복층터널의 분기터널 굴착에 따른 기존터널의 안정성 분석 Stability analysis of an existing tunnel due to the excavation of a divergence tunnel emerging from double-deck tunnel원문보기
최근 도심지의 지상교통시설이 포화수준에 이르렀을 뿐만 아니라 증가하는 교통량으로 인한 교통난과 미세먼지 등의 대기환경 오염의 심화로 인하여 지하도로건설이 각광을 받고 있다. 지하도로건설은 도심지 교통난 해소와 더불어 친환경적인 도시설계가 가능하기 때문에 신설도로 뿐만 아니라 기존도로 역시 지하화 되어 가는 추세이다. 지하도로건설시 IC(분기점)와 JC(나들목) 역할을 수행하는 분기터널의 건설은 필수적이라 할 수 있다. 따라서 분기터널에 의한 기존터널의 영향분석은 필수적으로 고려해야한다. 본 연구에서는 분기터널 굴착 시 기존터널에 미치는 영향을 수치해석을 통해 분석하였다. 분기터널을 기존터널의 직하부를 기점으로 하여 시계방향으로 $45^{\circ}$간격으로 총 5가지의 경우를 설정하였으며, 각각의 경우에서 변위조절방법(Displacement Controlled Model)을 이용하여 지반손실률을 0.5%, 1.0% 그리고 1.5%을 적용하여 수치해석을 실시하였다. 그 결과, 지반손실률이 증가할수록 변위와 파괴범위, 그리고 안정성에 미치는 영향이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 직하부에 위치한 분기터널이 가장 안정성에 취약한 것으로 확인 되었으며, 분기터널의 위치가 연직, 수평방향에 있을 경우보다 대각선방향에 위치할 경우가 변형과 라이닝 파괴 측면에서 불안정한 것으로 나타났다.
최근 도심지의 지상교통시설이 포화수준에 이르렀을 뿐만 아니라 증가하는 교통량으로 인한 교통난과 미세먼지 등의 대기환경 오염의 심화로 인하여 지하도로건설이 각광을 받고 있다. 지하도로건설은 도심지 교통난 해소와 더불어 친환경적인 도시설계가 가능하기 때문에 신설도로 뿐만 아니라 기존도로 역시 지하화 되어 가는 추세이다. 지하도로건설시 IC(분기점)와 JC(나들목) 역할을 수행하는 분기터널의 건설은 필수적이라 할 수 있다. 따라서 분기터널에 의한 기존터널의 영향분석은 필수적으로 고려해야한다. 본 연구에서는 분기터널 굴착 시 기존터널에 미치는 영향을 수치해석을 통해 분석하였다. 분기터널을 기존터널의 직하부를 기점으로 하여 시계방향으로 $45^{\circ}$간격으로 총 5가지의 경우를 설정하였으며, 각각의 경우에서 변위조절방법(Displacement Controlled Model)을 이용하여 지반손실률을 0.5%, 1.0% 그리고 1.5%을 적용하여 수치해석을 실시하였다. 그 결과, 지반손실률이 증가할수록 변위와 파괴범위, 그리고 안정성에 미치는 영향이 증가하는 것으로 나타났다. 또한 직하부에 위치한 분기터널이 가장 안정성에 취약한 것으로 확인 되었으며, 분기터널의 위치가 연직, 수평방향에 있을 경우보다 대각선방향에 위치할 경우가 변형과 라이닝 파괴 측면에서 불안정한 것으로 나타났다.
Recently, underground road construction is attracting attention because the ground transportation facilities in the urban area have reached the saturation level and traffic volume has increased and the air pollution has risen. Construction of underground roads is not only reduce trafficjam in downto...
Recently, underground road construction is attracting attention because the ground transportation facilities in the urban area have reached the saturation level and traffic volume has increased and the air pollution has risen. Construction of underground roads is not only reduce trafficjam in downtown but also design the city eco-friendly, so existing roads as well as new roads go underground. It is essential to construct divergence tunnels that serve as IC (interchage) and JC (Junction) when constructing underpasses. Therefore, the analysis of the effect of the existing tunnel by the divergence tunnel should be considered. In this study, numerical analysis is performed to analyze the effect of existing tunnel on the excavation of the divergence tunnel. The divergence tunnels were set in 5 cases at $45^{\circ}$ intervals in the clockwise direction starting from the lower part of the existing tunnel. In each case, numerical analyses were carried out by using the DCM (Displacement Controlled Model) for applying the volume loss of 0.5%, 1.0% and 1.5%. As a result, when the volume loss increased, the effect on displacement, fracture range, and effect on stability increased as well. In addition, it was confirmed that the divergence tunnel located directly underneath is the weakest for the stability, and the case where the divergence tunnel is located diagonally rather than the vertical and horizontal direction is found to be vulnerable to displacement and lining destruction.
Recently, underground road construction is attracting attention because the ground transportation facilities in the urban area have reached the saturation level and traffic volume has increased and the air pollution has risen. Construction of underground roads is not only reduce trafficjam in downtown but also design the city eco-friendly, so existing roads as well as new roads go underground. It is essential to construct divergence tunnels that serve as IC (interchage) and JC (Junction) when constructing underpasses. Therefore, the analysis of the effect of the existing tunnel by the divergence tunnel should be considered. In this study, numerical analysis is performed to analyze the effect of existing tunnel on the excavation of the divergence tunnel. The divergence tunnels were set in 5 cases at $45^{\circ}$ intervals in the clockwise direction starting from the lower part of the existing tunnel. In each case, numerical analyses were carried out by using the DCM (Displacement Controlled Model) for applying the volume loss of 0.5%, 1.0% and 1.5%. As a result, when the volume loss increased, the effect on displacement, fracture range, and effect on stability increased as well. In addition, it was confirmed that the divergence tunnel located directly underneath is the weakest for the stability, and the case where the divergence tunnel is located diagonally rather than the vertical and horizontal direction is found to be vulnerable to displacement and lining destruction.
본 연구에서는 본선터널에서 분리된 분기터널의 변화하는 위치에 따른 기존터널에 안정성을 평가하기 위하여 기존터널과 분기터널의 각도와 지반손실률을 변수로 하여 수치해석을 수행하였다. 이에 따른 결론은 다음과 같다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 신설터널의 지반손실에 의해 기존터널에 미치는 영향 분석에 초점을 맞추었다. 기존터널과 분기터널간의 상대적 위치에 따라 5가지의 경우로 나누고 각각의 경우마다 지반손실률을 0.5%, 1.0%, 1.5%로 적용하였다. 이를 통하여 분기터널의 지반손실률의 영향에 의해 발생한 기존터널의 변형과 지표침하양상을 분석하여 안정성 분석을 실시하였다
5%로 적용하였다. 이를 통하여 분기터널의 지반손실률의 영향에 의해 발생한 기존터널의 변형과 지표침하양상을 분석하여 안정성 분석을 실시하였다
대상 데이터
기존터널의 콘크리트 라이닝은 단위중량 25 kN/m3의 무근콘크리트를 사용하였고 일축압축강도와 인장강도는 각각 40 MPa과 4 MPa이며, 라이닝의 두께는 0.4 m로 설정하였다. 단위중량과 일축압축강도를 이용하여 콘크리트의 탄성계수를 구하였다(Neville, 1996).
데이터처리
따라서, 본 연구에서는 분기터널의 상대적 위치와 지반손실률 적용이 기존터널 라이닝의 안정성에 영향을 줄것이라 판단하고 Carranza-Torres and Diederichs (2009)에서 사용된 축력-휨모멘트 다이어그램(Thrust-Bending moment diagram)을 사용하여 기존터널 라이닝의 안정성 분석을 실시하였다. 다이어그램에서 사용된 안전율은 AASHTO LRFD에 제시되어 있는 값을 사용하였으며, 무근콘크리트의 최대하중계수(LF) 값을 1.
이론/모형
본 연구에서는 수치해석을 수행하기 위해 FEM 프로그램인 MIDAS GTS-NX를 사용 하였다. 지반은 MohrCoulomb 탄․소성 모델을 적용하였고 풍화암으로 된 단일 지층조건으로 구성하였으며, 지반의 물리적 물성값은 Table 2의 값을 적용하였다.
성능/효과
5. 본 연구에서 수행한 해석사례를 바탕으로 분기터널과 기존터널의 위치에 따른 안정성 검토를 실시한 결과, 분기터널의 위치가 기존터널의 직하부에 위치한 경우(0°)에 안정성에 가장 취약한 것으로 나타났다. 또한 분기터널이 수평, 연직방향에 위치한 경우(90°, 180°)보다 대각선방향에 위치한 경우(45°, 135°)가 지반침하, 기존터널의 변형과 라이닝의 안정성에 있어서 취약한 것으로 나타났다.
본 연구에서 수행한 해석사례를 바탕으로 분기터널과 기존터널의 위치에 따른 안정성 검토를 실시한 결과, 분기터널의 위치가 기존터널의 직하부에 위치한 경우(0°)에 안정성에 가장 취약한 것으로 나타났다. 또한 분기터널이 수평, 연직방향에 위치한 경우(90°, 180°)보다 대각선방향에 위치한 경우(45°, 135°)가 지반침하, 기존터널의 변형과 라이닝의 안정성에 있어서 취약한 것으로 나타났다. 따라서 직하부와 측상하부에 분기터널이 위치할 경우 기존터널의 보강계획이 필요하며, 시공 시 기존터널의 안정성에 주의를 기울이며 진행해야 한다.
후속연구
또한 분기터널이 수평, 연직방향에 위치한 경우(90°, 180°)보다 대각선방향에 위치한 경우(45°, 135°)가 지반침하, 기존터널의 변형과 라이닝의 안정성에 있어서 취약한 것으로 나타났다. 따라서 직하부와 측상하부에 분기터널이 위치할 경우 기존터널의 보강계획이 필요하며, 시공 시 기존터널의 안정성에 주의를 기울이며 진행해야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지하도로건설의 장점은 무엇인가?
8 km)의 지하화가 계획되어 있다. 지하도로건설은 도심지 교통난 해소는 물론이고 지상에서 친환경적인 도시설계가 가능하기 때문에 신설도로뿐만 아니라 기존도로 역시 지하화 되어 가는 추세이다. 이러한 도로의 지하화가 증가함에 따라 복층터널이 화두에 오르고 있다.
지하도로건설이 증가하는 배경은 무엇인가?
최근 도심지에서 지상에 건설 가능한 교통시설이 포화수준에 이르렀을 뿐만 아니라 증가하는 교통난과 배기가스에 의한 미세먼지의 심화 등으로 인하여 지하도로건설이 각광을 받고 있다. 부산시에서는 해운대에서 김해 신공항까지 도심지를 통과하는 지하고속도로로 계획하고 있다.
복층터널 설계 시 분기 터널 위치 변화와 굴착에 의해 기존 터널에 미치는 영향을 분석하는 것이 필수적인 이유는 무엇인가?
복층터널을 지하도로로서 건설하기 위해서는 기존터널에서 분리되어 지상으로 빠져나가거나 다른 터널로 합류할 수 있는 분기터널이 필수적이다. 그 이유는 분기터널이 기존의 고속도로에서 국도나 지방도로 빠져나가는 IC(나들목)와 다른 고속도로로 합류할 수 있는 JC(분기점)같은 역할을 수행하기 때문이다. 분기터널의 위치변화와 굴착에 의해 기존터널에 영향이 가해지게 되며 이로 인해 기존터널의 변형과 균열이 발생할 수 있고 심한 경우 파괴까지 이어질 수 있다. 따라서 분기터널의 위치변화와 굴착에 의해 기존터널에 미치는 영향을 분석하는 것은 복층터널 설계 시 필수적이다.
참고문헌 (22)
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