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문제 정의
- 본 연구에서는 복층터널 분기부 시공 시 적용이 가능한 공법으로 강연선을 사용한 loop형태로 필라부를 구속함으로써 다축 방향으로 구속력을 발휘할 수 있는 보강공법을 제시하였다. 검증을 위하여 실제 복층터널 필라 형성부와 복층터널 상·하부에서의 분기부를 각각 모델링하여 수치해석을 수행하였다.
제안 방법
- 검증을 위하여 실제 복층터널 필라 형성부와 복층터널 상·하부에서의 분기부를 각각 모델링하여 수치해석을 수행하였다.
- 이에 본 연구에서는 강연선을 loop 형태로 하여 다축 방향으로 구속력을 가할 수 있는 보강공법을 복층터널 분기부에 적용하고 수치해석을 통해 효과를 분석하였다. 기존 보강 방법과의 비교를 위하여 2차원 보강이 수행되는 지압판 + Tie 보강방법과 일반 loop형 보강, 입체 loop 보강방법을 개발하여 각각의 보강효과를 비교하였으며 보강효과가 발휘되는 최소 필라폭도 확인하였다(Lee et al., 2015; Park et al., 2016).
- 본 연구에서는 기존의 보강방안인 Tie를 이용한 필라부 보강방법과 본 연구에서 제시된 loop형 보강방법, 3차원 입방체형 보강 방법에 대해 각각 수치해석을 수행하여 비교함으로써 필라부 보강효과를 확인하고 보강효과간의 차이를 분석하였다.
- 본 해석에 적용된 유한요소망은 본선터널과 램프터널의 3차원적 형상을 모사하였다. 본선터널의 높이는 14.
- 본선터널 굴착 후 램프터널 굴착시 필라부 안정성 검토를 유한요소법으로 해석하기 위하여 해석범위를 굴착 영향이 없는 영역까지 고려하여 모델링하였으며, 본선 및 램프터널의 3차원적 효과를 고려하기 위해 3차원 해석을 실시하였다. 본 해석에 사용된 수치해석 프로그램은 네덜란드 델프트공대에서 개발한 PLAXIS 3D를 사용하였다.
- 상기에 제시한 하부 우측분기부, 상부 좌측분기부 모델링과 같이 복층터널 분기부를 모델링하여 해석을 수행하였고 추가로 3차원 입방체형 강선 보강 모델도 수치해석을 수행하였다.
- 시공방법은 본선터널 굴착 → 지반 보강재(loop 강선) 삽입구멍 천공 → 강관삽입 및 그라우팅 → 램프터널 굴착 → loop 강선 설치 및 조임 순이다.
- 검증을 위하여 실제 복층터널 필라 형성부와 복층터널 상·하부에서의 분기부를 각각 모델링하여 수치해석을 수행하였다. 이를 통해 적정 필라폭 확보에 대한 방안을 제시하였고 보강효과에 대한 수치해석 검증을 통해 실제 현장 적용 전 복층터널 분기부를 보강할 수 있는 시공방법의 보강효과를 확인하였다.
- 하지만 접속부 시공 시 형성되는 필라부는 본선터널과 분기터널간의 상호 간섭효과에 의해 응력집중이 발생되는 구간으로 지중 내 시공 시 정밀시공이 요구되며 사전 보강도 다른 구간보다 더 수행되어야 안정성 확보가 가능하다. 이에 본 연구에서는 강연선을 loop 형태로 하여 다축 방향으로 구속력을 가할 수 있는 보강공법을 복층터널 분기부에 적용하고 수치해석을 통해 효과를 분석하였다. 기존 보강 방법과의 비교를 위하여 2차원 보강이 수행되는 지압판 + Tie 보강방법과 일반 loop형 보강, 입체 loop 보강방법을 개발하여 각각의 보강효과를 비교하였으며 보강효과가 발휘되는 최소 필라폭도 확인하였다(Lee et al.
- 각 재료에 적용된 요소와 모델은 아래와 같다. 지압판 + 보강재 보강공법은 현재 150 kN으로 인장력을 주고 있으므로 이를 반영하였고 loop형 모델은 횡방향 구속 효과를 고려하여 100 kN 으로 저감시켜 적용하였다.
- 7 참조). 터널 굴착은 본선터널을 TBM으로 굴진이 완료된 상태(변위 초기화)에서 NATM 방식의 부분 굴착으로 분기부 시공이 진행되는 것으로 해석을 수행하였다.
- 해석종류는 본선터널과 램프터널 사이의 필라부 보강공법 및 분기방향에 따라 총 6개의 해석을 실시하였다(Table 5 참조).
대상 데이터
- 본 해석에 적용된 유한요소망은 본선터널과 램프터널의 3차원적 형상을 모사하였다. 본선터널의 높이는 14.4 m, 폭은 14.4 m이며 종단경사가 일정한 직선형 터널이며, 램프터널의 높이는 6.1 m, 폭은 8.2 m이며 종단경사는 10%, 곡률반경 16,000 m인 곡선형 터널이다. Fig.
이론/모형
- 본 연구에서 적용한 암반물성은 “암반분류에 따른 물성”과 “국내의 터널 설계 적용사례” 등 종합적으로 고려하여 산정한 Choi (2012)의 암반물성을 적용하였다. 그리고 굴착방법 및 지보설계는 국내에서 일반적으로 적용하는 한국도로공사의 표준지보패턴을 적용하였다(Table 1~4 참조).
- 값으로 비교적 간단히 표현하는 완전 탄소성 Mohr-Coulomb 항복이론이 적합한 것으로 알려져 있다. 따라서 본 해석에서는 지반모델을 Mohr-Coulomb으로 모델링 하여 지반거동을 예측하였다.
- 본 연구에서 적용한 암반물성은 “암반분류에 따른 물성”과 “국내의 터널 설계 적용사례” 등 종합적으로 고려하여 산정한 Choi (2012)의 암반물성을 적용하였다.
- 본선터널 굴착 후 램프터널 굴착시 필라부 안정성 검토를 유한요소법으로 해석하기 위하여 해석범위를 굴착 영향이 없는 영역까지 고려하여 모델링하였으며, 본선 및 램프터널의 3차원적 효과를 고려하기 위해 3차원 해석을 실시하였다. 본 해석에 사용된 수치해석 프로그램은 네덜란드 델프트공대에서 개발한 PLAXIS 3D를 사용하였다.
성능/효과
- 1. Type IV-A_UJ와 Type IV-A_LJ의 경우, 필라폭이 1.0 m 이하일 경우 강도 증가효과는 없으며, 필라폭이 1.0 ~ 2.27 m일 때에는 (강도/응력) 비율은 각각 14% (1.14) 및 6% (1.06), 필라폭이 2.27 m 이상일 때에 (강도/응력) 비율은 각각 10% (1.10) 및 11% (1.11)으로, 평균 증가비율은 각각 10% (1.10) 및 6% (1.06)으로 나타났다.
- 2. Type IV-C_UJ와 Type IV-C_LJ의 경우, 필라폭이 1.0 m 이하일 경우 강도증가 효과는 없으며, 필라폭이 1.0~2.27m일 때의 (강도/응력) 비율은 각각 37% (1.37) 및 11% (1.11)으로, 필라폭이 2.27 m 이상일 때 (강도/응력) 비율은 각각 29% (1.29) 및 26% (1.26)으로, 평균 증가비율은 각각 29% (1.29) 및 19% (1.19)으로 나타났다.
- 3. Fig. 13의 해석 결과로 추정하여 볼 때 복층터널 분기부의 최소 필라폭이 2.3 m (0.15D) 이상은 확보되어야 필라 보강 효과가 있음을 확인하였다.
- 4. 복층터널 분기부 시공 시 loop형 보강재의 보강효과를 수치해석을 통하여 검증하였으며 실 현장 적용 전 추정된 보강효과를 기준으로 개발된 보강재의 보강효과를 확인하였다.
- Type IV-A_UJ와 Type IV-A_LJ의 경우, 필라폭이 1.0 m 이하일 경우 강도증가 효과가 미미하며, 필라폭이 1.0~2.27 m일 때에는 (강도/응력) 비율은 각각 14% (1.14) 및 6% (1.06)로, 필라폭이 2.27 m 이상일 때 (강도/응력) 비율은 각각 10% (1.10) 및 11% (1.11)으로, 평균 증가비율은 각각 10% (1.10) 및 6% (1.06)으로 나타났으며 특히 상부 분기 보강효과가 크게 나타나고 있음을 알 수 있었다.
- Type IV-C_UJ와 Type IV-C_LJ의 경우, 필라폭이 1.0 m 이하일 경우 강도증가 효과는 없으며, 필라폭이 1.0~2.27 m일 때에는 (강도/응력) 비율이 각각 37% (1.37) 및 11% (1.11)으로, 필라폭이 2.27 m 이상일 때에는(강도/응력) 비율은 각각 29% (1.29) 및 26% (1.26)으로, 평균 증가비율은 각각 29% (1.29) 및 19% (1.19)으로 나타났으며 특히 상부 분기 보강효과가 큰 것으로 판단된다.
- 따라서 기존 공법 대비 개발된 loop 형 보강 공법의 구속효과가 있는 것으로 해석되었다.
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