수치해석과 현장 계측값 비교를 통한 Shield TBM 지표침하 영향요소 검토 A Study on Key Factors of Ground Settlement Due to Shield TBM Excavation using Numerical Analysis and Field Measurement Comparison원문보기
본 연구는 Shield TBM공법을 이용한 터널 굴착시 지표침하에 영향을 주는 요소들에 대한 영향정도를 3차원수치해석을 통해 검토하였다. 막장압, Skinplate 주면압, 굴진장, 지반모델, 요소망 크기, 통과지반에 대한 다양한 조건을 변화시켜가며 수치해석을 수행하였다. 또한 실제 시공된 Shield TBM을 변위제어방법과 응력제어방법으로 모델링하여 현장 계측값과 비교 분석하였다. Skinplate 주면압과 지반모델이 가장 큰 영향요소이며, 통과지층에 따라 적절한 Skinplate 주면압을 입력시 현장 계측값과 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구는 Shield TBM공법을 이용한 터널 굴착시 지표침하에 영향을 주는 요소들에 대한 영향정도를 3차원 수치해석을 통해 검토하였다. 막장압, Skinplate 주면압, 굴진장, 지반모델, 요소망 크기, 통과지반에 대한 다양한 조건을 변화시켜가며 수치해석을 수행하였다. 또한 실제 시공된 Shield TBM을 변위제어방법과 응력제어방법으로 모델링하여 현장 계측값과 비교 분석하였다. Skinplate 주면압과 지반모델이 가장 큰 영향요소이며, 통과지층에 따라 적절한 Skinplate 주면압을 입력시 현장 계측값과 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
This study estimates the degree of influence of factors influencing ground surface settlement during tunnel excavation using Shield tunneling trough 3D FE-analyses. Numerical analysis was carried out by considering face pressure, skinplate pressure, excavation length, soil model, element size and so...
This study estimates the degree of influence of factors influencing ground surface settlement during tunnel excavation using Shield tunneling trough 3D FE-analyses. Numerical analysis was carried out by considering face pressure, skinplate pressure, excavation length, soil model, element size and soil material properties. Also, Actually constructed shield TBM comparative analysis was conducted by compared with Volume loss model, Pressure model and field measurement data. Skinplate pressure and soil model were the most influential factors, and the analysis results were similar to field measurements when the appropriate skinplate pressure was applied according to the passing stratum.
This study estimates the degree of influence of factors influencing ground surface settlement during tunnel excavation using Shield tunneling trough 3D FE-analyses. Numerical analysis was carried out by considering face pressure, skinplate pressure, excavation length, soil model, element size and soil material properties. Also, Actually constructed shield TBM comparative analysis was conducted by compared with Volume loss model, Pressure model and field measurement data. Skinplate pressure and soil model were the most influential factors, and the analysis results were similar to field measurements when the appropriate skinplate pressure was applied according to the passing stratum.
특히 도심지 설계에서 중요한 지표침하 예측방안이 기존 수치해석 방법 및 문헌자료를 이용하고 있어 설계자에 따라 결과가 상당한 차이를 보이고 있는 실정이다. 본 논문에서는 3차원 수치해석을 이용하여 Shield TBM공법을 적용한 터널굴착 해석시 지표침하에 영향을 주는 요소에 대한 영향 평가를 실시하고 다양한 조건 및 해석방법에 대하여 수치해석을 수행하여 지표침하에 미치는 영향정도 및 계측자료 분석을 통해 적정해석방법에 대한 검토를 수행하고자 하였다(Cho, 2008).
제안 방법
지표침하에 영향을 미치는 요소들에 대한 검토를 수행하기 위해 막장압, Skinplate 주면압, 굴진장, Soil model, 요소망크기, 통과지반물성을 변화시켜가며 해석을 수행하였다. 막장압은 160~300kPa, Skinplate 주면압은 125~250kPa, 굴진 장은 1.
대상 데이터
영향인자별 지표침하에 미치는 영향 정도를 비교하기 위해 네덜란드 최초의 하저터널인 Second heinenoord tunnel을 기본 연구배경으로 선정하였다. 해석영역은 터널 굴진방향 120m, 폭 40m, 높이 27.
이론/모형
Shield TBM터널 해석에서 일반적으로 쓰이는 변위제어 모델(Volume loss model)과 응력제어 모델(Pressure model)을 Plaxis-3D를 이용하여 해석을 수행하였으며, 해석방법은 Table 1과 같다(LIM KEN CHAI, 2003).
5m, 요소망크기는 very coarse~very fine으로 변화시켜 가며 해석결과에 가장 큰 영향을 주는 요소에 대한 검토를 수행하였다. Soil model은 일반적으로 쓰이는 탄소성 변형을 표현하는 모델로 Mohr-Coulomb 파괴기준 외에도 Hardening Soil(HS), Hardening Soil small (HS-small) 모델을 적용하여 해석결과를 분석하였다(Jun & Kim, 2015). ;
성능/효과
쉴드TBM 수치해석시 가장 큰 영향을 미치는 요소는 Skinplate 주면압과 Soil model로 나타났다. 따라서 막장압보다 Skinplate 주면압 관리가 중요 사항임이 예상되고 해석 적용시 적정 Skinplate 주면압과 Soil model 적용이 필수라 판단된다.
쉴드TBM 수치해석시 막장압, Skinplate 주면압, 굴진장, Soil model, 요소크기에 따른 영향에 대한 검토를 진행한 결과 지표침하에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 Skinplate주면압과 Soil model인 것으로 판단된다. 따라서 막장압보다 Skinplate 주면압 관리가 중요 사항임이 예상되고 해석 적용시 적정 Skinplate 주면압과 Soil model 적용이 필수라 판단된다.
후속연구
홍콩 OO지하철 현장 검토 구간 외에 현장 내 다른 구간, 타 현장에 대한 추가검토를 진행할 예정이며 검증과정을 거치면 타 현장에도 적용 가능한 해석 가이드라인 작성이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Pressure model을 적용한 3차원 응력제어해석에서 주요 영향 인자는?
Pressure model을 적용한 3차원 응력제어해석에서 주요 영향인자는 Skinplate 주면압이며, Skinplate 주면압을 뒷채움 그라우팅압 등 일률적인 값을 적용하는 것은 과다한 지표면 융기, 부정확한 해석결과를 얻을 수 있으므로 현장 요건에 적합한 값을 적용하여야 한다.
Shield TBM공법의 장점은?
이러한 조건에서 지하구조물 자체뿐만 아니라 인접 구조물에 대한 안정성을 확보할 수 있는 Shield TBM공법이 주목받고 있다. Shield TBM공법은 굴착과 동시에 후방에서 바로 세그먼트를 조립하고 그라우트를 주입하는 연속공정으로 발파로 굴착하는 터널보다 공기를 단축시킬 수 있으며, 굴진시 막장압과 뒷채움압 제어를 통하여 굴착면 안정성을 선확보한 상태에서 작업한다는 장점이 있다. 최근 도로, 철도, 전력구, 통신구, 상하수도 터널 등 국내에서도 Shield TBM공법의 적용이 증가함에 따라 학계에서도 활발하게 연구가 되고 있는 실정이나 주로 전력구와 같은 소규모 위주로 대단면에 대한 시공사례가 부족하고 설계분야에서도 명확한 설계방법이 정립되지 못하고 있는 실정이다.
지하공간 개발에 대한 요구가 증가됨에 따라 어떤 시공에 대한 필요성이 대두되는가
최근 세계적으로 인구증가와 도시화에 따라 부지확보, 교통난제 해결 및 기반산업시설의 지하화에 따른 지하공간 개발에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 따라 구조물 근접굴착, 강이나 하천 하부를 통과하는 하저터널, 국가와 국가 혹은 섬과 본토를 연결하는 해저터널, 초연약지반을 통과하 는 터널굴착 등 특수한 조건에서의 터널시공에 대한 필요성이 대두되고 있으며 적용이 불가피하다. 이러한 조건에서 지하구조물 자체뿐만 아니라 인접 구조물에 대한 안정성을 확보할 수 있는 Shield TBM공법이 주목받고 있다.
참고문헌 (8)
Chnag, S.B. (2015), A Study of Shield TBM Tunnelling-induced Volume Loss Estimation Considering Shield Machine Configurations and Driving Data, TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol.25, No.5.
Cho, J.S. (2008), Analysis of ground movements and lining segment in shield TBM based on three dimensional finite element method, Pukyong National University.
FHWA, 2009, Road Tunnel Manual (FHWA-NHI-09-010)
Jun, G.C., Kim, D.H. (2016), A Intercomparison on the estimating shield TBM tunnel face pressure through analytical and numerical analysis, J of Korean Tunn Undergr Sp Assoc, Vol.18 No.3.
Jun, G.C., Kim, D.H. (2015), A study on key factors of ground surface settlement due to shield TBM.
LIM KEN CHAI (2003), Three-dimensional finite element analysis of earth pressure balance tunnelling, National university of singapore.
Park, H.K., Chang, S.B., and Lee, S.B. (2015), A Study of Shield TBM Tunnelling-induced Volume Loss Estimation Considering Shield Machine Configurations and Driving Data, Samsung C&T Corp. excavation using 3-dimension numerical analysis, J of Korean Tunn Undergr Sp Assoc, Vol.17 No.3
SVEN CHRISTIAN MOLLER. (2006), Tunnel induced settlements and structural forces in linings, Eigenverlag des Instituts fur Geotechnik.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.