세그먼트 라이닝 설계시 고려하는 하중은 자중, 연직하중, 수평하중, 지반반력, 수압, 뒤채움 주입압, 부력 등이 있으며, 이 가운데 토압과 수압은 세그먼트 라이닝 설계시 콘크리트 강도, 세그먼트 라이닝의 두께 및 철근량 등을 결정하는데 가장 큰 영향을 미치는 주요 인자이다. 따라서 본 연구에서는 쉴드터널 시공단계별 계측결과를 토대로 세그먼트 라이닝에 발생하는 휨모멘트 계산하였으며, 이를 역해석 결과와 비교분석을 통하여 세그먼트 라이닝에 작용하는 토압 등을 분석하였다.
세그먼트 라이닝 설계시 고려하는 하중은 자중, 연직하중, 수평하중, 지반반력, 수압, 뒤채움 주입압, 부력 등이 있으며, 이 가운데 토압과 수압은 세그먼트 라이닝 설계시 콘크리트 강도, 세그먼트 라이닝의 두께 및 철근량 등을 결정하는데 가장 큰 영향을 미치는 주요 인자이다. 따라서 본 연구에서는 쉴드터널 시공단계별 계측결과를 토대로 세그먼트 라이닝에 발생하는 휨모멘트 계산하였으며, 이를 역해석 결과와 비교분석을 통하여 세그먼트 라이닝에 작용하는 토압 등을 분석하였다.
To design segment lining, loads such as self weight, vertical load, horizontal load, ground reaction, water pressure, backfill grouting pressure et al. have to be considered. Earth pressure and water pressure are the major factor to design segment lining such as concrete strength, segment thickness ...
To design segment lining, loads such as self weight, vertical load, horizontal load, ground reaction, water pressure, backfill grouting pressure et al. have to be considered. Earth pressure and water pressure are the major factor to design segment lining such as concrete strength, segment thickness and amount of rebar et al. To analysis earth pressure and water pressure acting on segment lining, filed monitoring and back analysis are performed in this study.
To design segment lining, loads such as self weight, vertical load, horizontal load, ground reaction, water pressure, backfill grouting pressure et al. have to be considered. Earth pressure and water pressure are the major factor to design segment lining such as concrete strength, segment thickness and amount of rebar et al. To analysis earth pressure and water pressure acting on segment lining, filed monitoring and back analysis are performed in this study.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 세그먼트 라이닝에 작용하는 토압 및 수압을 분석하기 위하여, 세그먼트 라이닝 제작 단계에서 철근에 변형율계(strain gauge)를 설치하였다. 쉴드터널 시공 단계별 계측 결과를 토대로 세그먼트 라이닝에 발생하는 휨모멘트를 계산하였으며, 이를 역해석 결과와 비교 분석을 통하여 세그먼트 라이닝에 작용하는 토압 등을 분석하였다.
본 연구에서는 2 ring-beam 모델을 이용하여 세그먼트 라이닝 발생하는 휨 모멘트를 계산하였다.
본 연구에서는 세그먼트 라이닝에 작용하는 토압 및 수압을 분석하기 위하여 현장 계측을 수행하였다. 또한 계측 결과를 토대로 세그먼트 라이닝에 발생하는 휨 모멘트 계산 및 현장 조건 등을 고려한 역해석 결과와 비교분석을 통하여 세그먼트 라이닝에 작용하는 토압 등을 분석하였다.
본 연구에서는 현장계측을 통하여 세그먼트 라이닝에 발생하는 휨모멘트 산정 후 역해석을 통하여 세그먼트 라이닝에 작용하는 하중을 분석하기 위하여 세그먼트 제작 시 철근망에 변형율계를 설치 현장 계측을 수행하였으며, 각 계측지점별 계측결과는 Fig. 5~9와 같다. 6번 세그먼트의 계측결과는 공사 중 계측기 연결선 망실로 인하여 계측이 수행되지 않았다.
제안 방법
데이터 획득을 위하여 그림 3에서 보는 바와 같이 자동계측 설비를 현장에 설치하였으며, 계측 종료 시까지 10분 간격으로 자동 계측을 수행하였다(Fig. 3).
본 연구에서는 세그먼트 라이닝에 작용하는 토압 및 수압을 분석하기 위하여 현장 계측을 수행하였다. 또한 계측 결과를 토대로 세그먼트 라이닝에 발생하는 휨 모멘트 계산 및 현장 조건 등을 고려한 역해석 결과와 비교분석을 통하여 세그먼트 라이닝에 작용하는 토압 등을 분석하였다.
본 연구에서는 현장 계측을 통한 프리캐스트 세그먼트의 역학적 거동분석을 위하여, Fig. 2에서 보는 바와 같이 세그먼트 제작 시 철근에 스트레인 게이지 부착 완료 후 게이지가 부착된 세그먼트 조립 시공 후 현장 계측을 수행하였다. 스트레인 게이지는 A-type, B-type 세그먼트 중앙부 상 ․ 하 주 철근에 부착하였다.
세그먼트 라이닝 설계 시에는 일반적으로 고정하중, 연직토압, 수평토압, 연직방향 수압, 수평방향 수압, 활하중 등과 같은 작용하는 하중에 따라 하중계수를 고려한 하중조합 조건에 대한 검토를 수행하나, 본 연구에서는 모든 하중계수가 1.0인 사용하중 조건에 대하여 검토하였다.
세그먼트 라이닝에 작용하는 연직토압은 전토피(2.5D0, D0: 세그먼트 라이닝 외경) 하중으로 고려하였으며, 수평토압은 정지 토압계수를 적용하였다. 수치해석 시 적용한 하중조건은 Fig.
따라서 본 연구에서는 세그먼트 라이닝에 작용하는 토압 및 수압을 분석하기 위하여, 세그먼트 라이닝 제작 단계에서 철근에 변형율계(strain gauge)를 설치하였다. 쉴드터널 시공 단계별 계측 결과를 토대로 세그먼트 라이닝에 발생하는 휨모멘트를 계산하였으며, 이를 역해석 결과와 비교 분석을 통하여 세그먼트 라이닝에 작용하는 토압 등을 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서 현장계측을 수행한 지반조건은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 지표면에서 쉴드터널 천단부까지의 토피고는 약 19 m로 매립층과 점토층으로 구성되어 있으며, 지하수위는 G.L. -8 m이다. 현장 계측 대상 쉴드터널은 퇴적 모래층을 관통하여 시공되었으며 쉴드터널 하부는 풍화토로 구성되어 있다.
쉴드터널 시공에 적용된 세그먼트 제원은 Table 2에서 보는 바와 같이 외경 7,770 mm, 내경 7,070 mm, 두께 350 mm, 길이 1,500 mm이며, 콘크리트 강도 45 MPa, 철근 강도 400 MPa로 설계되었다. 세그먼트 1개 링은 4개의 A-type 세그먼트, 2개의 B-type 세그먼트 및 1개의 key 세그먼트로 구성되어 있다.
-8 m이다. 현장 계측 대상 쉴드터널은 퇴적 모래층을 관통하여 시공되었으며 쉴드터널 하부는 풍화토로 구성되어 있다. 세그먼트 라이닝 설계 시 적용한각 지층별 지반정수는 Table 1과 같다.
이론/모형
수치해석 시 지반 스프링 상수는 세그먼트 주변 지반과 뒤채움 그라우트의 2층 지반을 고려한 Müirwood 의 식 사용을 적용하였으며(식 (1)), 회전스프링 상수 및 전단스프링 상수는 일본 토목구조물 설계표준 ․ 동해설식을 적용하였다(식 (2) 및 식 (3)).
성능/효과
1. 천단부 토피고 19 m를 고려한 전토피 하중과 정수압 조건을 고려한 수치해석 결과(load factor = 1) 세그먼트 라이닝에 발생하는 최대 휨 모멘트는 세그먼트 라이닝 제작 시 설치한 변형율계 현장 계측 결과를 토대로 산정된 휨 모멘트는 약 7% 오차위로 매우 유사한 결과를 도출하였다.
2. 따라서 모래 및 점토지반으로 구성되어 있는 지반조건 및 토피고가 2.5D0 이하인 경우, 세그먼트 라이닝 설계시 토압 및 수압은 전토피 하중 및 정수압 조건을 고려하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.
3. 현장계측 결과 세그먼트 라이닝 시공 후 약 90 m 굴진 시(약 250시간)까지 계측결과가 변화하였으며, 이후 철근에 발생하는 변형율은 일정한 값으로 수렴하는 것으로 나타났다. 따라서 모래 및 점토지반에서는 약 12D0(D0: 세그먼트 라이닝 외경) 쉴드 TBM 굴진 시까지 back fill grouting 및 응력 재분배 등의 영향을 받는 것으로 판단된다.
4. 세그먼트 라이닝은 원형 단면의 특성상 축력이 지배적이어서 압축부재로 거동하나, 모래 및 점토층에 시공되는 세그먼트 라이닝은 휨 모멘트가 크게 발생할 수 있으며 이 경우 인장부재로 거동하는 것으로 알려져 있다. 계측대상 쉴드터널은 모래층을 관통하고 상부에 점토층이 분포하고 있으므로, 세그먼트 라이닝은 인장부재로 거동할 것으로 예상되었다.
계측결과 변형율계가 설치된 세그먼트 라이닝 시공 후 약 90 m 굴진 시(약 250시간)까지는 지반굴착 후 발생하는 지반 내 응력 재분배 등의 효과로 계측결과가 변화하는 것으로 나타났다.
계측대상 쉴드터널은 모래층을 관통하고 상부에 점토층이 분포하고 있으므로, 세그먼트 라이닝은 인장부재로 거동할 것으로 예상되었다. 그러나 현장계측결과 계측종료 시점에서는 변형율계가 설치된 모든 주철근에서 압축 변형율이 계측됐으며, 해당 현장의 세그먼트 라이닝은 인장부재가 아니라 압축부재로 거동하는 것으로 판단된다.
따라서 1번 세그먼트 인장 측 철근에 발생한 최대 변형율(207 × 10-6) 및 세그먼트 제원을 토대로 세그먼트 라이닝에 발생하는 최대 휨 모멘트는 480.5 kN-m 인 것으로 나타났다.
수치해석 결과 상기 해석조건 및 작용하중에 대한 사용하중 조건에서 세그먼트 라이닝에 발생하는 최대 휨모멘트는 446.3 kN-m로 현장계측에 의해 계산된 최대 휨모멘트 480.5 kN-m 보다 약 7% 오차로 매우 유사한 결과를 도출하였다.
이후 철근에 발생하는 변형율은 일정한 값으로 수렴하는 것으로 나타났으며, 계측종료시점에서는 변형율계가 설치된 모든 주철근에서 압축 변형율이 계측되었다.
현장계측결과 최대 변형율은 1번 세그먼트에서 약 207 × 10-6의 인장 변형율이 계측되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
세그먼트 라이닝설계 시 고려하는 하중과 그 하중의 모델링 형태는?
세그먼트 라이닝 설계 시 고려하는 하중은 자중, 연직하중, 수평하중, 지반반력, 수압, 뒤채움 주입압, 부력 등이 있으며, 이 하중들은 연직방향 하중, 수평방향 하중, 반력의 형태로 모델링 된다. 이외에도 시공 중의 추력 및 시공 시 하중, 완공후의 내부 시설물 자중(제트팬 및 기타시설물 등) 및 지반침하 영향 등을 고려하여야 한다(Lee and Moon, 2016).
RC 세그먼트란 무엇인가?
쉴드터널 세그먼트 라이닝은 재질에 따라 RC 세그먼트와 강재 세그먼트 등으로 구분된다. 이 가운데 RC 세그먼트는 공장이나 현장에서 미리 제작된 프리캐스트(precast) 세그먼트를 조립하여 설치되는 터널 라이닝으로서, 쉴드터널에서 필수적으로 사용되는 구조체이다. 특히, 쉴드터널 세그먼트는 쉴드 TBM의 추진을 위한 반력 지지구조물로서의 역할과 공사 중의 안정성 확보는 물론이고 영구적인 터널 라이닝의 역할도 하게 된다(Lee et al.
세그먼트 라이닝에 작용하는 토압 및 수압의 분석이 중요한 이유는?
이 가운데 토압과 수압은 세그먼트 라이닝 설계 시 고려해야 하는 하중 가운데 콘크리트 강도, 세그먼트 라이닝의 두께 및 철근량 등을 결정하는데 가장 큰 영향을 미치는 주요 인자이다.
참고문헌 (7)
International Tunnelling Association Working Group 2 (2000), "Guidelines for the design of shield tunnel lining", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 15, No. 3, pp. 307-311.
Japan Society of Civil Engineers (2006), "Standard specifications for tunneling -2006: Shield Tunnels", pp. 39-55.
Kim, H., Kim, H., Shin, K., Ahn, S. (2017), "A Study on the factors influencing the segment lining design solved by beam-spring model in the shield tunnel", Journal of the Korean Tunnelling and Underground Association, Vol. 19, No. 2, pp. 179-194.
Lee, G.-P., Hwang, J.-H., Shin, H.-S., Hong, S.-K. (2010), "Mechanical behaviour of waterway culvert structure assembled by precast segments", Journal of the Korean Tunnelling and Underground Association, Vol. 12, No. 2, pp. 193-200.
Lee, G.P., Park, Y.T., Choi, S.W., Bae, G.J., Chang, S.H., Kang, T.S., Lee, J.S. (2012), "An experimental study on mechanical behavior of shield segment with high-strength concrete and high-tension rebar", Journal of the Korean Tunnelling and Underground Association, Vol. 14, No. 3, pp. 215-230.
Lee, H.-S., Moon, H.-K. (2016), "Numerical study on the connection type of inner-slab in double deck tunnel", Journal of the Korean Tunnelling and Underground Association, Vol. 18, No. 5, pp. 441-451.
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