복층터널의 분기터널 굴착에 따른 지하 공동구의 안정성 분석 Stability analysis of an existing utility tunnel due to the excavation of a divergence tunnel emerging from double-deck tunnel원문보기
서울시는 도심지 교통체증을 해결하기 위해 최근 경부고속도로의 일부 구간을 복층터널로 계획하는 방안을 검토하고 있다. 도심지에 복층터널을 건설할 경우, 교통난 해소뿐만 아니라 말레이시아 스마트 터널과 같이 홍수 시 침수방지를 위한 저류시설로도 활용할 수 있을 것으로 본다. 그러나 도로터널을 복층터널로 계획할 경우에는 각 지역을 연결하는 분기터널이 필요하며, 분기터널은 토피가 낮은 구간에 편평율이 큰 대단면 또는 복잡한 터널 단면형상으로 이루어지게 된다. 이때 토피가 낮은 지역에서는 지하 공동구나 건물 기초 등에 인접하여 위치하게 되며 터널 건설로 인해 지장물에 미치는 영향에 대해 반드시 검토해야 한다. 본 연구에서는 복층터널에서 분기되는 터널 굴착 시, 지하 공동구에 미치는 영향을 수치해석을 통해 분석하였다. 변위조절모델(Displacement Controlled Model)을 이용하여 터널 주변의 지반손실률을 1.0%, 3.0%, 그리고 5.0%까지 모사하였다. 복층터널에서 분기되는 각도를 $45^{\circ}$와 $36^{\circ}$로 다르게 설정하여 공동구 측면 및 하부로의 접근을 고려할 수 있도록 하였다. 그 결과, 일반적으로 분기터널이 공동구에 근접할수록 그리고 지반손실률이 클수록 변위, 각변위 그리고 안정성에 미치는 영향이 큰 것으로 타나났다. 공동구 바닥부의 침하와 공동구 부재의 안정성에는 이격거리 보다는 공동구의 하부에 근접하여 큰 변위와 부등침하를 유발할 수 있는 각도 $36^{\circ}$, 이격거리 10 m가 가장 취약한 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 근접시공 시 구조물의 안정성 평가를 위한 각변위-거리/직경 관계를 제시하였으며, 지하 공동구 안정성에 영향을 미치는 한계 임계 지반손실률을 산정하였다.
서울시는 도심지 교통체증을 해결하기 위해 최근 경부고속도로의 일부 구간을 복층터널로 계획하는 방안을 검토하고 있다. 도심지에 복층터널을 건설할 경우, 교통난 해소뿐만 아니라 말레이시아 스마트 터널과 같이 홍수 시 침수방지를 위한 저류시설로도 활용할 수 있을 것으로 본다. 그러나 도로터널을 복층터널로 계획할 경우에는 각 지역을 연결하는 분기터널이 필요하며, 분기터널은 토피가 낮은 구간에 편평율이 큰 대단면 또는 복잡한 터널 단면형상으로 이루어지게 된다. 이때 토피가 낮은 지역에서는 지하 공동구나 건물 기초 등에 인접하여 위치하게 되며 터널 건설로 인해 지장물에 미치는 영향에 대해 반드시 검토해야 한다. 본 연구에서는 복층터널에서 분기되는 터널 굴착 시, 지하 공동구에 미치는 영향을 수치해석을 통해 분석하였다. 변위조절모델(Displacement Controlled Model)을 이용하여 터널 주변의 지반손실률을 1.0%, 3.0%, 그리고 5.0%까지 모사하였다. 복층터널에서 분기되는 각도를 $45^{\circ}$와 $36^{\circ}$로 다르게 설정하여 공동구 측면 및 하부로의 접근을 고려할 수 있도록 하였다. 그 결과, 일반적으로 분기터널이 공동구에 근접할수록 그리고 지반손실률이 클수록 변위, 각변위 그리고 안정성에 미치는 영향이 큰 것으로 타나났다. 공동구 바닥부의 침하와 공동구 부재의 안정성에는 이격거리 보다는 공동구의 하부에 근접하여 큰 변위와 부등침하를 유발할 수 있는 각도 $36^{\circ}$, 이격거리 10 m가 가장 취약한 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 근접시공 시 구조물의 안정성 평가를 위한 각변위-거리/직경 관계를 제시하였으며, 지하 공동구 안정성에 영향을 미치는 한계 임계 지반손실률을 산정하였다.
Government plans to construct a double-deck tunnel under a portion of Gyeongbu Expressway that will solve traffic problems and could also be used as a flood storage facility. Divergence tunnels connect the main tunnel to the urban areas and their construction effects on adjacent structures at shallo...
Government plans to construct a double-deck tunnel under a portion of Gyeongbu Expressway that will solve traffic problems and could also be used as a flood storage facility. Divergence tunnels connect the main tunnel to the urban areas and their construction effects on adjacent structures at shallow depth need to be analyzed. This study primarily includes the numerical analysis of construction effects of divergence tunnels on utility tunnels. The utility tunnel was analyzed for three cases of volume loss applied to the divergence tunnel and two cases of the angle between main tunnel and divergence tunnel ($36^{\circ}$ and $45^{\circ}$). The results show that the more the volume loss was applied and the shorter the distance was between utility tunnel and divergence tunnel, the more the utility tunnel was affected in terms of induced displacements, angular displacement and stability. The worst scenario was found out to be the one where the angle between main tunnel and divergence tunnel was $36^{\circ}$ and the distance between divergence tunnel and utility tunnel was 10 m, resulting in the largest displacement and differential settlement at the bottom of the utility tunnel. A relationship between the angular displacement and the distance to diameter ratio was also established.
Government plans to construct a double-deck tunnel under a portion of Gyeongbu Expressway that will solve traffic problems and could also be used as a flood storage facility. Divergence tunnels connect the main tunnel to the urban areas and their construction effects on adjacent structures at shallow depth need to be analyzed. This study primarily includes the numerical analysis of construction effects of divergence tunnels on utility tunnels. The utility tunnel was analyzed for three cases of volume loss applied to the divergence tunnel and two cases of the angle between main tunnel and divergence tunnel ($36^{\circ}$ and $45^{\circ}$). The results show that the more the volume loss was applied and the shorter the distance was between utility tunnel and divergence tunnel, the more the utility tunnel was affected in terms of induced displacements, angular displacement and stability. The worst scenario was found out to be the one where the angle between main tunnel and divergence tunnel was $36^{\circ}$ and the distance between divergence tunnel and utility tunnel was 10 m, resulting in the largest displacement and differential settlement at the bottom of the utility tunnel. A relationship between the angular displacement and the distance to diameter ratio was also established.
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문제 정의
본 연구에서는 본선터널에서 분리되어 지상으로 올라오는 분기터널의 굴착으로 인한 지하 공동구의 영향을 평가하기 위해서 본선터널과의 이루는 각도를 기준으로 지반손실률, 이격거리에 따라 수치해석을 수행하였다. 이에 따른 결론은 다음과 같다.
2). 본 연구에서는 터널의 지반손실량(Vt)을 변수로 인접 공동구에 미치는 영향을 분석하였다. Table 1은 Federal Highway Administration (FHWA)에서 제시한 지반조건과 시공품질에 따른 지반손실률 값을 나타내었다.
여기서, DCM 방법은 최근 다양한 연구들(Cheng et al., 2007; Son & Yun, 2009; Hong et al., 2015; Zhang et al., 2016)에서 사용하였으며, 기존 FCM (Force Controlled Model)의 단점을 보완하고자 제안되었다.
Kim (1997)은 쌍굴 터널 굴진에 따른 주변 지반 거동에 대한 2차원 유한요소 해석을 하였다. 연구에서 쌍굴 터널은 상호 간섭효과를 줄이고 주변 지반의 안정성을 보장하기 위해 터널 간 거리가 터널 직경의 최소 2배 이상이어야 한다고 분석하였다. Hefny et al.
제안 방법
4. 본선터널과 분기터널의 이루는 각도(45°, 36°)에 따라 설계 시 유용하게 사용할 수 있는 각변위 – 거리/직경 관계를 도출하였다.
각도는 45°와 36°이며, 공동구와의 이격거리는 5, 10, 30 m로 설정하였다.
0%까지 적용하였으며, 분기터널과 공동구가 이루는 각도를 2가지로 설정하여 분기터널이 공동구로 접근하는 방향을 설정하였다. 그리고 공동구와 분기터널 사이의 이격거리를 3가지로 분류하여 총 18가지의 해석사례를 분석하였다.
기존터널의 천단에서부터 0, 45, 90, 135, 180°의 방향에 신설터널이 시공되는 경우를 검토하였다.
인접터널 굴착에 따른 변위 발생으로 인한 구조물에서 추가 하중이 작용한다면 축력, 휨모멘트, 전단력이 발생하며, 이들의 관계를 이용하여 축력-휨모멘트 다이어그램을 통해 공동구의 안정성을 검토 할 수 있다. 다이어그램을 적용하기 위해서 안전율은 AASHTO LRFD에 제시되어 있는 무근콘크리트의 최대하중계수(LF)값인 1.35와 부분저항계수(RF) 값인 0.55를 사용하여 안전율을 2.45로 설정하였다(FS = LF/ RF). 축력–휨모멘트 다이어그램(Thrust-Bending moment diagram)은 마름모 형상으로 나타나며, 상부선은 압축파괴를, 하부선은 인장파괴를 나타낸다(Carranz-Torres and Diederichs, 2009).
또한 지반손실이 증가함에 따라 모멘트는 증가한다. 두 터널의 이격거리는 모멘트에 대한 안정성을 위해 5D이상으로 유지되어야 한다고 분석하였다. Yoo & Song (2006)은 신설되는 터널의 상대적인 위치에 따라 기존 터널의 라이닝에 미치는 연구를 수행하였다.
주로 기존터널에 대해 신설터널과의 이격거리에 따른 연구이거나 필러부의 안정성 검토에 관한 것이다. 따라서 본 연구에서는 목표구조물을 공동구로 설정하고, 분기터널이 지상에 가까워짐에 따라 기존 지하에 매설되어 있는 공동구에 미치는 영향을 분석하기 위해 분기터널의 지반손실률을 5.0%까지 적용하였으며, 분기터널과 공동구가 이루는 각도를 2가지로 설정하여 분기터널이 공동구로 접근하는 방향을 설정하였다. 그리고 공동구와 분기터널 사이의 이격거리를 3가지로 분류하여 총 18가지의 해석사례를 분석하였다.
본선터널에서 분기터널이 지상으로 분기되는 선형이 매우 복잡하기 때문에 3차원 해석조건보다는 2차원 평면 변형률 조건에서 수치해석을 수행하였다.
본선터널에서 분리되는 각도를 45°와 36°로 다르게 설정하여 공동구 측면 및 하부로의 접근을 동시 고려할 수 있도록 하였다.
분기터널을 40등분하고, 40개의 절점(nodes)에서 지반손실률 1.0, 3.0, 5.0%에 해당하는 증감좌표를 입력하여 당김(pulled)으로써 터널의 지반손실량을 모사하고, 수치해석의 주요 변수로 설정하였다. 그 결과 Fig.
분기터널의 지반손실이 지표면으로 전달되는 과정에서 공동구의 위치가 지표면 침하곡선에 미치는 영향을 분석하였다. 각도 36°와 이격거리 5 m에 공동구가 위치해 있을 때 1.
각도는 45°와 36°이며, 공동구와의 이격거리는 5, 10, 30 m로 설정하였다. 지반손실률은 1.0, 3.0% 그리고 5.0%와 같이 3가지로 적용함으로써 총 18개의 해석을 수행하였다(Fig. 5).
터널(굴착단면)에 지반손실률을 적용하기 위해 수치해석 관련된 선행연구들을 검토하였고, 변위조절모델(Displacement Controlled Model)을 이용하여 지반손실률은 3가지로 나누어 1.0, 3.0, 5.0%를 해석에 적용하였다. 여기서, DCM 방법은 최근 다양한 연구들(Cheng et al.
본선터널에서 분리되는 각도를 45°와 36°로 다르게 설정하여 공동구 측면 및 하부로의 접근을 동시 고려할 수 있도록 하였다. 해석조건은 본선터널과 분기터널이 이루는 각도, 분기터널과 공동구와의 이격거리, 그리고 지반손실률에 따라 구분하였다. 각도는 45°와 36°이며, 공동구와의 이격거리는 5, 10, 30 m로 설정하였다.
대상 데이터
공동구에 사용한 재료는 무근콘크리트(일축압축강도: 40 MPa와 인장강도: 4 MPa)이며, 터널 굴착에 따른 변위 및 부재력 양상 분석을 위해 해석 시 보요소로서 작용하도록 설정하였다. 콘크리트의 단위중량은 일반적인 범위 내에 있는 값인 2.
4 kN/m3을 사용하였으며, 일축압축강도와 단위중량이 주어진다면 식 4와 같이 콘크리트의 탄성계수(Ec)를 계산할 수 있다(Neville, 1996). 공동구의 단면 크기는 국토교통부에서 제시한 공동구 설계 기준(2016)에 제시되어 있는 표준단면(폭 7.2 m, 높이 3.6 m, 두께 0.5 m)으로 설정하였다.
복층터널의 단면은 직경 14.4 m, 분기터널의 직경은 8m 로 적용하였다. 공동구는 지표면으로부터 2.
(2013)이 제안한 우리나라 지층 구조를 참고하였다(Table 2). 지반의 지층조건은 2 m 이하는 매립토, 2-20 m는 풍화토, 그리고 20 m 이상은 연암으로 구성하였다.
이론/모형
사용된 FEM 프로그램은 MIDAS GTS-NX이다. 지반의 구성방정식은 Mohr-Coulomb 탄・소성 모델을 적용하였으며, 지반조건 물리적 물성값은 Seong et al. (2013)이 제안한 우리나라 지층 구조를 참고하였다(Table 2). 지반의 지층조건은 2 m 이하는 매립토, 2-20 m는 풍화토, 그리고 20 m 이상은 연암으로 구성하였다.
성능/효과
1. 공동구에 영향을 미치는 최대침하, 각변위, 부재력은 지반손실률이 클수록, 이격거리가 가까울수록 크다. 그러나 공동구와의 위치 및 분기터널이 근접하는 방향(측면, 하부)을 종합적으로 고려하여 영향을 판단하여야 한다.
2. 분기터널이 공동구의 하부(각도 36°)에 굴착하였을 때, 공동구의 최대변위는 공동구의 측면에 굴착(각도 45°) 할 때보다 최대 19.7 mm 더 크게 나타났다.
3. 공동구에서 발생한 최대침하와 각변위는 분기터널의 지반손실률이 1.0%에서 3.0%로 변할 때 평균 1.85배 증가하고, 3.0%에서 5.0%로 변할 때 평균 1.19배 증가한다. 지반손실률이 3.
3개의 부재 중 중앙벽체는 대부분의 경우 안정한 것으로 나타났다. 각도가 45°이며 이격거리가 5 m로 가장 가까운 경우, 지반손실률이 3.
5. 본 해석사례를 바탕으로 공동구 바닥부와 벽체의 안정성을 검토한 결과, 작용하는 축력의 범위가 낮아 압축파괴보다는 인장파괴의 위험성이 높은 것으로 나타났다. 분기터널이 인접해서 굴착될 시 공동구 바닥부와 좌측벽체가 가장 취약하며, 인장파괴에 저항할 수 있는 보강이 필요하다.
Li & Yuan (2012)은 실제 터널 시공 시 기존 터널의 안정성을 분석하였다. 결과에 따르면 기존 터널의 하부를 통과할 때 신설 터널의 끝부분이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. Do et al.
공동구와 분기터널이 이루는 각도가 45°이고 지반손실률이 1.0% 일 때, 이격거리가 5 m인 경우 분기터널의 굴착으로 인한 공동구의 최대 침하량은 0.014 m이며, 이격거리가 10 m인 경우 최대 침하량은 0.011 m, 이격거리가 30 m인 경우 최대 침하량은 0.003 m로 지반손실률과 공동구와 분기터널이 이루는 각도가 동일한 조건 내에서 이격거리가 증가할수록 공동구의 최대 침하량은 0.21%로 감소하였다.
균등침하를 유발하는 각도 36°의 이격거리 5 m의 경우, 바닥부보다는 좌측벽체의 안정성에 더 큰 영향을 주는 것으로 나타났다(Fig. 13).
그리고 공동구와 분기터널이 이루는 각도가 45°이고, 이격거리가 5 m 일 때, 분기터널의 굴착으로 인한 공동구의 침하량은 지반손실률이 1.0%인 경우 최대 침하량은 0.014 m로 나타났고, 지반손실률이 5.0%인 경우는 0.029 m로 나타났다.
8배 증가하였다. 동일한 조건 내에서 지반손실률이 3.0%에서 5.0%로 증가할 때 최대 침하량은 0.018 m에서 0.021 m로 1.17배 증가하였다. 각도가 36°인 경우, 이격거리 10 m에서 지반손실률이 1.
89배 증가하였다. 동일한 조건 내에서 지반손실률이 3.0%에서 5.0%로 증가할 때, 최대 침하량은 0.034 m에서 0.041 m로 1.21배 증가하였다. 즉, 분기터널의 지반손실률이 3.
0% 이하인 경우에는 침하량이 약 2배 가까이 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 지반손실률 3.0% 이내일 때, 침하량 변화에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.
본 연구의 해석사례는 분기터널이 공동구의 직하부 및 좌측하부에 위치하기 때문에 공동구의 바닥부, 좌측벽체 그리고 중앙벽체(Fig. 5)에만 안정성에 영향을 주는 것으로 나타났다. 이 3개 부재에 작용하는 축력의 범위는 최소 0.
(2014)은 TBM을 이용한 쌍굴 터널 굴착에 의한 주변 지반 및 터널 라이닝의 거동에 대한 응력 평가를 하였다. 신설 터널이 굴착되면 기존 터널의 최대 모멘트가 약 5배 증가하는 경향을 보였다. 또한 축력은 신설터널에 근접하였을 때 스프링라인(Spring line)에서 증가하였다.
또한 축력은 신설터널에 근접하였을 때 스프링라인(Spring line)에서 증가하였다. 연구 결과, 신설터널이 기존터널에 근접하여 시공되었을 때, 신설터널보다 기존터널에 가해지는 외부 하중이 더 큰 것으로 나타났다.
위 결과 각변위의 가장 취약한 조건은 각도 45°의 이격거리가 5 m일 때 이며, 공동구의 측면에 위치할 때 더 큰 부등침하을 나타내는 것을 알 수 있다.
5)에만 안정성에 영향을 주는 것으로 나타났다. 이 3개 부재에 작용하는 축력의 범위는 최소 0.0124 MN에서 최대 0.3559 MN 사이로 모든 결과가 축력의 영향은 미미하여 압축파괴의 영향은 줄어들고, 작용하는 휨모멘트 크기에 의해서 인장파괴의 위험성이 증가하는 경향을 보였다.
즉, 공동구 안정성의 가장 취약한 조건은 각도 36°의 이격거리가 10 m인 경우로써 공동구의 인접한 거리보다는 공동구 하부에서 근접할 때가 안정성에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났다.
21배 증가하였다. 즉, 분기터널의 지반손실률이 3.0%를 초과하는 범위 내에서는 침하량의 증가량이 작지만 지반손실률이 3.0% 이하인 경우에는 침하량이 약 2배 가까이 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 지반손실률 3.
지반손실률 5.0% 조건에서 이격거리가 30 m에서 5 m로 감소함에 따라 공동구의 바닥부에 작용하는 휨모멘트 값의 범위는 0.164 MN · m에서 0.399 MN · m로 증가하였다.
19배 증가한다. 지반손실률이 3.0%일 때, 지반손실률이 1.0%일 때보다 2~3배 더 높게 파괴되는 양상을 보였다. 그러므로 지반손실률이 3.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도심지 터널 설계 시 고려해야 할 중요한 요소 중 하나는?
도심지 터널 설계 시 고려해야 할 중요한 요소 중 하나가 지반침하이다. 터널 굴착 시 기존의 지반을 굴착하기 때문에 지반손실(lost ground)은 불가피하게 일어나며, 이러한 지반손실은 지표 · 지중 침하와 인접구조물의 피해로 이어진다.
터널굴착에 따른 지반침하 곡선을 예측하는 방법중 가장 대표적인 것은?
경험적 방법, 해석적 방법, 수치해석을 이용한 방법이 있다. 그 중 가장 대표적인 것이 Peck (1969)이 제안한 Gaussian 곡선이다. 이는 경험식에 해당하며 현재까지 다양한 원심모형실험 및 현장 계측자료를 통해 검증되었다.
대심도에 복층터널을 도로용으로 건설하려면 본선터널에서 나뉘는 분기터널을 필수적으로 설계해야 한다. 그 이유는 기존의 고속도로에서 빠져나와 국도나 지방도로 이어지는 IC(나들목), 고속도로에서 다른 고속도로로 이어지는 JC(분기점)과 같은 원리이다. 대심도 복층터널 역시 도심지에 건설이 된다면 본선터널에서 도심지의 각 지역으로 갈라져 나오는 분기터널의 건설이 필수적이다(Fig.
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