서호성
(The Board of Audit and Inspection of Korea, Graduate School of Railway Seoul National University of Science & Technology)
,
조국환
(Dept. of Railway Construction Engineering, Graduate School of Railway, Seoul National University of Science & Technology)
최근 철도주변의 개발이 확산되고 있는 가운데 비개착공법을 이용하여 철도노반하부를 횡단하는 구조물을 시공하는 경우가 불가피하게 증가하고 있다. 그러나 기존선 하부를 횡단하는 구조물을 시공하는 경우 구조물 주변의 지반응력이완에 대하여 설계 시 검토는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 비개착공법 시공 시 구조물 주변지반의 응력이완에 대하여 실내토조실험을 통하여 지반의 응력이완 범위를 규명하였고, 지중경사계를 이용한 현장계측을 통하여 지반의 수평변위를 계측하였으며, 수치해석을 통하여 응력이완영역 및 선로지지강성을 분석하였다. 실내토조실험 결과 Rankine의 수평토압 영역과 유사한 파괴면이 생성되었으며, 지중경사계를 이용한 현장계측 결과, 강관의 압입 시기를 기준으로 급격하게 변위가 발생하였으며, 또한 수치해석 결과 해석된 수평토압이 Rankine의 수평토압에 가깝게 나타났으며, 비개착 구조물 주변 지반의 수직응력이 약 40% 감소함에 따라 노반지지강성이 크게 저하됨을 알 수 있었다. 이는 열차의 주행안정성 영향을 미쳐 탈선의 위험이 증가하므로 향후 기존선 하부를 통과하는 지하구조물 시공 시 구조물 주변의 보강이 반드시 필요할 것으로 판단된다.
최근 철도주변의 개발이 확산되고 있는 가운데 비개착공법을 이용하여 철도노반하부를 횡단하는 구조물을 시공하는 경우가 불가피하게 증가하고 있다. 그러나 기존선 하부를 횡단하는 구조물을 시공하는 경우 구조물 주변의 지반응력이완에 대하여 설계 시 검토는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 비개착공법 시공 시 구조물 주변지반의 응력이완에 대하여 실내토조실험을 통하여 지반의 응력이완 범위를 규명하였고, 지중경사계를 이용한 현장계측을 통하여 지반의 수평변위를 계측하였으며, 수치해석을 통하여 응력이완영역 및 선로지지강성을 분석하였다. 실내토조실험 결과 Rankine의 수평토압 영역과 유사한 파괴면이 생성되었으며, 지중경사계를 이용한 현장계측 결과, 강관의 압입 시기를 기준으로 급격하게 변위가 발생하였으며, 또한 수치해석 결과 해석된 수평토압이 Rankine의 수평토압에 가깝게 나타났으며, 비개착 구조물 주변 지반의 수직응력이 약 40% 감소함에 따라 노반지지강성이 크게 저하됨을 알 수 있었다. 이는 열차의 주행안정성 영향을 미쳐 탈선의 위험이 증가하므로 향후 기존선 하부를 통과하는 지하구조물 시공 시 구조물 주변의 보강이 반드시 필요할 것으로 판단된다.
For the development of areas around railway lines, subsurface construction using the non-open cut method under the railway has recently been increased. However, when a structure under a railway is constructed, the stress release of the ground is not considered an important factor in the design. In t...
For the development of areas around railway lines, subsurface construction using the non-open cut method under the railway has recently been increased. However, when a structure under a railway is constructed, the stress release of the ground is not considered an important factor in the design. In this study, laboratory tests were conducted to determine a zone of stress relaxation. Field tests using an inclinometer were performed to measure the horizontal displacement of the ground during non-open cut construction. The stress release zone and the subgrade stiffness were investigated by numerical analysis. The results of the laboratory tests indicated that the failure zone in the ground was similar to a Rankine's active earth pressure zone. The measured data from the inclinometer in the field tests showed that displacements started when a steel pipe was pushed into the ground. The results of numerical analysis show that lateral earth pressure was also close to Rankine's active earth pressure. The roadbed support stiffness of the soil around the structure decreased to 40% of the original value. The ground around the subsurface structure constructed using nonopen cut methods should be reinforced to maintain the running stability of train.
For the development of areas around railway lines, subsurface construction using the non-open cut method under the railway has recently been increased. However, when a structure under a railway is constructed, the stress release of the ground is not considered an important factor in the design. In this study, laboratory tests were conducted to determine a zone of stress relaxation. Field tests using an inclinometer were performed to measure the horizontal displacement of the ground during non-open cut construction. The stress release zone and the subgrade stiffness were investigated by numerical analysis. The results of the laboratory tests indicated that the failure zone in the ground was similar to a Rankine's active earth pressure zone. The measured data from the inclinometer in the field tests showed that displacements started when a steel pipe was pushed into the ground. The results of numerical analysis show that lateral earth pressure was also close to Rankine's active earth pressure. The roadbed support stiffness of the soil around the structure decreased to 40% of the original value. The ground around the subsurface structure constructed using nonopen cut methods should be reinforced to maintain the running stability of train.
이에 본 연구에서는 실내토조실험에 적용하여 실제 구조물 시공 시 이완영역과 보강범위에 대해 규명하였다. 비개착공법을 이용하여 지하구조물 시공 시 지반의 이완 및 변위를 현장에서 계측하였고, 이를 바탕으로 수치해석을 통하여 응력이완 영역을 분석하였다.
제안 방법
기존선 하부에 지하구조물 시공 시 주변 지반에 미치는 영향을 파악하고자 비개착 공법 중 구조물을 외부에서 제작하여 굴착된 지반에 견인하여 설치하는 공법을 모사하여 실내모형실험을 수행하였다.
대상 데이터
원지반에 지반의 변위정도는 지반조건, 삽입되는 강관 또는 각관의 직경 등에 의하여 영향을 받으며, 공법과 상관없이 모든 지반에서 변형이 발생한다고 하였다. 본 연구에서는 이를 추가적으로 검증하기 위하여 3곳의 현장에서 실시되는 계측 데이터를 분석하였으며, A 지하차도는 Front Jacking 공법, B 지하차도는 TRcM 공법, C 지하차도는 JES 공법을 적용하여 비개착 구조물이 각각 시공되었다.
성능/효과
1. 실내모형 토조시험의 결과를 분석해 볼 때, 파괴면 각도는 약 59~61°를 이루어 Rankine의 주동토압이론에 따른 파괴면과 유사한 영역으로 발생하였다.
2. 지중경사계를 이용한 현장계측 결과, 가시설 굴착 및 강관 및 각관의 압입 시기를 기준으로 급격하게 변위가 발생하였고, 이는 강관의 압입에 의한 토사의 유실로 인해 발생한 것으로 판단된다.
3. 수치해석을 통하여 수평토압을 분석한 결과 지하구조물 시공 시 작용하는 토압은 정지토압으로 계산한 토압보다 48% 감소하였으며, 주동토압에 가까운 것으로 나타났으며, 응력이완 영역은 Rankine의 주동토압의 파괴면에 가까운 것으로 해석되었다.
4. 기존선 하부를 통과하는 지하구조물 시공 시 구조물 주변에 상부의 수직응력이 약 40% 감소함에 따라 노반지지강성이 크게 저하됨을 알 수 있었다.
후속연구
감소된 노반지지강성은 열차의 주행안정성에 영향을 끼쳐 열차의 탈선 등의 문제점을 일으킬 수 있다. 그러므로 비개착 구조물 시공 시 구조물 주변의 보강이 반드시 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지하차도를 건설하는 방법은 크게 무엇으로 구분되는가?
이를 해결하기 위하여 지하차도를 건설하고 있다. 지하차도를 건설하는 방법은 크게 개착공법과 비개착공법으로 구분할 수 있다. 개착공법은 굴착을 위한 벽체를 시공한 후 굴착진행과 동시에 지보재를 설치하면서 굴착하는 공법으로 일반적인 굴착공사에 가장 많이 이용된다.
지하차도를 건설하는 방법 중 비개착공법의 한계점은 무엇인가?
철도의 기존 구조물 하부에 지하 연결통로를 건설하기 위해 널리 사용되고 있는 비개착공법은 함체견인공법, 강관추진공법, 엘레먼트(Element) 견인·추진공법, 패널(Panel)추진공법 등으로 구분되며, 일반적으로 횡단구간에 대해 강성이 큰 원형 강관이나 사각형 강관을 관입하여 루프(Roof)를 형성함으로써 강관 상부의 구조물 자중과 교통하중을 지지하는 개념을 이용한다. 비개착공법을 이용한 철도지하횡단을 시공 할 경우 강관압입 및 구조물 추진 시 주변지반의 이완으로 인한 지반 변위발생으로 선로안정성에 문제를 야기하고 있다. 비개착공법은 그 활용이 늘어가는 추세에 비해 관련 연구가 부족한 상황이다.
개착공법은 어디에 이용되고 있는가?
지하차도를 건설하는 방법은 크게 개착공법과 비개착공법으로 구분할 수 있다. 개착공법은 굴착을 위한 벽체를 시공한 후 굴착진행과 동시에 지보재를 설치하면서 굴착하는 공법으로 일반적인 굴착공사에 가장 많이 이용된다. 하지만 개착공법을 도심지 공사에 적용할 경우 교통체증의 유발, 지장물 이설비용 발생 등의 문제를 야기할 수 있다.
참고문헌 (6)
K.Y. Eun, M.H. Shin, J.H. Kim (2001) The analysis of ground behavior on the crossing construction under railroad using field measurement, Journal of the Korea Society for Railway, 5(2), pp. 83-89.
J.M. Roh (2006) Numerical analysis of crossing tunnel using roof panel shield method, Master thesis, Dept, of Civil and Environmental system Engre, University of Incheon.
S.W. Choi, Y.T. Park, S.H. Chang, G.J. Bae, K.T. Lee, Y.K. Baek (2012) A numerical study on the three-dimensional ground movement by the trenchless construction method of concrete box by a square steel pipe supporting system, Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, 14(5), pp. 469-484.
S.W. Choi, Y.T. Park, SH. Chang, G.J. Bae, K.T. Lee, Y.K. Baek (2012) An experimental study on the ground movement around a square pipe by its penetration for trenchless construction in sandy ground, Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, 14(5), pp. 485-501.
K.Y. Eum, C.Y. Choi, J.Y. Cheon (2010) Analysis of heaving and settlement test of scale model depending on shape of the pipe during pipe roof excavation, Journal of Korean Geosynthetics Society, 9(4), pp. 485-501.
K. Terzaghi (1943) Teoretical Soil Mechanics, John Wiley and Sons, USA, pp. 182-215.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.