[논문]이론해와 수치해석적 검토를 통한 쉴드TBM 막장압 산정 결과 상호비교

전기찬; 김동현

doi:10.9711/ktaj.2016.18.3.273

이론해와 수치해석적 검토를 통한 쉴드TBM 막장압 산정 결과 상호비교
A Intercomparison on the estimating shield TBM tunnel face pressure through analytical and numerical analysis 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.18 no.3, 2016년, pp.273 - 282

전기찬 (대한건설이엔지 기술연구소) , 김동현 (대한건설이엔지 기술연구소)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 기존에 제안된 8가지의 이론식과 3차원 수치해석으로 막장압을 산정하여 비교 검토하였다. 일반적으로 국내 쉴드TBM의 막장압 산정은 이론식과 경험에 따른 방법으로 검토되고 있는 실정이나 복잡한 지층조건, 특수한 지반조건을 통과하는 구간에 대해서는 수치해석을 병행하고 있다. 따라서 이론식으로 산정된 막장압과 수치해석 프로그램에서 산정되는 막장압의 상관관계를 확인하여 막장압의 신뢰성 있는 검토방법을 찾고자 하였다. 막장압 산정시 이론식과 수치해석 모두 사질토와 점성토 지반조건에서 동일하게 검토하였으며, 이론식은 기존에 제안된 식을 사용하였고 수치해석은 쉴드터널의 시공과정을 모사한 3차원 해석을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study estimates tunnel face pressure through existing 8 analytical equations and 3D numerical analysis, and compares and examines it. In general, the estimating tunnel face pressure of domestic shield TBM has been examined by a method according to analytical equation and empirical method, but numerical analysis is combined in a section passing complicated stratigraphic condition and special soil condition. Therefore, the researcher is to find a reliable method to examine of tunnel face pressure by confirming a correlation between tunnel face pressure estimated by equation and tunnel face pressure estimated by numerical analysis program. When tunnel face pressure is estimated, both analytical equation and numerical analysis were identically examined in soil conditions such as sandy soil and cohesive soil. In addition, existing analytical equation is used as equation, and 3D analysis copying construction process and shield tunnel as numerical analysis.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 쉴드TBM 시공시 막장면 안정성 검토를 위한 예비 막장압 산정방법을 검토하였다. 설계시 일반적으로 많이 적용하고 있는 이론식으로 산정한 막장압과 수치해석을 통한 막장압을 상호 비교하여 보다 신뢰성 있는 산정 방법을 찾고자 한다.
본 논문에서는 쉴드TBM의 예비 막장압 산정방법을 비교 검토해 보았다. 기존 8가지의 이론식들과 3차원 수치해석 결과를 상호비교하여 보다 신뢰성 있는 대응 막장압 산정방법을 찾고자 하였으며 그 결과는 다음과 같다.
따라서 본 연구에서는 쉴드TBM 시공시 막장면 안정성 검토를 위한 예비 막장압 산정방법을 검토하였다. 설계시 일반적으로 많이 적용하고 있는 이론식으로 산정한 막장압과 수치해석을 통한 막장압을 상호 비교하여 보다 신뢰성 있는 산정 방법을 찾고자 한다.
수치해석은 굴착시 막장면에 작용되는 압력을 이론적 방법보다 다양한 조건을 포함하여 상세하게 검토할 수 있어, 본 연구에서는 막장압 산정의 또 다른 방법으로의 이용가능성을 살펴보고자 하였다. 이에 따라 종방향 아칭효과를 고려할 수 있는 3차원 해석을 수행하였고, 굴착면 안정성에 영향을 미치는 요소들을 고려하여 해석을 진행하였다.
현재 국내에서는 막장압 산정에 관하여 통일된 지침이나 가이드라인이 제시되어 있지 않으며 대부분 해외사례와 이론식에 의한 방법으로 막장압이 검토되고 있다. 이에 따라 본 장에서는 수치해석으로 막장압을 산정하여 편차가 발생하는 이론막장압을 보완하여 효율적인 예비 막장압을 산정하고자 한다.

제안 방법

를 제안하였다. 균질한 지반에서만 적용가능하고 3차원 토압계수 K_A3를 통한 막장압을 제안하였다(Fig. 6).
본 논문에서는 쉴드TBM의 예비 막장압 산정방법을 비교 검토해 보았다. 기존 8가지의 이론식들과 3차원 수치해석 결과를 상호비교하여 보다 신뢰성 있는 대응 막장압 산정방법을 찾고자 하였으며 그 결과는 다음과 같다.
12와 같이 적용하였다 (B). 막장면에 작용하는 압력 산정시 지반경계조건(A) 의 영향을 최소화하기 위하여 12 m굴착(8 Ring)까지 굴진한 위치에서 1.5 m(1 ring) 굴착했을 때 막장면에 작용하는 반력을 확인하였다.
일반적으로 설계단계에서 예비 막장압을 산정하기 위하여 이론적 산정방법을 우선적으로 수행하게 된다. 본 연구에서 사용할 이론식도 앞서언급한 선행자료 중 설계 및 시공 현장에 널리 적용되고 있는 이론식 8가지를 선정하여 이론해를 산정하였다.
그러나 이러한 2차원 횡단면해석은 뒤채움압, 라이닝에 대한 지반응력-변형경향의 검토가 가능하나 막장압을 고려할 수 없고, 종방향 아칭효과 또한 고려할 수 없으므로 본 연구에는 적합하지 않다. 비교 검토할 이론식들도 대부분 3차원모델이며 아칭효과와 같은 현장조건이 고려된 막장압을 산정하기 위해서 3차원 모델로 수치해석을 수행하였다(Fig. 11).
실내실험과 터널 및 흙막이 굴착의 붕괴 사례를 분석하여 안정율 N > 6 경우가 불안정조건이라 제안하였고 불안정조건일 경우의 막장지지압을 산정하였다(Fig. 3).
250)로 수행하였다. 실제 쉴드 TBM 터널의 시공방법은 막장면 전방 의 굴착과 동시에 후방에서는 세그먼트 설치 및 그라우트 뒷채움을 진행하는 연속공정이나, 수치해석으로 이 과정을 구현화하기에는 한계가 있으므로 세그먼트 간격(1.5 m) 을 굴착 1step으로 하여 시공단계를 다음과 같이 적용하였다(Fig. 13)
이론해산정을 위한 적용지반은 균질한 점성토와 사질토 지반을 사용하였다. 지하수위는 지표수위 조건이다(Fig.
수치해석은 굴착시 막장면에 작용되는 압력을 이론적 방법보다 다양한 조건을 포함하여 상세하게 검토할 수 있어, 본 연구에서는 막장압 산정의 또 다른 방법으로의 이용가능성을 살펴보고자 하였다. 이에 따라 종방향 아칭효과를 고려할 수 있는 3차원 해석을 수행하였고, 굴착면 안정성에 영향을 미치는 요소들을 고려하여 해석을 진행하였다.
지반은 이론해 산정과 동일한 조건인 점성토와 사질토으로 수행하였으며(Table 4) 지하수위 또한 동일하게 지표수위로 수행하였다(Fig. 10).
)은 Rankine의 주동토압으로 산정하거나, Terzaghi (1943)의 이완토압에 Rankine의 주동토압 계수를 적용하여 산정한다. 최대 막장압(s_max)은 정지토압을 적용하는 것으로 제안하였으며 조건에 따라 지하수위도 포함한다.
4). 특히 쉴드TBM 터널의 안정성과 관련이 있는 것은 p = 0인 경우이며 원통형과 구형의 응력장(stress field)으로 두 가지 해를 유도하였다.

이론/모형

해석 프로그램은 국내지반분야에서 널리 사용되고 있는 MIDAS NX (Ver.250)로 수행하였다. 실제 쉴드 TBM 터널의 시공방법은 막장면 전방 의 굴착과 동시에 후방에서는 세그먼트 설치 및 그라우트 뒷채움을 진행하는 연속공정이나, 수치해석으로 이 과정을 구현화하기에는 한계가 있으므로 세그먼트 간격(1.

성능/효과

1. 지반조건별 이론해 산정 결과, 점성토 지반이 사질토 지반보다 결과 편차가 더 크게 발생하였다. 이러한 결과는 내부마찰각(Φ)의 영향이 큰 것으로 나타났다.
2. 사질토 지반에서는 이론해가 수치해석보다 모두 크게 산정되었다. 이론식과 수치해석간에 입력되는 다양한 조건차이가 산정에 영향을 미친 것으로 보이며, 그 중에서도 두 지반간의 내부마찰각(Φ)의 영향이 파괴면 및 범위산정에 영향을 미침에 따라 막장압 산정결과가 다르게 발생한 것으로 보인다.
3. 이론해와 수치해석으로 산정한 막장압을 상호 비교한 결과, 이론해는 14%에서 150%정도의 편차가 다양하게 나타남에 따라 대응 막장압을 선정하고 판단하는데 수치해석 결과의 활용이 유용할 것으로 판단된다.
이론 막장압 산정시 영향을 크게 미치는 것은 여러 요소 중 점착력 (c)과 내부마찰각(Φ)이 가장 큰 것으로 나타났다.

후속연구

)을 이용한 변위제어방법(2차원해석)을 사용한다. 그러나 이러한 2차원 횡단면해석은 뒤채움압, 라이닝에 대한 지반응력-변형경향의 검토가 가능하나 막장압을 고려할 수 없고, 종방향 아칭효과 또한 고려할 수 없으므로 본 연구에는 적합하지 않다. 비교 검토할 이론식들도 대부분 3차원모델이며 아칭효과와 같은 현장조건이 고려된 막장압을 산정하기 위해서 3차원 모델로 수치해석을 수행하였다(Fig.
다만, 쉴드TBM 공법은 국내 설계 및 시공사례가 많지 않고, 수치해석의 지반 및 시공조건 모델화 방법이 매우 다양하다. 또한 구조물의 경계조건 적용방법도 정립되어 있지 않아 국내현황에 맞는 해석 가이드라인이 필요할 것으로 판단된다. 향후, 본 연구결과를 토대로 이론적 방법뿐만 아니라 시공계측 데이터와도 비교 검토하여 막장면 안정성을 검토하기 위한 적정 막장압 산정 가이드라인 연구를 진행할 계획이다.
수치해석 검토 결과, 비교 그래프에서 보듯이 수치 해석을 통한 막장압 산정은 편차가 크게 발생하는 이론해들 중에서 대응 막장압을 선정하고 판단하는데 활용이 가능할 것으로 사료된다. 특히, 지반강도(탄성 계수, E)가 비교적 양호한 지반에서는 과다하게 산정되는 이론식보다 아칭효과가 고려되거나 파괴면을 상세하게 고려한 이론식으로 막장압을 산정할 수 있을 것으로 보인다.
또한 구조물의 경계조건 적용방법도 정립되어 있지 않아 국내현황에 맞는 해석 가이드라인이 필요할 것으로 판단된다. 향후, 본 연구결과를 토대로 이론적 방법뿐만 아니라 시공계측 데이터와도 비교 검토하여 막장면 안정성을 검토하기 위한 적정 막장압 산정 가이드라인 연구를 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	쉴드TBM 공법은 어떤 조건에서 사용하기 유리한가?	최근 전세계적으로 복잡한 교통난제 해결 및 기반 산업시설의 지하화에 따른 도심지 지하공간 개발이 증가하고 있다. 이에 따라 저토피 굴착이나 하저 및 해저 터널의 연약지반과 같은 특수한 조건에서 시공되는 사례가 많으며, 이러한 조건에 유리한 쉴드TBM 공법의 적용이 증가하고 있다. 쉴드TBM 공법은 굴착과 동시에 후방에서 바로 세그먼트를 조립하고 그라우트를 시공하는 연속공정으로 일반 발파터널보다 공기를 단축시킬 수 있으며, 굴진시 막장압과 뒷채움압 제어를 통하여 굴착면 안정성을 선확보한 상태에서 작업한다는 장점이 있다.
	쉴드TBM 공법의 장점은?	이에 따라 저토피 굴착이나 하저 및 해저 터널의 연약지반과 같은 특수한 조건에서 시공되는 사례가 많으며, 이러한 조건에 유리한 쉴드TBM 공법의 적용이 증가하고 있다. 쉴드TBM 공법은 굴착과 동시에 후방에서 바로 세그먼트를 조립하고 그라우트를 시공하는 연속공정으로 일반 발파터널보다 공기를 단축시킬 수 있으며, 굴진시 막장압과 뒷채움압 제어를 통하여 굴착면 안정성을 선확보한 상태에서 작업한다는 장점이 있다.
	쉴드TBM의 예비 막장압 산정 중 사질토 지반에서는 이론해가 수치해석 값보다 크게 나온 이유는?	사질토 지반에서는 이론해가 수치해석보다 모두 크게 산정되었다. 이론식과 수치해석간에 입력되는 다양한 조건차이가 산정에 영향을 미친 것으로 보이며, 그 중에서도 두 지반간의 내부마찰각(Φ)의 영향이 파괴면 및 범위산정에 영향을 미침에 따라 막장압 산정결과가 다르게 발생한 것으로 보인다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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