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문제 정의
- 파이프루프를 이용한 공법은 다양하게 개발되고 있으므로 수치해석 및 실내실험을 통해 다양한 조건에서 매개변수 연구를 먼저 수행하여 데이터베이스를 갖추고 일반적인 경향분석을 통해 기준을 세우는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 비개착 공법의 하나인 파이프루프 공법 적용에 따른 토피 상부의 파이프 루프 강성에 의한 영향을 토압 및 변위 관점에서 수치해석적으로 분석하고 지보재로써 활용 가능성을 평가하였다.
가설 설정
- a단계는 원지반을 구성하는 단계로 초기응력 상태를 정의하였다. b~d단계에는 파이프루프를 형성하고 파이프 주변을 그라우팅하여 일체화하는 단계로 파이프루프는 상부, 좌측, 우측을 순서로 순차적인 시공을 가정하였으며, 각각의 위치에서 파이프가 만들어지면 주변지반도 그라우팅하여 하나의 구조물로 거동하도록 모사하였다. e~i단계에는 본격적인 지반 굴착과 구조물을 시공하는 단계로 구성된다.
- 그림 5a는 파이프루프 공법을 적용하지 않고 비개착 굴착시 발생하는 변위 양상을 터널상부 단면 횡방향 위치에 따라 시공단계별로 도시한 결과이다. 굴착 시 추가적인 지보재 없이 토피의 점착력과 마찰력만으로 변위를 억제하는 조건이며, 이와 같은 다소 극단적인 조건은 파이프루프 적용효과와 비교분석하기 위해 가정하였다. 그림에서 알 수 있듯이 5단계의 굴착이 모두 이루어진 시점에서 터널 상부 중심 변위는 약 12 cm에 달하며, 이는 터널굴착과정에서 지표면에 상당한 변위가 발생하여 문제가 발생할 것임을 짐작할 수 있다.
제안 방법
- 1) 파이프루프 공법을 고려한 수치해석을 수행하였다. 해석결과, 파이프루프 적용에 따른 터널 상부 지반에서의 상당한 변위 감소를 관찰하였으며, 변위감소로 인한 응력변화도 감소하는 것을 확인하였다.
- 2) 터널 단면 형상이 터널 상부 지반 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 박스형 단면과 아치형 단면을 고려하였으며, 아치형 단면의 경우 단면의 구조적 형상의 영향으로 변위 제어 및 하중지지 효과가 박스형 단면에 비해 큰 것으로 나타났다.
- Kulhawy1974)는 경계조건이 터널해석에 영향을 미치지 않는 해석범위는 터널직경의 3배 이상 떨어져야 한다고 하였으며, 터널 표준시방서에는 터널직경의 2배를 제시하였다. 따라서 본 연구에서는 해석범위를 터널 직경의 4배로 보수적으로 설정하였으며, 해석영역 경계조건은 좌, 우측 및 하부는 롤러조건을 양단 모서리는 힌지조건을 적용하였다. 해석에 이용된 지반 물성치는 표 1과 같다.
- 파이프루프 적용이 터널굴착 시 주변지반의 거동특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 파이프루프 적용유무에 따른 해석 결과를 비교분석하였다. 또한 터널단면 형상에 따른 지반의 거동 특성 분석을 위해 박스형과 아치형의 두가지 단면형상을 고려하여 해석을 수행하였다.
- 종방향 위치에 따라 굴착 단계가 진행되면서 종방향으로 발생하는 응력 변화를 그림 15와 같이 나타내었다. 수직응력은 횡단면상 B 지점에서 종방향 1m, 5m, 9m 위치에 대해 굴착 단계에 따라 분석하였다. 그림에서와 같이 1m 지점에서는 초기상태에서 약 4tf/m2의 수직응력을 보였으며, 1차 굴착과 함께 굴착 단계가 진행될수록 응력이 감소하는 것으로 나타났다.
- 터널굴착 과정에서 파이프루프 적용이 지반의 응력 및 변위 등 지반공학적 거동 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 3차원 유한요소법을 이용하여 해석을 수행하였다. 수치해석 결과는 파이프루프 적용유무에 따른 지반 거동, 터널단면형상에 따른 파이프루프의 지보효과, 시공단계에 따른 지반 거동의 변화 등을 분석하였다.
- 파이프루프 공법 적용에 따른 지보효과를 평가하기 위해 3차원 유한요소 해석을 수행하였다. 수치해석은 시공단계를 고려하였으며, 터널 굴착에 따른 변위 및 응력 변화를 파이프루프 적용 유무, 터널 단면 형상을 고려하여 분석하였다. 궁극적으로 본 연구에서 도출된 결론은 다음과 같다.
- 수치해석을 이용한 단면 형상에 따른 영향을 터널 상부(B지점 깊이)에서 발생하는 변위 관점에서 분석하였다. 일반적으로 도로 및 철도 하부에 시공되는 지하차도는 박스형 단면이 주로 적용되나 응력 분산 및 지지 관점에서 아치형 단면이 더 효율적일 수 있으므로 파이프루프의 적용과 터널 단면 형상과의 관계를 통해 그 효과를 확인하였다.
- 수치해석을 이용한 단면 형상에 따른 영향을 터널 상부(B지점 깊이)에서 발생하는 변위 관점에서 분석하였다. 일반적으로 도로 및 철도 하부에 시공되는 지하차도는 박스형 단면이 주로 적용되나 응력 분산 및 지지 관점에서 아치형 단면이 더 효율적일 수 있으므로 파이프루프의 적용과 터널 단면 형상과의 관계를 통해 그 효과를 확인하였다. 그림 10은 터널 단면 형상에 따른 터널상부 단면에서 변위를 굴착 단계에 따라 도시한 것이다.
- 그림 7은 지표면에서부터 터널상부 토피에서 발생하는 수직 방향 변위를 분석한 것이다. 터널 상부 토피고는 5m이며 0.5m 간격으로 응력을 기록하였다. 결과로부터 굴착초기(1차 굴착) 변위는 파이프루프를 적용한 경우에 더 크게 발생하였는데 이는 파이프 시공시 초래되는 지반의 물성변화 즉, 토사에서 강관 및 콘크리트 물성으로 변환되며 이때 발생하는 상대강성차이에 의한 영향으로 판단된다.
- e~i단계에는 본격적인 지반 굴착과 구조물을 시공하는 단계로 구성된다. 파이프 루프가 설치된 후 지반굴착을 수행하며, 굴진 길이는 한 번에 2 m씩 총 5단계에 걸쳐 굴착이 이루어지며, 굴착 후 터널 단면은 파이프루프를 지보재 또는 라이닝으로 간주하여 바닥부분에만 콘크리트 구조물을 추가 설치하고 주변지반의 거동을 분석하였다.
- 파이프루프 공법 적용에 따른 지보효과를 평가하기 위해 3차원 유한요소 해석을 수행하였다. 수치해석은 시공단계를 고려하였으며, 터널 굴착에 따른 변위 및 응력 변화를 파이프루프 적용 유무, 터널 단면 형상을 고려하여 분석하였다.
- 파이프루프 적용이 터널굴착 시 주변지반의 거동특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 파이프루프 적용유무에 따른 해석 결과를 비교분석하였다. 또한 터널단면 형상에 따른 지반의 거동 특성 분석을 위해 박스형과 아치형의 두가지 단면형상을 고려하여 해석을 수행하였다.
- 파이프루프의 아칭현상 및 터널 단면에 따른 영향을 분석하기 위해 터널 상부(B지점 깊이)에 작용하는 수직응력을 검토하였다. 그림 12는 각 단면에 대한 수직응력 분포를 굴착단계별로 나타낸 것으로 박스형 단면의 경우 터널 굴착이 진행됨에 따라 터널 상부 특히, 중심부에서는 수직응력이 감소하고 터널 양 옆으로 응력이 전이되어 양끝단의 수직응력이 증가하는 양상을 뚜렷하게 보여주고 있다.
- 해석 결과는 터널 굴착 단계에 따라 초기상태, 1차 굴착, 3차 굴착, 5차 굴착 진행에 따라 터널 굴착방향으로 0m 지점, 횡단면상의 그림 3의 B지점에서 실시하였다.
데이터처리
- 파이프루프 강성 및 지보효과를 수치해석적으로 분석하기 위해 3차원 유한요소해석 프로그램인 MIDAS/GTS를 이용하였다. 유한요소법은 정적 및 동적 평형방정식과 연속방정식을 선정하고 3차원 연속체 공간을 유한요소로 나누어 요소에 대한 강성행렬에 의해 구해진 변위벡터를 적합 방정식 및 구성 방정식에 적용하여 응력-변형률 근사해를 구하는 수치해석기법이다(그림 1).
이론/모형
- 터널굴착 과정에서 파이프루프 적용이 지반의 응력 및 변위 등 지반공학적 거동 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 3차원 유한요소법을 이용하여 해석을 수행하였다. 수치해석 결과는 파이프루프 적용유무에 따른 지반 거동, 터널단면형상에 따른 파이프루프의 지보효과, 시공단계에 따른 지반 거동의 변화 등을 분석하였다.
성능/효과
- 그림 8a는 파이프루프 공법을 적용하지 않은 경우에 대한 터널단면 상부 횡방향 수직응력 분포 결과를 나타낸 것이다. 굴착이 진행되면서 터널중심 상부의 수직응력은 감소한 반면, 터널 양끝에서는 수직응력이 다소 증가하는 경향을 보였다. 이는 지반의 응력 재분배현상으로 미미한 아칭(arching) 효과로 볼 수 있으나 토피고가 매우 낮기 때문에 그 효과가 크지 않을 것으로 판단된다.
- 해석결과, 파이프루프 적용에 따른 터널 상부 지반에서의 상당한 변위 감소를 관찰하였으며, 변위감소로 인한 응력변화도 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 추가적인 지보재 없이도 상부 토피에 의한 하중을 지지하여 지표면 침하가 10배 정도 감소하는 것으로 나타났다.
- 터널 상부 1m 지점에서 발생하는 응력 재분배에 의한 응력감소는 박스형 단면의 경우 약 60 %, 아치형 단면에서 약 30 % 정도로 나타났다. 또한 박스형 단면의 경우 아칭현상이 터널 상부 4m 지점까지 넓게 나타난 것에 반해 아치형 단면에서는 터널상부로부터 약 2m 높이에 대해서 발생한 것으로 나타나 아치형 단면의 하중지지 및 변위제어가 더 효과적인 것으로 판단된다.
- 2) 터널 단면 형상이 터널 상부 지반 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 박스형 단면과 아치형 단면을 고려하였으며, 아치형 단면의 경우 단면의 구조적 형상의 영향으로 변위 제어 및 하중지지 효과가 박스형 단면에 비해 큰 것으로 나타났다. 즉, 아치형 단면에서 지반 변위가 박스형 단면에 비해 2배정도 적게 발생하였으며, 응력변화도 크지 않은 것으로 나타났다.
- 그림 4는 터널 굴착에 따른 주변 지반의 변위분포를 나타낸 것이다. 수치해석에 적용된 조건은 토피고가 약 5m 정도로 매우 얕은 횡단 구조물로 터널단면 상부 토피 전체에 걸쳐 변위가 발생하는 것으로 나타났다. 이때 지반에서 최대 변위는 터널 단면 상부 중심에서 발생하였으며, 이러한 경향은 신은철 등(2006)의 연구결과와 일치하였다.
- 그림 11은 박스형 단면과 아치형 단면에서 최종 굴착이 완료된 후 B지점에서 발생한 변위를 비교한 것으로 박스형 터널의 단면 중심부에서 약 13mm의 최대변위가 발생한 반면 아치형 터널 단면 중심부에서는 약 5mm로 박스형 단면에 비해 변위가 적게 발생하는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 아치형 단면이 박스형 단면 형상에 비해 하중지지 및 변위제어에 더 효과적임을 보여준다.
- 그림 6은 파이프루프 공법적용 유무에 따라 5단계 굴착이 완료된 후 터널상부에서 발생하는 변위 양상을 별도로 비교한 것이다. 이로부터 파이프루프를 적용하면 파이프루프를 적용하지 않은 경우에 비해 약 10배 정도 변위가 감소하였으며, 파이프루프에 의한 지지효과가 매우 큰 것을 확인하였다.
- 박스형 단면과 아치형 단면을 고려하였으며, 아치형 단면의 경우 단면의 구조적 형상의 영향으로 변위 제어 및 하중지지 효과가 박스형 단면에 비해 큰 것으로 나타났다. 즉, 아치형 단면에서 지반 변위가 박스형 단면에 비해 2배정도 적게 발생하였으며, 응력변화도 크지 않은 것으로 나타났다.
- 그림 14는 터널 상부 중심부에서 수직응력을 수직방향 위치에 따라 도시한 것이다. 터널 상부 1m 지점에서 발생하는 응력 재분배에 의한 응력감소는 박스형 단면의 경우 약 60 %, 아치형 단면에서 약 30 % 정도로 나타났다. 또한 박스형 단면의 경우 아칭현상이 터널 상부 4m 지점까지 넓게 나타난 것에 반해 아치형 단면에서는 터널상부로부터 약 2m 높이에 대해서 발생한 것으로 나타나 아치형 단면의 하중지지 및 변위제어가 더 효과적인 것으로 판단된다.
- 그림 5b는 파이프루프 공법이 적용된 경우의 해석 결과이다. 터널굴착이 진행됨에 따라 터널상부 변위가 증가하였으며, 5단계 굴착이 모두 완료된 후 발생한 변위는 약 1.2cm인 것으로 확인되었다. 터널 상부 양 끝단에서는 양의 변위가 발생하였다.
- 즉, 전 시공단계에서 파이프루프를 그러나 굴착이 진행되면서 발생하는 변위는 파이프루프 적용 유무에 따라 큰 차이를 보였다. 특히, 파이프루프를 적용한 경우 파이프루프의 강성효과에 의해 터널 상부에 가까울수록 변위가 다소 작아지는 경향을 보인 반면, 파이프루프 시공이 이루어지지 않은 경우는 터널면에 가까워질수록 변위가 증가하면서 터널상부 및 지표면에서도 상당한 침하가 예상되었다.
- 그림 8b는 파이프루프를 적용한 경우 굴착단계에 따른 횡방향 수직응력 분포 결과이다. 파이프루프를 적용할 경우 굴착단계가 증가할수록 터널 중심 상부에서 수직응력이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 앞서 확인한 파이프루프를 적용하지 않은 경우의 결과와 상반되는 결과이다.
- 파이프루프 중앙 상부에서는 압축력이 작용하며, 하부에는 인장력이 발생하는 것을 알 수 있다. 파이프루프에 발생하는 응력은 굴착단계가 진행될수록 증가하는 경향을 보였다. 그림 9b는 파이프루프에 발생하는 변위분포이다.
- 1) 파이프루프 공법을 고려한 수치해석을 수행하였다. 해석결과, 파이프루프 적용에 따른 터널 상부 지반에서의 상당한 변위 감소를 관찰하였으며, 변위감소로 인한 응력변화도 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 추가적인 지보재 없이도 상부 토피에 의한 하중을 지지하여 지표면 침하가 10배 정도 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 3. 본 연구 결과만으로 파이프루프의 지보재로서 효용성을 평가하는 것은 무리가 있으나 향후 추가적인 해석·실험 및 현장데이터를 보완한다면 파이프루프를 영구 지보재로서 이용하여 상부하중의 일부를 부담시킬 수 있을 것으로 판단되며, 터널 설계에 파이프루프의 지보효과를 반영할 경우 상당한 경제적 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
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