국내 도시철도 노선은 이용자의 접근을 편리하게 하기 위하여 주거단지 및 도심지 인근 지역에 시공되는 사례가 많다. 도시 인구 증가로 인하여 교통망 확충과 재건축 등이 지속적으로 이루어짐에 따라 도시철도 인접 지역 굴착이 불가피하며 굴착 시 발생하는 지반 응력 및 지하수위 변화는 도시철도 궤도틀림을 유발한다. 이에 본 논문에서는 삼차원 유한차분 해석 상용프로그램 FLAC3D를 이용하여 도시철도 인접지반 대규모 굴착 시 지하수위에 따른 굴착 부 벽체 수평변위 및 배면지반의 침하와 궤도틀림량 산정 후 이들의 상관관계를 분석하고 궤도틀림 및 지하 박스구조물 안정성 평가를 실시하였다. 그 결과 깊은 굴착 시 지하수위에 따른 궤간틀림은 매우 미소하게 발생하였으나 줄틀림 72.5%, 수평틀림 83.3%, 면틀림 61.9%, 평면성틀림 43.3%로서 상대적으로 큰 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 또한, 흙막이 벽체의 최대 수평 변위 및 벽체 배면 침하 차는 각각 65.1%, 21.4%가 발생하는 것으로 나타났으며 지하수위가 지표면에 위치한 경우 지하 박스구조물의 인장 응력이 허용 기준을 초과하는 것으로 나타났다. 그러므로 도시철도 구조물에 인접하여 깊은 굴착이 시공된 경우 궤도틀림으로 인한 사고를 미연에 방지하기 위해 본 연구에서 수행한 삼차원 수치해석과 실시간 모니터링을 실시하는 것이 바람직하다.
국내 도시철도 노선은 이용자의 접근을 편리하게 하기 위하여 주거단지 및 도심지 인근 지역에 시공되는 사례가 많다. 도시 인구 증가로 인하여 교통망 확충과 재건축 등이 지속적으로 이루어짐에 따라 도시철도 인접 지역 굴착이 불가피하며 굴착 시 발생하는 지반 응력 및 지하수위 변화는 도시철도 궤도틀림을 유발한다. 이에 본 논문에서는 삼차원 유한차분 해석 상용프로그램 FLAC3D를 이용하여 도시철도 인접지반 대규모 굴착 시 지하수위에 따른 굴착 부 벽체 수평변위 및 배면지반의 침하와 궤도틀림량 산정 후 이들의 상관관계를 분석하고 궤도틀림 및 지하 박스구조물 안정성 평가를 실시하였다. 그 결과 깊은 굴착 시 지하수위에 따른 궤간틀림은 매우 미소하게 발생하였으나 줄틀림 72.5%, 수평틀림 83.3%, 면틀림 61.9%, 평면성틀림 43.3%로서 상대적으로 큰 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 또한, 흙막이 벽체의 최대 수평 변위 및 벽체 배면 침하 차는 각각 65.1%, 21.4%가 발생하는 것으로 나타났으며 지하수위가 지표면에 위치한 경우 지하 박스구조물의 인장 응력이 허용 기준을 초과하는 것으로 나타났다. 그러므로 도시철도 구조물에 인접하여 깊은 굴착이 시공된 경우 궤도틀림으로 인한 사고를 미연에 방지하기 위해 본 연구에서 수행한 삼차원 수치해석과 실시간 모니터링을 실시하는 것이 바람직하다.
Urban railway lines have been constructed adjacent to residential buildings and urban areas. The expansion of transportation networks and reconstruction of residential buildings in highly populated urban areas require deep excavations in areas adjacent to urban railways. Mobilized soil stresses and ...
Urban railway lines have been constructed adjacent to residential buildings and urban areas. The expansion of transportation networks and reconstruction of residential buildings in highly populated urban areas require deep excavations in areas adjacent to urban railways. Mobilized soil stresses and changes in the groundwater level induced by deep excavations results in track irregularities in urban railways. In this study, a three-dimensional finite difference model using the commercial program FLAC3D was adopted to estimate the horizontal displacements of earth retaining structures, settlements of backfill, the stability of track irregularity and underground box structure based on the criteria of each railway organization and its relationships. In deep excavations, a change in groundwater level induces relatively very small differences for track gauge irregularities, whereas relatively large differences for longitudinal irregularities of 72.5%, twist irregularities of 83.3%, cross level irregularities of 61.9%, and alignments of 43.3% were found to be the maximum differences when the horizontal displacement of earth retaining wall and settlement of backfill were 65.1% and 21.4%, respectively, because the groundwater level (GWL) on the ground surface-mobilized tensile strength of the underground box structure exceeds the allowable value. Therefore, three-dimensional numerical analysis was performed in this study. Overall, real-time monitoring should be carried out to prevent railway accidents in advance when a deep excavation adjacent to urban railway structures is constructed.
Urban railway lines have been constructed adjacent to residential buildings and urban areas. The expansion of transportation networks and reconstruction of residential buildings in highly populated urban areas require deep excavations in areas adjacent to urban railways. Mobilized soil stresses and changes in the groundwater level induced by deep excavations results in track irregularities in urban railways. In this study, a three-dimensional finite difference model using the commercial program FLAC3D was adopted to estimate the horizontal displacements of earth retaining structures, settlements of backfill, the stability of track irregularity and underground box structure based on the criteria of each railway organization and its relationships. In deep excavations, a change in groundwater level induces relatively very small differences for track gauge irregularities, whereas relatively large differences for longitudinal irregularities of 72.5%, twist irregularities of 83.3%, cross level irregularities of 61.9%, and alignments of 43.3% were found to be the maximum differences when the horizontal displacement of earth retaining wall and settlement of backfill were 65.1% and 21.4%, respectively, because the groundwater level (GWL) on the ground surface-mobilized tensile strength of the underground box structure exceeds the allowable value. Therefore, three-dimensional numerical analysis was performed in this study. Overall, real-time monitoring should be carried out to prevent railway accidents in advance when a deep excavation adjacent to urban railway structures is constructed.
현재 열차 운행에 따른 궤도틀림 특성 및 기준 분석 그리고 굴착 시공으로 인한 벽체 및 인접 구조물 위험성 예측에 관한 연구가 활발하게 이루어졌으나 도시철도 인접지역 대규모 굴착 및 지하수위에 따른 궤도틀림, 굴착부 벽체 및 배면 변위의 상관관계 분석에 관한 연구는 이루어지지 않았다. 그러므로 본 논문에서는 삼차원 유한차분 해석 프로그램 FLAC3D를 이용하여 국내 도시철도에 시공된 박스형 터널, 저진동 방진 궤도(Low Vibration Track (L.V.T.)), 굴착 현장에서 많이 사용하는 흙막이 벽체(토류벽, C.I.P, Strut)를 적용하여 도시철도 인접지반 대규모 굴착 시 다양한 지하수위에 따른 궤도틀림 및 박스구조물 안정성 평가와 굴착 부 벽체 수평변위, 배면 침하의 상관관계를 분석하였다.
제안 방법
궤도틀림은 차량 운행 시 주행안정성과 승차감에 지대한 영향을 미치는 위험인자로서 최근 급증하는 도심지굴착 공사로 인하여 그 위험성이 증대되고 있다. 본 연구에서는 지하수위에 따른 굴착 부 벽체 변형 및 배면 지반의 침하와 궤도 틀림량 산정 후 이들의 상관관계를 분석하고 각 기관별 궤도틀림 기준에 따른 안정성 평가를 수행 하였으며 깊은 굴착 시 지하수위에 따른 도시철도 지하 박스구조물의 안전성을 평가하였다. ;
대상 데이터
본 연구에서는 도시철도 인접지반 깊은 굴착 시 깊은 굴착과 지하수위 변화에 따른 궤도틀림 안정성 평가를실시하기 위하여 상용프로그램인 유한차분해석 프로그램 FLAC3D를 이용하였으며 Mohr- Coulomb 파괴모델을 적용하였다[19]. 수치해석 모델의 크기는 경계조건의 영향을 고려하여 폭 210m, 깊이 70m, 길이 50m 이며 굴착은 최대 구조물 상대 변위를 발생시키기 위하여 폭20m, 길이 25m, 최대 깊이 38.6m의 크기로 시공하였다. 전체 해석 모델의 좌·우 측면과 정면 및 후방은 수평 방향으로 구속하였으며 하부는 수직 방향으로 구속하였다.
데이터처리
4m를 적용, 6단계에 걸쳐 진행하였으며 벽체의 지중 근입비는 풍화토 평균 지중 근입 깊이(50∼ 100cm)에 속하는 10%(64cm)를 적용하였다. 지하수위에 따른 굴착 부 벽체 및 배면, 궤도의 변형을 파악하기위해 총 6가지 모델의 수치해석을 수행하였으며 지중에 지하수가 존재하지 않는 경우(Case Ⅰ)와 지반 전체가 포화된 경우(Case Ⅱ), 그리고 지표면 기준 3m(Case Ⅲ), 9m(Case Ⅳ), 20m(Case Ⅴ), 40m(Case Ⅵ) 하부에 지하수위가 위치한 경우의 수치해석을 수행 하였다. Fig.
이론/모형
본 연구에서는 도시철도 인접지반 깊은 굴착 시 깊은 굴착과 지하수위 변화에 따른 궤도틀림 안정성 평가를실시하기 위하여 상용프로그램인 유한차분해석 프로그램 FLAC3D를 이용하였으며 Mohr- Coulomb 파괴모델을 적용하였다[19]. 수치해석 모델의 크기는 경계조건의 영향을 고려하여 폭 210m, 깊이 70m, 길이 50m 이며 굴착은 최대 구조물 상대 변위를 발생시키기 위하여 폭20m, 길이 25m, 최대 깊이 38.
성능/효과
굴착 부 벽체 최대 수평 변위는 지하수가 지표면에 있는 경우, 지하수가 없는 경우보다 65.1% 큰 변위가 발생하였으며 지하수위 하강 시 벽체에 가해지는 수압이 감소하여 수평변위 또한 선형적으로 감소하는 것으로 나타났다. ;
지하수위에 따른 굴착 부 벽체 배면 침하량은 21.4%의 차이가 발생하였으며 벽체로부터 이격거리가 증가할수록 침하량이 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 발생한 벽체 최대 평균 침하량 (0.
지하수위에 따른 궤도틀림 변위 발생은 평면성틀림과 수평틀림에는 큰 영향을 미치지 않으나 줄틀림과 면틀림변위는 크게 발생하여 일부 도시철도 운용기관의 허용기준을 초과하는 것으로 나타났다. 또한, 수평틀림과 줄틀림의 경우 지반에 지하수가 있는 경우, 지하수가 없는경우보다 변위가 각각 최대 83.
후속연구
도시철도 지하 박스구조물 또한 지하수위가 지표면에 근접할수록 안전율이 감소하였고 특히, 인장응력의 경우 지하수위가 지표면에 위치할 경우 0.98, 지하수위가 지표면 하부 3m, 9m에 존재할 경우 1.1이하의 안전율을 확보 하여 박스구조물의 안전 대책이 필요함을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인력 검측 방법의 단점은?
인력 검측은 측정 인원이 10m의 궤도틀림 측정용 줄자를 이용해 각각의 궤도틀림 정의에 부합하는 변위를 직접 측정하는 방법이다. 인력 검측 방법은 측정 시간이 길다는 점과 인력 과다 소모 단점이 있다. 차량 검측은 관성법과 중앙종거법 두 가지 측정 방법이 있다.
흙막이 벽체 및 벽체 배면의 변형의 원인 세가지는 무엇인가?
흙막이 벽체 및 벽체 배면의 변형 원인은 크게 세 가지로 나뉜다. 첫 번째 원인은 굴착 부 벽체와 주변지반의 물리적 상호작용으로 인한 것이며 두 번째는 벽체의 자중 및 강성 등으로 인한 변형, 세 번째는 벽체의 이음부 및 틈을 통하여 유실되는토사와 지하수에 의한 변형이다[21].
궤도틀림(Track irregularity)이란?
궤도틀림(Track irregularity)은 열차의 반복하중 및 구조물의 변형으로 인하여 궤도의 주행면에 발생하는 부정합을 의미한다. 궤도틀림은 크게 궤간틀림, 줄틀림, 면틀림, 수평틀림, 평면성틀림으로 구성되어있다.
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