도심지 지하공간의 개발과 운행선 하부를 저토피로 입체 교차화하는 시설 증가에 따라 비개착식 공법의 수요는 점차 증가추세에 있으나 대다수의 공법은 중대구경 강관을 압입하여 루프를 형성하고 내부를 굴착하는 파이프루프(Pipe roof) 계열의 공법이 주로 적용되고 있다. 강관 압입 시 발생되는 이완영역 및 하중은 여러 인자의 영향을 받게 되나 가장 큰 요소는 압입하는 강관의 크기에 좌우되며 이는 강관 루프 내 지중구조물에 작용하는 하중의 크기로 볼 수 있다. 지반의 교란 및 이완하중 발생을 최소화시키기 위해 개발된 SEM공법(Super Equilibrium Method)은 기존의 중대구경 강관 대신 ${\Phi}114mm$ 내외의 소구경 강관을 사용한다. 이 소구경 강관을 SEM파일로 명명하였으며 강관의 선 압입 및 그라우팅 보강을 실시한 후 지반의 침하나 융기 없이 지반 내 횡단구조물을 유압잭을 이용하여 압입하게 된다. 이와 같이 SEM공법의 구성 중 지보역할을 하는 SEM파일은 선단부 굴착 시 지반의 붕락을 방지하고 상재하중을 지지하기 위한 길이 5 m 내외의 Fore poling 파일이며 이 파일의 배치간격, 시공연장, 부재의 강성 등을 산정하기 위해서는 이완영역의 적절한 산정이 필수적이다. 본 논문은 SEM공법의 최적설계를 위하여 SEM파일 압입 시 발생되는 이완하중 산정 값을 비교분석하였다. 이완영역 산정에 근거한 주요 이론식 및 경험식들의 영향인자를 고려하여 분석하고 FEM analysis (유한요소 해석)를 수행하여 SEM파일에 적합한 이완하중 산정을 검토하였다. 또한 실제 SEM파일 압입 및 굴착 시 발생되는 지반이완을 확인하기 위해 강관압입 축소모형실험을 수행하였으며 토피고/강관(H/D)에 따른 지표침하 및 지반이완을 정량적으로 검토하였다.
도심지 지하공간의 개발과 운행선 하부를 저토피로 입체 교차화하는 시설 증가에 따라 비개착식 공법의 수요는 점차 증가추세에 있으나 대다수의 공법은 중대구경 강관을 압입하여 루프를 형성하고 내부를 굴착하는 파이프루프(Pipe roof) 계열의 공법이 주로 적용되고 있다. 강관 압입 시 발생되는 이완영역 및 하중은 여러 인자의 영향을 받게 되나 가장 큰 요소는 압입하는 강관의 크기에 좌우되며 이는 강관 루프 내 지중구조물에 작용하는 하중의 크기로 볼 수 있다. 지반의 교란 및 이완하중 발생을 최소화시키기 위해 개발된 SEM공법(Super Equilibrium Method)은 기존의 중대구경 강관 대신 ${\Phi}114mm$ 내외의 소구경 강관을 사용한다. 이 소구경 강관을 SEM파일로 명명하였으며 강관의 선 압입 및 그라우팅 보강을 실시한 후 지반의 침하나 융기 없이 지반 내 횡단구조물을 유압잭을 이용하여 압입하게 된다. 이와 같이 SEM공법의 구성 중 지보역할을 하는 SEM파일은 선단부 굴착 시 지반의 붕락을 방지하고 상재하중을 지지하기 위한 길이 5 m 내외의 Fore poling 파일이며 이 파일의 배치간격, 시공연장, 부재의 강성 등을 산정하기 위해서는 이완영역의 적절한 산정이 필수적이다. 본 논문은 SEM공법의 최적설계를 위하여 SEM파일 압입 시 발생되는 이완하중 산정 값을 비교분석하였다. 이완영역 산정에 근거한 주요 이론식 및 경험식들의 영향인자를 고려하여 분석하고 FEM analysis (유한요소 해석)를 수행하여 SEM파일에 적합한 이완하중 산정을 검토하였다. 또한 실제 SEM파일 압입 및 굴착 시 발생되는 지반이완을 확인하기 위해 강관압입 축소모형실험을 수행하였으며 토피고/강관(H/D)에 따른 지표침하 및 지반이완을 정량적으로 검토하였다.
With the increased development in downtown underground space facilities that vertically cross under a railway at a shallow depth, the demand for non-open cut method is increasing. However, most construction sites still adopt the pipe roof method, where medium and large diameter steel pipes are press...
With the increased development in downtown underground space facilities that vertically cross under a railway at a shallow depth, the demand for non-open cut method is increasing. However, most construction sites still adopt the pipe roof method, where medium and large diameter steel pipes are pressed in to form a roof, enabling excavation of the inside space. Among the many factors that influence the loosening region and loads that occur while pressing in steel pipes, the size of the pipe has the largest impact, and this factor may correspond to the magnitude of load applied to the underground structure inside the steel pipe roof. The super equilibrium method (SEM) has been developed to minimize ground disturbance and loosening load, and uses small diameter pipes of approximately 114 mm instead of conventional medium and large diameter pipes. This small diameter steel pipe is called an SEM pile. After SEM piles are pressed in and the grouting reinforcement is constructed, a crossing structure is pressed in by using a hydraulic jack without ground subsidence or heaving. The SEM pile, which plays the role of timbering, is a fore-poling pile of approximately 5 m length that prevents ground collapse and supports surface load during excavation of toe part. The loosening region should be adequately calculated to estimate the spacing and construction length of the piles and stiffness of members. In this paper, we conducted a comparative analysis of calculations of loosening load that occurs during the press-in of SEM pile to obtain an optimal design of SEM. We analyzed the influence of factors in main theoretical and empirical formulas applied for calculating loosening regions, and carried out FEM analysis to see an appropriate loosening load to the SEM pile. In order to estimate the soil loosening caused by actual SEM-pile indentation and excavation, a steel pipe indentation reduction model test was conducted. Soil subsidence and soil loosening were investigated quantitatively according to soil/steel pipe (H/D).
With the increased development in downtown underground space facilities that vertically cross under a railway at a shallow depth, the demand for non-open cut method is increasing. However, most construction sites still adopt the pipe roof method, where medium and large diameter steel pipes are pressed in to form a roof, enabling excavation of the inside space. Among the many factors that influence the loosening region and loads that occur while pressing in steel pipes, the size of the pipe has the largest impact, and this factor may correspond to the magnitude of load applied to the underground structure inside the steel pipe roof. The super equilibrium method (SEM) has been developed to minimize ground disturbance and loosening load, and uses small diameter pipes of approximately 114 mm instead of conventional medium and large diameter pipes. This small diameter steel pipe is called an SEM pile. After SEM piles are pressed in and the grouting reinforcement is constructed, a crossing structure is pressed in by using a hydraulic jack without ground subsidence or heaving. The SEM pile, which plays the role of timbering, is a fore-poling pile of approximately 5 m length that prevents ground collapse and supports surface load during excavation of toe part. The loosening region should be adequately calculated to estimate the spacing and construction length of the piles and stiffness of members. In this paper, we conducted a comparative analysis of calculations of loosening load that occurs during the press-in of SEM pile to obtain an optimal design of SEM. We analyzed the influence of factors in main theoretical and empirical formulas applied for calculating loosening regions, and carried out FEM analysis to see an appropriate loosening load to the SEM pile. In order to estimate the soil loosening caused by actual SEM-pile indentation and excavation, a steel pipe indentation reduction model test was conducted. Soil subsidence and soil loosening were investigated quantitatively according to soil/steel pipe (H/D).
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문제 정의
본 논문에서 다루는 SEM파일 시공은 SEM공법을 이루는 구성요소 중 하나이며, 지반 내 횡단구조물을 압입하여 설치하기 전 지반의 응력을 평형상태로 유지하기 위한 주요공정이다. Fig.
8 m)에 따라 토피고/관경 비를 맞추기 위해 Φ = 40~100 mm로 다양하게 제작하였다. 본 실험을 통해 실제 강관압입 시 복합거동을 검토하고자 하였으며, 종 ․ 횡 방향별 강관 5개씩을 압입함에 따라 침하량과의 상관관계로부터 지반의 이완을 규명하고자 하였다.
본 연구는 SEM공법의 주요 구성요소인 SEM파일의 배치간격, 관경, 파일길이 등의 산정을 목표로 하고 있다. SEM파일은 구조물과 선단부의 압입 또는 굴착 시 약 1.
본 연구에서는 SEM공법의 요소 중 SEM파일의 최적설계를 위하여 SEM파일 강관 압입 시 발생되는 지반의 이완하중을 산정하였다. 각 이론식에 적용 시 SEM파일 시공을 터널의 굴착으로 간주하여 대입하였으며, 터널 지보공 설계 시 적용되는 Kommerell, Engesser, Protodyakonov, Terzaghi의 이론식을 선정하여 적용하였고 2차원 수치해석(FEM analysis)을 수행하여 산정된 이완영역 및 이완하중을 비교 검토하였다.
본 연구에서는 저토피 비개착 공법인 SEM공법 적용 시 굴착면의 붕락을 억제하며 구조물을 압입할 경우 SEM 파일이 부담하는 이완하중을 산정하기 위하여 주요 이론식과 경험식의 영향인자를 분석하였다. 고려대상으로는 지보공 설계에 범용적으로 제시되고 있는 Kommerell (1912), Protodyakonov (1968), Engesser (1882), Terzaghi(1948)의 이완영역 산정식을 대상으로 하였으며 FEM analysis 결과를 비교하였다.
가설 설정
Engesser의 식은 3힌지형 지반아치가 일부 수직압력을 지지, 나머지 수직압력과 아치 하부지반 자중을 지지하는 것으로 가정하였으며, 이완하중은 식 (11)과 같으며 산정결과는 Table 5와 같다. 이완영역의 폭 B는 원형 터널의 접선 중 양측 하단으로부터 45° + Φ/2를 이루는 선과 터널의 천단을 지나는 수평선과의 교점 간의 거리로 정의되어 있으며 식에 제시된 단위중량 γ과 내부마찰각 Φ는 앞서 언급된 풍화토의 물성치를 고려하여 20 kN/m3,30°를 적용하였다.
Protodyakonov는 원형 터널 굴착 후 생성된 포물선형 지반아치의 외측은 자립하고 내측 지반의 이완된 영역이 하중으로 작용한다고 가정하였다. 그림Fig.
제안 방법
Terzaghi는 Trapdoor실험(Terzaghi, 1946)을 통해 굴착에 따른 응력전이 현상을 규명하고 사일로 이론을 적용하여 터널에 작용하는 이완하중을 제시하였으며 이에 Terzaghi의 이론 모델 중 Fig. 6(a)와 같이 대심도 터널에 적용되는 식 (12)로 이완하중을 산정하였다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 SEM공법 자체는 저토피 구간에 적용되는 공법이나 본 연구의 목적은 공법을 이루는 하나의 요소인 Φ114 mm 소구경 강관 SEM파일 1개 압입 시의 지반이완을 선 고려하는 것이므로 Terzaghi의 대심도 터널로 고려되는 것이 바람직하다.
본 연구에서는 SEM공법의 요소 중 SEM파일의 최적설계를 위하여 SEM파일 강관 압입 시 발생되는 지반의 이완하중을 산정하였다. 각 이론식에 적용 시 SEM파일 시공을 터널의 굴착으로 간주하여 대입하였으며, 터널 지보공 설계 시 적용되는 Kommerell, Engesser, Protodyakonov, Terzaghi의 이론식을 선정하여 적용하였고 2차원 수치해석(FEM analysis)을 수행하여 산정된 이완영역 및 이완하중을 비교 검토하였다. 이 때 SEM공법 자체는 저토피 구간의 시공이 목적이지만 소구경 강관인 SEM파일 압입에 따른 이완하중 산정이 목적이므로 심도에 따른 분류가 존재하는 식들은 얕은 터널이 아닌 깊은 터널의 경우를 고려하였다.
강관의 압입과 굴착에 따른 지반이완영역 평가를 위하여 실내 토조 실험을 수행하였다. 실제 비개착공법과 유사한 지반이완을 확인하기 위해 상사율을 적용하여 모사하였으며 토피고/강관(H/D)의 비율을 2, 3, 5로 정하여 실험하였다.
3(a)의 형상으로 적용하였다. 단, 깊은 터널의 개념으로써 터널 형상에 의한 영향이 크게 고려되지 않을 것으로 판단하여 본래 Kommerell이론의 NATM터널의 형상이 아닌 원형터널의 형상으로 대체하였다. 폭 tB는 터널의 지름이 되며 원형 터널의 접선 중 양측 하단으로부터 45° + Φ/2를 이루는 선과 터널의 천단을 지나는 수평선과의 교점 간의 거리는 이완영역의 폭 B가 된다.
이 때 SEM공법 자체는 저토피 구간의 시공이 목적이지만 소구경 강관인 SEM파일 압입에 따른 이완하중 산정이 목적이므로 심도에 따른 분류가 존재하는 식들은 얕은 터널이 아닌 깊은 터널의 경우를 고려하였다. 또한 각 이론식의 터널의 형상은 NATM 및 BOX 등 다양한 형태로 이완영역을 도시하였으나, 깊은 터널의 개념으로써 터널 형상에 의한 영향이 크지 않을 것으로 판단되어 SEM파일의 형상인 원형 터널로 이완영역을 검토하였다.
이에 지보공 설계 시 보편적으로 제시되고 있는 이론식들의 적용과 FEM analysis를 통하여 산정 값을 비교하였다. 또한, Table 1과 같이 국내 터널설계 사례 및 참고문헌을 바탕으로 제시된 풍화토의 물성치를 이론식과 수치해석에 동일하게 적용하였으며 토피고는 2.0~3.5 m로 변화시켜 분석하였다.
실내 토조 사이즈를 고려하여 종방향 압입 강관직경은 Φ = 50 mm, 67 mm, 80 mm로 선정하였으며, 토피고/관경은 횡방향과 같이 저토피고를 기준으로 H/D = 2, 3, 5로 정하였다.
실내 토조 사이즈를 고려하여 횡방향 압입 강관직경은 Φ = 40 mm, 67 mm, 100 mm로 선정하였으며, 토피고/관경은 H/D = 2, 3, 5로 정리하였다.
강관의 압입과 굴착에 따른 지반이완영역 평가를 위하여 실내 토조 실험을 수행하였다. 실제 비개착공법과 유사한 지반이완을 확인하기 위해 상사율을 적용하여 모사하였으며 토피고/강관(H/D)의 비율을 2, 3, 5로 정하여 실험하였다. 강관은 알루미늄관으로 선정하였으며 실험에 사용된 지반은 강사기를 이용하여 상대밀도 80%의 표준사로 조성하였다.
실내 토조 사이즈를 고려하여 횡방향 압입 강관직경은 Φ = 40 mm, 67 mm, 100 mm로 선정하였으며, 토피고/관경은 H/D = 2, 3, 5로 정리하였다. 실제 현장에서 적용하는 강관압입 순서를 토대로 실내 실험에 적용하였으며 각 강관직경과 토피고의 비율을 고려하여 토피고는 200 mm로 조성하여 실험을 수행하였다.
압입하기 위한 강관직경은 정해진 토조 규격(1.5 m × 1.0 m × 0.8 m)에 따라 토피고/관경 비를 맞추기 위해 Φ = 40~100 mm로 다양하게 제작하였다.
원지반은 구속조건에 의한 영향을 최소화 하고자 천공경의 수평방향으로 20배 이상, 연직방향으로 18배 이상인 3 m × 2.25 m로 모델링 하였으며 구속조건은 일반적인 응력해석에 대한 지반조건으로 모델 좌/우측에 대해서는 x방향 변위구속을, 앞/뒤축에 대해서는 y방향 변위구속을, 지반 저면에 대해서는 x, y 방향 변위를 구속하였다.
SEM공법의 상재하중을 산정하기 위해서는 SEM파일 시공 시 발생하는 이완영역의 산정이 필수적이며 이때 생성되는 이완영역의 면적은 구조물에 작용하는 하중으로 볼 수 있다. 이를 위해 기존의 경험식과 이론식, FEM analysis를 반영하여 지반이완하중 산정방법에 대한 비교검토를 수행하였다. SEM공법은 토피 2.
폭 tB는 터널의 지름이 되며 원형 터널의 접선 중 양측 하단으로부터 45° + Φ/2를 이루는 선과 터널의 천단을 지나는 수평선과의 교점 간의 거리는 이완영역의 폭 B가 된다. 이에 따라 이완영역의 폭 B를 단축, 이완하중고 h를 장축으로 하는 타원을 이완영역으로 근사시킴으로써 이완면적을 산정한다. 이 때 h는 식 (1)과 같이 상부의 지표침하량 sv와 원지반 변형률 εs에 따라 정해진다.
하지만 SEM공법의 경우 지보개념의 SEM파일배치, 굴착토 제어를 위한 전면가압판, 점착력 증대를 위한 지반보강이 동시 수행되므로 체적손실을 침하의 중요인자로 고려하는 것은 적합하지 않다. 이에 지보공 설계 시 보편적으로 제시되고 있는 이론식들의 적용과 FEM analysis를 통하여 산정 값을 비교하였다. 또한, Table 1과 같이 국내 터널설계 사례 및 참고문헌을 바탕으로 제시된 풍화토의 물성치를 이론식과 수치해석에 동일하게 적용하였으며 토피고는 2.
9(b)는 그에 대한 이완하중 값을 토피고에 따라 산정하여 수치를 비교하였다. 이완영역 모델의 면적은 FEM,Terzaghi, Engesser, Kommerell, Protodykonov순으로 작아지는 것을 확인 할 수 있었으며 물성치 및 고려인자들에 대한 수치를 통일하여 적용하였으므로 이완하중의 값 역시 이에 비례한다.
고려대상으로는 지보공 설계에 범용적으로 제시되고 있는 Kommerell (1912), Protodyakonov (1968), Engesser (1882), Terzaghi(1948)의 이완영역 산정식을 대상으로 하였으며 FEM analysis 결과를 비교하였다. 최종적으로 실제 SEM파일 압입 및 굴착 시 발생되는 지반이완을 확인하기 위해 강관압입 축소모형실험을 수행하였으며 토피고/강관(H/D)에 따른 지표침하 및 지반이완을 정량적으로 검토하였다.
대상 데이터
실제 비개착공법과 유사한 지반이완을 확인하기 위해 상사율을 적용하여 모사하였으며 토피고/강관(H/D)의 비율을 2, 3, 5로 정하여 실험하였다. 강관은 알루미늄관으로 선정하였으며 실험에 사용된 지반은 강사기를 이용하여 상대밀도 80%의 표준사로 조성하였다. 압입하기 위한 강관직경은 정해진 토조 규격(1.
본 연구에서는 저토피 비개착 공법인 SEM공법 적용 시 굴착면의 붕락을 억제하며 구조물을 압입할 경우 SEM 파일이 부담하는 이완하중을 산정하기 위하여 주요 이론식과 경험식의 영향인자를 분석하였다. 고려대상으로는 지보공 설계에 범용적으로 제시되고 있는 Kommerell (1912), Protodyakonov (1968), Engesser (1882), Terzaghi(1948)의 이완영역 산정식을 대상으로 하였으며 FEM analysis 결과를 비교하였다. 최종적으로 실제 SEM파일 압입 및 굴착 시 발생되는 지반이완을 확인하기 위해 강관압입 축소모형실험을 수행하였으며 토피고/강관(H/D)에 따른 지표침하 및 지반이완을 정량적으로 검토하였다.
실내 토조 사이즈를 고려하여 종방향 압입 강관직경은 Φ = 50 mm, 67 mm, 80 mm로 선정하였으며, 토피고/관경은 횡방향과 같이 저토피고를 기준으로 H/D = 2, 3, 5로 정하였다. 따라서 토피고는 160 mm, 200 mm, 250mm로 조성하였으며. 아래 그림8.
이론/모형
SEM파일의 형상을 Beam요소로 모델링하는 해석기법 도입을 통해 2차원 해석을 수행하였다. 관경 114.
대심도 터널적용의 입증을 위하여 Table 6과 같이 Rose (1982)에 의해 수정된 Terzaghi의 암반분류표에서 모래와 자갈에 해당하는 이완하중고 H1을 산정하였다. SEM파일이 최저토피인 2.
이 때, 상부표면의 횡단면 지표침하량 sv는 Clough and Schmidt의 식을 적용하여 산정하였다(Lee et al., 1992). Fig.
25 m로 모델링 하였으며 구속조건은 일반적인 응력해석에 대한 지반조건으로 모델 좌/우측에 대해서는 x방향 변위구속을, 앞/뒤축에 대해서는 y방향 변위구속을, 지반 저면에 대해서는 x, y 방향 변위를 구속하였다. 지반의 재료 모델로는 Mohr-Coulomb모델을 사용하였으며 해석 프로그램으로는 MIDAS GTS NX를 사용하였다.
성능/효과
Engesser의 이완영역 및 하중은 터널의 형상이나 크기 또는 지반단위중량, 내부마찰각으로부터 받는 영향에 비해 토피별 차이가 매우 적은 것으로 나타났다. 토피 3.
Terzaghi와 Protodyakonov는 토피별 이완하중이 모두 동일하게 산정되어 토피고에 따른 영향이 없는 것으로 확인되었으며, FEM 해석과 Engesser는 토피고가 증가함에 따라 이완하중이 증가하는 경향을 보였다. FEM analysis에 비해 Engesser는 이완하중이 증가하는 범위가 매우 미세하므로 발파파쇄영역에 의한 이완하중을 비교적 크게 고려한 산정식 임을 확인 할 수 있었으며 SEM파일 압입 시 발생되는 이완하중에 대한 검토에는 다소 부적합한 것으로 사료된다.
SEM파일이 최저토피인 2.0 m에 압입된다고 가정할 시 H1이 H/5인 0.4 m에 미치지 못하므로 대심도 터널의 적용범위인 H1 < H/5을 만족하는 것으로 나타났다.
Terzaghi와 Protodyakonov는 토피별 이완하중이 모두 동일하게 산정되어 토피고에 따른 영향이 없는 것으로 확인되었으며, FEM 해석과 Engesser는 토피고가 증가함에 따라 이완하중이 증가하는 경향을 보였다. FEM analysis에 비해 Engesser는 이완하중이 증가하는 범위가 매우 미세하므로 발파파쇄영역에 의한 이완하중을 비교적 크게 고려한 산정식 임을 확인 할 수 있었으며 SEM파일 압입 시 발생되는 이완하중에 대한 검토에는 다소 부적합한 것으로 사료된다.
강관압입 축소모형실험 결과 토피고/강관(H/D)의 비율이 증가할수록 침하량이 저감되는 것을 확인하였다. 또한 종방향 강관압입 시 횡방향 강관압입 경우보다 지반이완이 쉽게 발생하는 것을 파악하였다.
그래프 해석 결과 Fig. 11과 같이 H/D = 3에서 최대 침하량은 약 80 mm로, H/D = 2일 때보다 약 44.8% 정도 감소하였고, H/D = 5에서 최대 침하량은 약 20 mm로 , H/D = 2일 때 보다 약 86.2% 정도 감소하는 형태를 나타내었다. 전체적으로 비교하였을 때 종방향 또한 횡방향과 비슷한 형태로, 토피고와 강관 직경의 비가 커질수록 지반침하량 및 이완영역이 감소하는 경향을 볼 수 있었다.
10과 같이 토피고/강관에 따른 침하량을 수치화하여 그래프로 나타내었다. 그래프와 같이 H/D = 3에서 최대 침하량은 약 30 mm로, H/D = 2일 때보다 약 62.5% 정도 감소하였고, H/D = 5에서 최대 침하량은 약 10 mm로, H/D = 2일 때 보다 약 87.5% 정도 감소하는 형태를 나타내었다. 전체적으로 비교하였을 때 토피고에 따른 강관의 직경이 작을수록 침하량 및 이완영역이 감소하는 경향을 볼 수 있었다.
이완영역의 범위는 Terzaghi가 가장 넓은 영역을 대상으로 보았으며 Kommerell, Protodyakonov, Engesser는 그 차이가 크지 않다. 다만 토피조건을 변화시키면 그 차이는 점차 증가함을 확인하였다.
345kN으로 이완하중의 영역차이를 명확히 확인 할 수 있다. 또한 이론식 중에서 Terzaghi의 이완하중이 비교적 과다하게 설계되는 것으로 비교되었으나 지반 물성치 및 고려 인자가 다수 반영되는 FEM analysis결과는 Terzaghi와 유사한 결과를 보임으로써 신뢰성 있는 하중 값으로 판단되었다.
강관압입 축소모형실험 결과 토피고/강관(H/D)의 비율이 증가할수록 침하량이 저감되는 것을 확인하였다. 또한 종방향 강관압입 시 횡방향 강관압입 경우보다 지반이완이 쉽게 발생하는 것을 파악하였다.
본 논문에서 이완영역 검토의 목적은 SEM파일 시공을 위한 천공 시 발생되는 상부지반의 이완하중을 고려한 최적 지보설계이므로 굴착면 바닥을 기준으로 하부에 발생하는 이완영역은 고려하지 않았으며 변형발생의 범위의 선택은 산정된 이론식들의 결과 값에 비추어 보아 10-4 mm 이하의 미소변위를 보이는 구간을 제외한 관경 150mm 굴착면적의 0.026%의 발생변위를 범위로 선택하는 것이 적합할 것으로 판단하였다. 비교검토를 위하여 설정한 이완영역의 범위는 그림 Fig.
7과 같다. 본 해석은 탄소성 해석 모델로서 미세한 변형까지 고려되어 이론식의 이완영역 모델보다 넓은 영역으로 모델링 되었다. 또한, 하부영역의 이완영역 역시 해석되므로 각 이론식과의 비교 검토를 하기 위한 범위 설정이 필요하다.
산정된 이완하중 값들을 종합적으로 검토해보면 Fig. 9(b)와 같이 토피고에 따른 이완하중 산정 시 FEM Analysis와 Terzaghi의 값이 7.48~10.17 kN으로 확인된 반면, Engesser, Protodyakonov, Kommerell의 값은 0.97~2.345kN으로 이완하중의 영역차이를 명확히 확인 할 수 있다. 또한 이론식 중에서 Terzaghi의 이완하중이 비교적 과다하게 설계되는 것으로 비교되었으나 지반 물성치 및 고려 인자가 다수 반영되는 FEM analysis결과는 Terzaghi와 유사한 결과를 보임으로써 신뢰성 있는 하중 값으로 판단되었다.
Protodyakonov의 이완영역은 지표침하량과 관련이 없으며 토피고의 영향을 받지 않는다. 오직 터널의 크기에 의해 이완하중고 및 이완면적이 결정되므로 지반단위중량, 내부마찰각 값의 변화가 없다면 토피고 별 이완하중 산정 값은 동일한 것으로 확인되었다.
각 이론식의 특징에 따라 고려된 인자들이 서로 상이하나 이완하중 산정에 있어 필수적인 요소는 터널의 폭과 이에 근거한 이완영역의 폭, 지반의 내부마찰각임을 알 수 있다. 이론식 중 Kommerell이 이완영역 및 이완하중 산정에 있어 가장 많은 요소를 고려하였으며 Terzaghi의 대심도 터널 이론식에 적용되는 고려 요소가 가장 적었다.
으로 동일하게 산정되었다. 이론식에서도 알 수 있듯이 토피의 영향을 받지 않으며 터널 크기에 따른 이완영역의 폭과 지반 단위중량이 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
2% 정도 감소하는 형태를 나타내었다. 전체적으로 비교하였을 때 종방향 또한 횡방향과 비슷한 형태로, 토피고와 강관 직경의 비가 커질수록 지반침하량 및 이완영역이 감소하는 경향을 볼 수 있었다.
5% 정도 감소하는 형태를 나타내었다. 전체적으로 비교하였을 때 토피고에 따른 강관의 직경이 작을수록 침하량 및 이완영역이 감소하는 경향을 볼 수 있었다.
후속연구
각 모델에 의한 이완영역 및 그래프의 양상은 상당한 차이를 보이며 매개변수의 선택과 적용방법이 각기 달라 지반의 주요 이론식을 근거로 이완영역을 명확히 규명하는 것은 불가능하며 토질조건별, 토피별 실험을 수행하여 차이점에 대한 파악이 가능할 것으로 판단된다.
이는 토피고가 깊어질수록 천단 상부지반에서 지반아치가 형성되어 하중이 주변지반으로 전이됨에 따라 지반이 안정되는 것으로 분석할 수 있다. 다만 실제 시공 시 지반 이완영역을 발생시키는 원인은 다양하므로 향후 SEM파일 시공에 따른 지반이완영역을 정확하게 평가하기 위해서는 정밀 현장계측 수행이 이루어져야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
차세대 지하횡단공법이란 무엇인가?
차세대 지하횡단공법(Super Equilibrium Method, SEM)은 비개착 지하횡단 구조물 시공을 위한 도심지 저토피 구간 굴착 시 상부 변위 발생에 대응할 수 있도록 개발된 공법이다. 기존 대다수의 공법은 중대구경 강관을 압입하여 형성된 루프의 내부를 굴착하는 파이프 루프 계열의 공법이 주를 이루고 있으나 SEM공법은 소구경 강관을 적용한다.
SEM파일의 역할은?
본 연구는 SEM공법의 주요 구성요소인 SEM파일의 배치간격, 관경, 파일길이 등의 산정을 목표로 하고 있다. SEM파일은 구조물과 선단부의 압입 또는 굴착 시 약 1.2~1.6 m 구간 내 선단부 붕락면의 갑작스러운 붕괴를 방지하여야 한다. 통상 시공되는 파이프루프 형태의 비개착 공법들은 강관루프가 상재하중을 상당부분 분담함에도 불구하고 본체 구조물 설계 시 강관루프의 자중과 상재하중을 모두 고려하여 하중을 과다 산정하는 경향이 있다.
차세대 지하횡단공법의 기존 대다수의 공법과 차이점은?
차세대 지하횡단공법(Super Equilibrium Method, SEM)은 비개착 지하횡단 구조물 시공을 위한 도심지 저토피 구간 굴착 시 상부 변위 발생에 대응할 수 있도록 개발된 공법이다. 기존 대다수의 공법은 중대구경 강관을 압입하여 형성된 루프의 내부를 굴착하는 파이프 루프 계열의 공법이 주를 이루고 있으나 SEM공법은 소구경 강관을 적용한다.
참고문헌 (9)
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