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고강도 강관을 적용한 SP-록볼트 개발 및 현장 적용을 위한 연구
A study on the development and field application of SP-Rockbolt with high-strength steel pipe 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.19 no.4, 2017년, pp.651 - 668  

신현강 ((주)포스코건설 인프라사업본부 인프라솔루션그룹) ,  정혁상 (동양대학교 철도건설안전공학과) ,  안동욱 (POSCO 철강사업본부 강건재열연솔루션그룹)

초록
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터널 굴착에 따른 초기 안정성 확보를 위해 1차 지보재인 숏크리트와 록볼트를 가장 적절한 시기에 터널 굴착면 주면으로 타설하여야 한다. 이러한 지보재의 역할은 장 단기적인 터널 안정성에 매우 중요한 역할을 하기 때문이다. 여기서 록볼트는 터널 굴착시 응력이완에 따라 발생되는 외압을 축력으로 받아들여 터널 굴착면의 숏크리트에 전달하여 전체적인 안정성을 도모하는 중요한 지보재이다. 현재까지 록볼트의 재료는 현장 수급이 유리한 이형강봉을 많이 이용하였으나 최근들어 불확실한 품질의 중국산 자재의 시장진입과 록볼트 주면 모르타르 충전시 흘러내림에 의한 밀실한 충전불량, 용수에 의한 부식 등 다양한 문제점이 나타나고 있다. 특히, 현재의 설계기준상 이형강봉에 대한 기계적 성질의 기준은 있으나 그 외 섬유보강 플라스틱(FRP) 등이 사용될 수 있으나 명확한 기준은 제시되지 않고 있다. 그래서 새로운 소재로 개발되더라도 실제 현장 적용에 있어서는 해결해야 할 부분이 많다. 따라서, 본 연구에서는 상기의 기존 록볼트가 지니고 있는 여러 문제점을 해결, 개선하고자 Autobeam 재료를 이용한 고강도 강관 록볼트(Samrt Pipe-록볼트, 이하 SP-록볼트)를 개발한 내용을 다루고 있다. 개발된 록볼트의 성능평가를 위해 현장시험을 수행하고, 기존 모르타르 충전을 개선할 수 있는 충전재를 개발하여 록볼트의 성능을 더욱 향상하고자 하였다. 또한, 실무현장의 적용성 확보를 위해 설계 및 시공기준에 대한 연구를 수행하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

For initial stability of the tunnel, the primary support, Shotcrete and rockbolt shall be placed in the most appropriate time. This is because the role of such support plays a vital role in long-term and short-term tunnel stability. In this study, the rock bolt is an important supporting system that...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 품질불량의 이형봉강 자재, 모르타르 채움불량 및 록볼트 정착불량에 대한 부분은 현재 록볼트 시공 시 나타나는 중대한 문제이며 터널 거동측면을 고려할 때 반드시 해결되어야 하는 문제이다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하고자 자동차 소재로 알려진 고강도 Autobeam을 소재로 한 강관형 록볼트(SP-Rockbolt)와 특수 혼화재가 첨가된 모르타르로 원지반 일체화를 도모하고, 현장 적용을 위한 실내 및 현장시험과 설계기준에 대한 연구내용을 수록하였다.
  • 본 연구에서 개발된 SP-록볼트의 현장 적용성을 검토하기 위하여 국내 H현장에서 록볼트의 극한인발시험을 실시하였다. Table 12는 현장에서 실시한 시험조건의 세부사항을 보여주고 있다.
  • 본 연구에서는 터널의 지보재인 록볼트에 대해 기존 이형강봉과 모르타르를 이용한 록볼트 재료를 고강도 강관을 이용한 록볼트 재료와 용수상태에서 주입방식 개선 및 부착력이 향상된 충전재인 Chemi-Fix에 대한 실내 및 현장실험 연구결과를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
  • 이에 본 논문에서는 터널 굴착 시 용수가 발생하는 경우에 대처한 록볼트 자재의 부식방지 및 접착율 향상을 위해 시멘트 모르타르 충전재를 개발하고자 연구한 내용과 최근 저가의 중국산 철근 등의 유입으로 품질이 불량한 록볼트에 대응하고자 경제성 있는 고강도 국산 록볼트 자재에 대해 연구개발한 내용을 다루었다.
  • 또한, 현재 국내에서 사용되는 충전재의 경우 용수 지역에서는 충전재의 성능 저하로 록볼트의 설계 인발력을 확보하기 어려우며, 조기강도가 부족하여 터널 천단부 붕락사고 등의 안정성 문제와 설계 시 필요한 소요 인발강도를 확보하기 위해 긴 양생시간이 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 이형봉강 록볼트에 비해 단위길이 당 중량이 작아 시공성이 우수하고, Top-Down방식의 강관 내부주입으로 인한 완전 충전이 가능한 고강도 강관 타입의 록볼트인 SP-록볼트를 개발하였으며, 용수가 없는 일반구간에서는 조기 강도가 우수하여 초기 안정성을 확보할 수 있고 용수가 발생되는 구간에서는 지하수의 유입에도 충전재가 용수와 희석되어 용탈현상 등이 발생되지 않는 수중 불분리형 충전재를 개발하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지보재의 역할은 무엇인가? 일반 구조물에서는 하중에 비례하여 구조물의 부재 크기를 달리 하지만 터널에서는 하중의 변화에 비하여 지보재의 변화는 너무 미미한 편이며, 원지반을 어떻게 처리하느냐에 따라 지보 방법이 달라진다. 지보재의 역할은 자신이 힘을 분담하면서 원지반을 이완시키지 않고 원지반이 원래 갖고 있는 강도를 발휘하도록 하는 것이다. 즉, 자체의 내력으로 힘을 분담하지만 더 중요한 역할은 원지반에 큰 힘을 부담시키도록 준비하고 중개하는 일이다.
록볼트는 무엇인가? 이러한 지보재의 역할은 장 단기적인 터널 안정성에 매우 중요한 역할을 하기 때문이다. 여기서 록볼트는 터널 굴착시 응력이완에 따라 발생되는 외압을 축력으로 받아들여 터널 굴착면의 숏크리트에 전달하여 전체적인 안정성을 도모하는 중요한 지보재이다. 현재까지 록볼트의 재료는 현장 수급이 유리한 이형강봉을 많이 이용하였으나 최근들어 불확실한 품질의 중국산 자재의 시장진입과 록볼트 주면 모르타르 충전시 흘러내림에 의한 밀실한 충전불량, 용수에 의한 부식 등 다양한 문제점이 나타나고 있다.
전면접착형 록볼트가 수동볼트라고 불리기도 하는 이유는 무엇인가? 전면접착형 록볼트는 강도가 작은 연암 이하의 지반에서 터널의 굴착에 의해 주변지반의 응력이 암석의 강도를 초과하여 넓은 영역까지 소성화되어 비교적 큰 변형이 발생되는 경우, 록볼트로 지반의 변형을 억제하고 소성 영역의 확대를 억제하기 위한 내압작용 및 아치형성을 위해 사용한다. 즉, 터널 주변지반의 변형으로 인해 하중이 록볼트에 전달되므로 하중의 주체가 지반변형이라는 측면에서 수동볼트(Passive bolt)라고도 한다. 혼합정착형 록볼트는 선단정착형 방식과 전면접착형 방식을 모두 혼용한 방식으로 록볼트 선단부 정착을 통해 초기 안정화를 도모하고 천공홀 채움을 통한 전면정착을 통해 장기적인 안정성이 필요한 지반조건에 적용한다.
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참고문헌 (22)

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  19. Lee, Y.K, Song, W.K., Park, C.H., Choi, B.H. (2010), "Numerical study on the behavior of fully grouted rock bolts with different boundary conditions", Tunnels and underground spaces Vol. 20, No. 4, pp. 267-276. (in Korean) 

  20. Park, H.K. (2016), "A study on the rock bolt reinforcement of the underground water section in railway tunnel", Seoul National University of Technology Graduate School of Railway Department of Railway Construction, Master Thesis, pp. 8-9. (in Korean) 

  21. U. S. Army Corps of Engineers (1997), "Tunnels And Shafts in Rock". 

  22. Yoo, J.O., Son, S.G. (2011), "Rock bolt construction technology using tubular steel pipe with front inlet", Tunnel Technology, Vol. 13. No. 6, pp.89-93. (in Korean) 

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