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SEM파일의 이완하중 산정방법별 이완하중량 비교 연구
A study on the comparison by the methods of estimating the relaxation load of SEM-pile 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.20 no.3, 2018년, pp.543 - 560  

김형규 (서울과학기술대학교 철도전문대학원 글로벌철도시스템학과, (주)특수건설 기업부설 연구소) ,  박은형 ((주)특수건설 기업부설연구소) ,  조국환 (서울과학기술대학교 철도전문대학원 글로벌철도시스템학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (9)

  1. Engesser, F. (1882), Uber den Erddruck gegen innere stutzwande, Deutsche Bauzeitung: 36, Geotechnique 30, No. 4, 397-416. 

  2. Kommerell, O. (1912), Grundlagen fur die statische Berechnung von Tunnelmauerwerk, 2. Aufl. Ernst & Sohn, Berlin, pp. 705-715. 

  3. Leca, E., New, B. (2007), "Settlements induced by tunnelling in soft ground, ITA Report 2006", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 22, No. 2, pp.119-149. 

  4. Lee, K.M., Rowe, R.K., Lo, K.Y. (1992), "Subsidence owing to tunnelling. I. Estimating the gap parameter," Canadian Geotechnical Journal, Vol. 29, No. 6, pp. 929-940. 

  5. Protodyakonov, M. (1968), Mechanical Properties of Rocks, Rock Mechanics, Berlin, pp. 379-387. 

  6. Rose, D. (1982), "Revising Terzaghi's tunnel rock load coefficient", Proceedings of the 23rd U.S. Symposium on Rock Mechanics, AIME, New, Berkeley, pp. 669-674. 

  7. Rowe, R.K., Lee, K.M. (1992), "Subsidence owing to tunnelling. II. Evaluation of a prediction technique," Canadian Geotechnical Journal, Vol. 29, No. 6, pp. 941-954. 

  8. Terzaghi, K. (1946), "Rock Defects and Loads on Tunnel Support", Rock Tunneling with Steel Supports, eds. R. V. Proctor and T. White, Com-mercial Shearing Co., Youngstown, Ohio, USA, pp. 15-99. 

  9. Terzaghi, K. (1948), Theoretical Soil Mechanics, John Wiley & Sons, Wien, pp. 379-386. 

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