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점성토 지반 수직구 굴착 중 히빙 안정성 증가에 대한 관내토 효과에 대한 실험적 연구
An experimental study for the effect of soil plug on the basal heave stability for the vertical shaft excavation in clay 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.20 no.1, 2018년, pp.183 - 195  

강석준 (KAIST 건설 및 환경공학과) ,  조계춘 (KAIST 건설 및 환경공학과) ,  김정태 (KAIST 건설 및 환경공학과) ,  차요한 (KAIST 건설 및 환경공학과) ,  홍은수 (KAIST 건설 및 환경공학과)

초록
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최근 공동구 및 지하터널의 수요증가와 함께 수직구 굴착에 대한 연구의 필요성이 증가하고 있다. 공동구 연구단은 국토교통부 연구개발사업의 일환으로 '수직구 외주면 선행 굴착공법 및 장비'를 개발하였으며 현재 성능 검증 중에 있다. '수직구 외주면 선행 굴착공법'은 수직구 굴착 시 굴착면의 외주면을 먼저 굴착하고 굴착기 벽체를 관입시켜 연약지반의 히빙에 대한 지반의 안정성을 확보하는 공법이다. 이 연구에서는 원심모형실험을 통해 히빙을 모사하고 관내토의 유무에 따른 지반면의 히빙과 지반침하, 그리고 주변지반의 거동을 비교, 분석하였다. 분석 결과 관내토가 지반침하와 히빙의 발생을 충분히 억제하는 효과를 나타내는 것으로 파악되었으며, 수직구 외주면 선행 굴착공법이 히빙에 대한 지반의 안정성을 충분히 확보함을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, the need for research on vertical shaft excavation is increasing with the increase of the demands for the underground and utility tunnels. As a part of the R&D project of the Ministry of Land, Infrastructure and Transport, CUT (center for utility tunnel) has developed "Ring cut method". "R...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이 연구는 연약지반 굴착 중 관내토의 유무가 히빙 발생에 미치는 영향을 확인하여 수직구 외주면 선행 굴착공법의 지반 안정성 향상 효과를 확인하기 위한 연구이다. 이를 위하여 여수 점토를 사용한 원심모형실험을 통하여 중력가속도를 증가시켜 가며 실제 굴착 상황을 모사하였으며, 관내토가 없는 모델과 관내토가 내경의 25%만큼 채워진 모델을 사용하여 관내토에 따른 지반침하 양상을 정량적으로 분석하였다.
  • 이 연구의 목적은 원심모형실험을 통해 ‘수직구 외주면 선행 굴착공법’의 지반 안정성 향상 효과를 검증하는 것이다.

가설 설정

  • 7, 8은 중력가속도가 50 g에 도달할 때까지 히빙으로 인해 외주면 굴착기 모형 내부에 흙이 유입되면서 생기는 지반면 높이의 변화이다. 외주면 굴착기 모형 중심부 레이저 센서가 측정하는 지점을 기준으로 지반면의 높이를 비교하였으며, 측정값이 증가하기 시작한 시점을 히빙 발생 시점으로 가정하였다. 관내토가 없는 모델 A의 경우 히빙은 중력가속도가 12.
  • 14는 지반침하 측정값을 가우시안 함수를 적용하여(Table 5) 나타낸 침하 형상이다. 외주면 굴착기 모형의 벽체 외부(100 mm)부터 지반이 위치하며, 벽체로부터 먼 거리의 지반은(600 mm) 히빙에 영향을 받지 않고 중력가속도에 의한 압축 또는 압밀 침하만 발생한 것으로 가정하였다. g-level이 증가함에 따라 지반 침하량이 증가하며, 히빙 발생 이후에는 외주면 굴착장비 모형과 가까운 지반에서 더 큰 침하가 발생하였다.
  • 침하그래프를 기준으로 침하된 부피를 계산하였으며(Table 6), 부피 계산 시 지반침하는 굴착기 모형과 지반의 형상을 고려하여 Fig. 14와 같은 침하 형상이 y축을 기준으로 180° 구간에 동일하게 형성되어 있다고 가정하였다.
  • 히빙으로 인해 지반면이 융기될 때 지반면의 중앙부분에서 가장 큰 높이 상승이 있고 중심선에 대칭인 이차함수 그래프 형태로 융기된다고 가정하였으며 반단면 실험임을 고려하여 180°회전체의 부피를 계산하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수직구 굴착 시 발생하는 문제점 중 연구가 상대적으로 부족한 현상은 무엇인가? , 2012; Shin et al., 2005)과 수직구 외벽의 변형(Shin and Sagong, 2007) 등 굴착 이후 구조물의 안정성에 대한 연구가 대부분이며, 연약지반 굴착 중 히빙 현상에 대한 안정성을 고려한 연구는 상대적으로 부족하다. 히빙 안정성에 대한 이전 연구들로는 수직구가 아닌 일반 흙막이 시공 중 히빙에 대한 안전율을 이론식으로 제안한 연구와 (Terzaghi and Peck, 1948) 수치해석을 이용한 매개변수 분석을 통해 형상비, 굴착면 하부의 점토층 두께, 벽체의 관입 깊이, 그리고 지반 강도가 히빙 안정성에 영향을 미치는 인자임을 확인한 연구(Goh, 1994, 2017; Khatri and Kumar, 2010)가 있다.
흙막이 공사 중 히빙을 방지하기 위한 방법 중 무엇이 자주 사용되는가? , 2008). 외벽의 관입은 지반강도를 강화시키는 방법에 비해 시공이 간편하기 때문에 많은 수직굴착 현장에서 사용되고 있다. 그러나 아칭현상 등 3차원적 효과를 고려하는 수직구 굴착에 대한 실험적 연구는 매우 부족하며, 수직구 공사에서도 벽체의 관입은 히빙이 발생 할 수 있는 연약지반 흙막이 공사에서 사용될 수 있음에도 불구하고 이에 대한 연구 또한 부족한 편이다.
외주면 굴착공법이란 무엇인가? 본 연구에서는 국토교통부 연구개발사업의 일환으로 가시설을 설치하지 않고 굴착기의 외벽의 관입을 적용시킨 수직구 굴착공법인 ‘수직구 외주면 선행 굴착공법’(이하 외주면 굴착공법)을 개발하였으며 현재 성능 검증 연구 중이다(Center for Utility Tunnel, 2015). 외주면 굴착공법은 수직구 굴착 시 외주면을 선행 굴착하고 벽체를 관입시킨 후에 굴착을 진행하는 방법이다. 굴착기 내부 흙(관내토)의 깊이를 굴착 중에 일정하게 유지시키면 관 내토의 자중이 지반변형을 방지하는 효과를 주므로 굴착 중 지속적으로 지반 안정성을 확보할 수 있다.
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