 필러 폭과 모형재료의 강도가 서로 다른 등방성 및 이방성 암반 내 쌍굴터널의 모형실험을 통해 얻어진 터널의 변형과 필러부 균열이 발생한 이축압력 자료를 이용하여 터널 간 이격거리, 지반 강도, 등방성 및 이방성이 터널 안정성에 미치는 영향을 알아보았다. 모형재료의 일축압축강도에 대한 균열개시압력의 백분율을 균열개시압력비율이라고 정의할 경우, 강도가 큰 지반에 시공되는 쌍굴터널은 강도가 작은 지반에 비하여 균열개시압력 값은 크지만, 균열개시압력비율은 작게 나타났다. 이에 비해 필러 폭이 큰 쌍굴터널은 필러 폭이 작은 경우에 비하여 균열개시압력 값이 클 뿐 아니라 균열개시압력비율도 크게 나타나, 필러 폭은 쌍굴터널 안정성에 영향을 미치는 주된 요소로 판단된다.
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