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문제 정의
- 본 논문에서는 차별풍화가 진행된 화강암 지반을 통과하는 슬러리 TBM 굴진 중 지표침하 거동 분석과 체적손실 산정에 대한 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 OO 지역 지하철 공구의 슬러리 TBM 터널 구간 중, 충적토-풍화토-풍화암 지역을 통과하는 300 m 연장에 대한 지반 침하 분석을 수행하였다. 해당 구간은 Fig.
- 본 연구에서는 차별풍화가 진행된 화강암 지반을 통과하는 슬러리 TBM 굴진 중 발생하는 지표침하의 거동 분석 및 체적손실 산정을 수행하였다. 횡방향 지표침하 계측 배열을 이용하여 굴진 중 체적손실 및 트라프 폭을 역산정하였으며, 천단 상부 지표 계측 결과로부터 굴진 단계별 침하 발생 경향을 분석하였다.
제안 방법
- 2. 횡방향 침하 계측 결과로부터 역산정한 총 체적손실과 굴진 데이터를 이용하여 Loganathan (2011)의 모델로 예측된 체적손실을 비교하였다. 비교 결과, 역산정 결과가 모델이 예측한 범위 내에 분포하고 있는 것으로 나타났다.
- 계측 오차 영향을 배제하고자 성장곡선(logistic curve)을 이용하여 계측된 침하 데이터에 대한 곡선 맞춤을 수행하였으며, 곡선 맞춤으로부터 얻어진 최종 침하량과 굴진 단계별 침하량은 Fig. 10과 같다. 분석 결과, 전체 침하량 대비 막장면 침하, 쉴드침하, 그리고 후방침하는 각각 평균 6.
- 횡방향 지표침하 계측 배열을 이용하여 굴진 중 체적손실 및 트라프 폭을 역산정하였으며, 천단 상부 지표 계측 결과로부터 굴진 단계별 침하 발생 경향을 분석하였다. 또한, Loganathan (2011)이 제안한 체적손실 산정 모델을 이용하여 지반 특성과 굴진 중 측정된 기계데이터가 반영된 굴진 단계별 체적손실을 산정하였으며, 이를 이용하여 실제 계측 결과 분석 및 합리적 체적손실 산정을 위한 방안에 관한 논의를 수행하였다.
- 본 연구에서는 횡방향 지표침하계측 배열로부터 측정된 지표침하에 대한 가우스 곡선 맞춤(Gaussian curve fitting)을 수행하여 총 체적손실 VL과 트라프 폭 i를 추정하였다. 한편, 쉴드 TBM의 굴진 단계별 체적손실 산정과 관련하여, 막장면, 쉴드 본체 통과, 테일부 뒤채움 단계별(Fig.
- 3의 터널 노선에 대하여 14개의 횡방향 계측 배열(Ar01～ Ar14)을 설치하였고, 터널 천단 직상부의 지표침하 계측을 위하여 Ar01～Ar12의 천단측점 이외에도 천단측점 11개소(Cr1～Cr11)에서 계측을 수행하였다. 지표침하 계측은 굴진 전후 10일 기간에 대하여 일 2회 수동 방식으로 수행되었다.
- 본 연구에서는 차별풍화가 진행된 화강암 지반을 통과하는 슬러리 TBM 굴진 중 발생하는 지표침하의 거동 분석 및 체적손실 산정을 수행하였다. 횡방향 지표침하 계측 배열을 이용하여 굴진 중 체적손실 및 트라프 폭을 역산정하였으며, 천단 상부 지표 계측 결과로부터 굴진 단계별 침하 발생 경향을 분석하였다. 또한, Loganathan (2011)이 제안한 체적손실 산정 모델을 이용하여 지반 특성과 굴진 중 측정된 기계데이터가 반영된 굴진 단계별 체적손실을 산정하였으며, 이를 이용하여 실제 계측 결과 분석 및 합리적 체적손실 산정을 위한 방안에 관한 논의를 수행하였다.
- 횡방향 침하 계측 결과로부터 역산정한 총 체적손실과 Loganathan (2011)의 체적손실 산정 모델에 굴진 데이터를 적용하여 예측된 체적손실을 비교하였다. Loganathan (2011)의 모델을 적용한 예측시, 뒤채움 재 압축율을 기존 문헌의 상한값(10%)와 하한값(3%)으로 적용하였으며, 계측값과의 비교 결과는 Fig.
- 횡방향 침하 계측 결과에 대한 가우스 곡선 맞춤을 수행하였으며, 이로부터 산정된 최대 침하, 체적손실 VL 및 트라프 폭 i는 Fig. 11과 같다.
대상 데이터
- 6은 지표침하 계측 위치를 나타낸 것이다. Fig. 3의 터널 노선에 대하여 14개의 횡방향 계측 배열(Ar01～ Ar14)을 설치하였고, 터널 천단 직상부의 지표침하 계측을 위하여 Ar01～Ar12의 천단측점 이외에도 천단측점 11개소(Cr1～Cr11)에서 계측을 수행하였다. 지표침하 계측은 굴진 전후 10일 기간에 대하여 일 2회 수동 방식으로 수행되었다.
데이터처리
- , 2009; Jones, 2010). 많은 연구에서 굴진 단계별로 막장면-쉴드-테 일부 침하의 순차적 발생이 확인되었으며 기존 문헌에서 제안된 트라프 폭 범위와 계측값 간 비교 분석이 수행되었다. 또한, 굴진 단계별 체적손실과 막장압, 뒤채움압, 뒤채움 주입체적 등의 TBM 기계데이터와의 상관성 분석에 대한 연구 또한 수행되었다(Fagnoli et al.
이론/모형
- 횡방향 침하 계측 결과로부터 역산정한 총 체적손실과 Loganathan (2011)의 체적손실 산정 모델에 굴진 데이터를 적용하여 예측된 체적손실을 비교하였다. Loganathan (2011)의 모델을 적용한 예측시, 뒤채움 재 압축율을 기존 문헌의 상한값(10%)와 하한값(3%)으로 적용하였으며, 계측값과의 비교 결과는 Fig. 12와 같다. 일부 구간을 제외하고, 역산정 결과가 예측 범위 내에 분포하고 있는 것으로 나타났으며, 뒤채움 압력이 크게 적용된 초기 구간(Ch.
- 본 논문에서는 Loganathan (2011)이 제안한 체적손실 산정 모델을 적용하여, 쉴드 TBM의 운전조건에 따른 체적손실을 산정하였다.
성능/효과
- 쉴드손실 비교 결과(Fig. 13(a)), 대부분의 실제 쉴드손실은 예측값 이내로 나타났으며, 일부 구간(Ch.700-750)에서 상대적으로 작은 쉴드손실이 발생한 것을 제외하고는 유사한 범위에 분포하였다. 특히, 약 100 kPa 수준으로 막장면 슬러리 압력이 저하된 Ch.
- 1. 터널 굴진 이후 수렴된 횡방향 침하 계측 결과는 가우스 분포 곡선 형태와 부합하였으며, 지표침하 트라프로부터 산정된 체적손실 VL 및 변곡점까지의 거리 i는 기존에 문헌에서 보고된 범위와 유사한 것으로 확인되었다. 본 논문에서 다룬 슬러리 TBM의 굴진 단계별 침하 발생 비율은 선행침하, 쉴드침하, 그리고 테일부 침하 각각 평균 6.
- 3. 본 사례연구에서는 쉴드 TBM 굴진 중 실제 체적손실 발생량은 예측을 통해 얻어진 막장･쉴드･테일부 손실 예측값의 단순합과는 차이를 나타냈다. 이에 대하여 본 연구에서는각 요인별 체적손실을 산정한 후, 현장 계측 결과 분석과 비교하여 체적손실 인자별 보정 계수를 적용하여 선형적인 합을 구하는 방안을 제안하였으며 본 사례연구의 경우 막장･쉴드･테일부 보정계수는 각각 0, 0.
- Fig. 5는 굴착 중 기계데이터를 나타낸 것으로, 막장압(face pressure)의 경우 막장안정성 검토에서 산정된 목표압력(target pressure)과 일치하도록 터널의 토피고와 비례하여 증가되는 것으로 운용되었으나, 뒤채움압력(backfill pressure)의 경우 낮은 토피고(< 2D) 구간에서의 과도한 침하 발생을 억제하기 위하여 계측 구간 내 최대 토피고 지점(Ch.875)에 해당하는 400 kPa크기로 전 구간에서 유지되었으며, 초기 구간의 경우 목표압력 대비 최대 160% 수준까지 적용되었다.
- 13(b)와 같다. 계측값이 예측 범위 이내로 분포하는 것으로 나타났으며, 일부 계측 결과를 제외하고는 대부분 상･하한 예측값의 중간 정도의 범위에 분포하는 것을 확인할 수 있다. 실제 굴진 중 지반 및 주입 조건 등의 불확실성이 뒤채움재의 압축율에 미치는 영향을 고려시, 본 분석 결과는 문헌(Ingles, 1972; Lagerblad et al.
- Bezuijen and Bakker (2007)은 실험적 연구를 통하여 슬러리 TBM의 경우 EPB TBM과 달리 슬러리 유체가 굴착 주면과 쉴드 본체 사이의 공극에 유입되어 쉴드 주변 지반을 지지함을 확인하였다. 또한, 뒤채움 그라우팅이 굴진과 동시에 수행될 경우, 테일부 손실은 테일 보이드의 크기뿐만 아니라 뒤채움 재료의 압축거동 및 그라우팅 압력의 소산에 의해 발생함을 확인하였다. Ingles (1972)와 Lagerblad et al.
- 첫째로, 막장면 도달 이전 시간대에서는 대부분 지반 융기(+값)가 발생하였고, 막장면 도달 일자에서 다소 침하가 발생하였다. 막장면 통과 이후 쉴드 본체가 통과하는 1～2일 이내의 기간 동안 급격한 침하 증가가 나타났으며, 그 이후로 뒤채움재의 주입 및 양생 기간에 해당하는 10여일 이상 기간동안 완만하게 침하가 증가하였음을 알 수 있다. 이는 Fig.
- 터널 굴진 이후 수렴된 횡방향 침하 계측 결과는 가우스 분포 곡선 형태와 부합하였으며, 지표침하 트라프로부터 산정된 체적손실 VL 및 변곡점까지의 거리 i는 기존에 문헌에서 보고된 범위와 유사한 것으로 확인되었다. 본 논문에서 다룬 슬러리 TBM의 굴진 단계별 침하 발생 비율은 선행침하, 쉴드침하, 그리고 테일부 침하 각각 평균 6.2%, 30.2%, 63.6%로 나타났으며, 이는 슬러리 TBM의 경우 쉴드부 통과 및 뒤채움 그라우팅의 거동이 침하 발생의 주요소임을 의미한다.
- 10과 같다. 분석 결과, 전체 침하량 대비 막장면 침하, 쉴드침하, 그리고 후방침하는 각각 평균 6.2%, 30.2%, 63.6%로 나타났으며, 이는 슬러리 TBM의 경우 막장 가압에 의해 막장면 침하가 미미한 반면에 쉴드부 통과 및 뒤채움 그라우팅 주입 이후의 거동이 지표침하의 주원인임을 의미하는 것으로 판단된다.
- 횡방향 침하 계측 결과로부터 역산정한 총 체적손실과 굴진 데이터를 이용하여 Loganathan (2011)의 모델로 예측된 체적손실을 비교하였다. 비교 결과, 역산정 결과가 모델이 예측한 범위 내에 분포하고 있는 것으로 나타났다. 역산정된 쉴드손실 값은 굴진데이터로부터 예측된 값 이내로 나타났으며, 테일부 손실의 경우 Loganathan(2011)의 예측모델에서 고려된 그라우트 수축율 10%는 실제 발생 값의 상한에 해당하는 것으로 나타났으며, 문헌에서 보고된 수축율 하한값(3%)은 역산정된 테일부 손실의 하한에 해당하는 것으로 파악되었다.
- 14는 체적손실 예측값 대비 실제 쉴드/테일부 손실 값의 비를 나타낸 것이다. 쉴드손실의 경우 장비 유휴 영향으로 인한 체적손실이 큰 구간을 제외할 시 예측값의 1.3배 이내로 평균적으로 예측값의 0.9배(표준편차 0.38)로 분석되었으며, 테일부 손실의 경우 그라우트 재료의 압축율 상한(10%)을 가정한 예측값 대비 평균적으로 0.62배(표준편차 0.27)로 나타났다. 이러한 결과는 쉴드 TBM 굴진 중 실제 발생하는 체적손실은 막장･쉴드･테일부 손실 예측값의 단순 합과는 차이가 있음을 의미하며, 이는 연속적인 굴진 과정 중 각 인자 별 체적손실이 예측시 가정한 조건과 다른 조건에서 발생하였거나, 독립적으로 발생하는 것이 아닌 상호 영향을 미치며 발생하였기 때문으로 이해될 수 있다.
- 계측값이 예측 범위 이내로 분포하는 것으로 나타났으며, 일부 계측 결과를 제외하고는 대부분 상･하한 예측값의 중간 정도의 범위에 분포하는 것을 확인할 수 있다. 실제 굴진 중 지반 및 주입 조건 등의 불확실성이 뒤채움재의 압축율에 미치는 영향을 고려시, 본 분석 결과는 문헌(Ingles, 1972; Lagerblad et al., 2013)에서 언급된 압축율 범위가 실제 굴진 중 테일부 손실 거동을 합리적으로 예측할 수 있는 것으로 판단된다.
- 본 사례연구에서는 쉴드 TBM 굴진 중 실제 체적손실 발생량은 예측을 통해 얻어진 막장･쉴드･테일부 손실 예측값의 단순합과는 차이를 나타냈다. 이에 대하여 본 연구에서는각 요인별 체적손실을 산정한 후, 현장 계측 결과 분석과 비교하여 체적손실 인자별 보정 계수를 적용하여 선형적인 합을 구하는 방안을 제안하였으며 본 사례연구의 경우 막장･쉴드･테일부 보정계수는 각각 0, 0.9, 0.62로 나타났다.이와 같은 경험적인 접근은 단선 병렬 터널과 같이 동일 구간 내 반복적인 시공이 이루어질 경우 선시공되는 터널에 대한 분석으로, 후 시공 터널의 지표침하 및 굴진 관리 정확도를 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
- 12와 같다. 일부 구간을 제외하고, 역산정 결과가 예측 범위 내에 분포하고 있는 것으로 나타났으며, 뒤채움 압력이 크게 적용된 초기 구간(Ch.600～750) 에서는 뒤채움재 압축률 하한에 해당하는 예측값에 가까운 체적손실이, 이후에는 뒤채움재 압축률 상한에 가까운 체적손실이 발생하였음을 확인할 수 있다.
- 침하 크기에는 차이가 있으나, 공통적으로 3단계로 지표침하가 발생하고 있음을 보여주고 있다. 첫째로, 막장면 도달 이전 시간대에서는 대부분 지반 융기(+값)가 발생하였고, 막장면 도달 일자에서 다소 침하가 발생하였다. 막장면 통과 이후 쉴드 본체가 통과하는 1～2일 이내의 기간 동안 급격한 침하 증가가 나타났으며, 그 이후로 뒤채움재의 주입 및 양생 기간에 해당하는 10여일 이상 기간동안 완만하게 침하가 증가하였음을 알 수 있다.
- 7과 같다. 최대 침하는 터널 중심축 상부에서 5～13 mm 크기로 발생하였고, 중심축에서 횡방향 거리가 증가함에 따라 점진적으로 감소하는 가우스 분포 곡선의 형태를 확인할 수 있다.
- 11과 같다. 터널 굴진에 따른 체적손실은 0.24%～0.63%(평균 0.43%)로 나타났고, 터널 심도에 대한 트라프 폭의 비(i/H)는 0.35～0.67범위로 분포하였으며 평균은 0.52로 분석되었다. 기존 문헌(Forth and Thorley, 1995)에 따르면 대상 지역의 붕적토 및 CDG지반에서의 쉴드 굴진 시 체적손실은 0.
후속연구
- 27로 산정될 수 있다. 유사 지반･터널 조건에 대한 굴진데이터 및 지표침하 계측 결과가 축적될 경우, 보정 계수의 정확도가 향상될 수 있을 것으로 사료되며, 동일 구간 내 단선 병렬 터널시 선시공되는 터널에 대한 분석으로 후시공 터널의 지표침하 및 굴진 관리 정확도를 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 62로 나타났다.이와 같은 경험적인 접근은 단선 병렬 터널과 같이 동일 구간 내 반복적인 시공이 이루어질 경우 선시공되는 터널에 대한 분석으로, 후 시공 터널의 지표침하 및 굴진 관리 정확도를 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
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