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암반 등급 경계가 터널 안정성에 미치는 영향에 관한 수치해석적 연구
A numerical study of the influence of rock mass classes boundary on tunnel stability 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.21 no.6, 2019년, pp.825 - 835  

김겸연 (한국철도시설공단 호남본부) ,  정찬묵 (우송대학교 철도토목시스템공학과) ,  이용준 (단우기술단 지반공학부)

초록
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터널 설계 시 조사를 통하여 지반을 여러 개의 등급으로 분류한 후 지보패턴표에 따라 해당 지보시스템을 적용하게 된다. 그러나 암반 등급을 기준으로 한 단순한 패턴 적용방식은 암반 등급 경계부에서 발생하는 종방향 응력 전이를 고려하지 못한다. 본 연구는 NATM 터널의 종방향 암반 등급 변화부에서 응력 변화를 추정하기 위한 3차원 수치해석을 실시하였으며 Influence Line (영향선) 및 Trend Line (경향선)을 이용하여 하중전이 영향권을 파악하고자 하였다. 연구 결과 터널 굴착방향으로 암반 등급이 하향 변화하면 등급변화 경계를 중심으로 강성이 약한 암반에서 강성이 큰 암반 방향으로 0.35~0.7D 범위에서 응력 전이가 발생하며 이를 고려하여 암반 등급의 종방향 하향 변화부에서는 연구결과의 0.35~0.7D 영향권을 감안하여 안전측으로 1.0D 정도의 하향패턴을 추가 적용하는 것이 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

When the tunnel is designed, the ground is classified into several grades and the corresponding support system is applied according to the support pattern table. However, a simple pattern application based on rock grade does not take into account the longitudinal stress transitions occurring at rock...

주제어

#암반 등급   #등급 변화 경계   #영향선   #경향선   #응력 전이  

표/그림 (11)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 3차원 해석을 통하여 양호한 상태와 불량한 상태의 경계에서 불량한 방향으로 터널을 굴착할 경우에 경계에서 발생하는 변위와 재보재 응력 변화 영향을 파악하고 암반 등급의 차이에 따른 안전측 지보패턴 범위를 제시하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 연약대와 만나면서 지반강성의 큰 차이를 보이는 경우 외에 일반적인 터널 설계에서 적용하고 있는 암반 등급 변화와 각 암반 등급에 맞는 지보패턴을 적용할 경우로 확장하여 종방향 아칭 영향권을 해석적으로 분석하고, 이를 고려한 암반 강성차가 발생하는 암반 등급 변화부에 대한 안전측 지보패턴 적용 범위를 제시하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
NATM 공법의 터널 설계 시 지보 시스템 선정 방식은 무엇인가? 일반적으로 NATM 공법의 터널 설계에서는 과업 구간에 대한 시추조사, 물리탐사, 현장시험, 실내시험 등의 지반조사를 통하여 획득한 암반 특성을 반영하여 Q-system 혹은 RMR 분류에 따라 여러 개의 암반 등급으로 분류한 후, 터널의 용도와 특성, 주변 현황을 고려하여 지보패턴을 설계하는 방식으로 지보 시스템을 선정한다. 이러한 설계 과정에서 터널 종방향으로 양호한 암반에서 상대적으로 불량한 암반 방향으로 굴착하는 경우에는, 굴착 시 발생되는 굴진 방향 응력 전이로 인하여 먼저 굴착된 양호한 암반으로 불량한 암반굴착으로 발생하는 응력이 추가 작용하여 암반 등급 경계부(패턴 변화부) 시공 시에는 주의가 필요하다.
종방향 아칭효과는 무엇인가? 터널을 굴착하면 막장면을 중심으로 터널 진행방향과 횡방향으로 굴착전 초기 응력이 전이되고, 남은 응력은 터널 주변으로 재분배된다. 재분배되는 응력은 막장면을 중심으로 선굴착 부분과 미굴착 부분 모두에 영향을 미치게 되는데 이러한 터널 진행방향으로의 응력 재분배를 종방향 아칭효과(Longitudinal Arching)라 하며 터널의 굴진면 주변에서 지반이 3차원적으로 거동하여 횡방향 뿐만 아니라 종방향으로도 하중 전이가 발생(Gnilsen, 1989)한다고 알려져 있다.
NATM 공법의 터널 설계 시 주의할 점은 무엇인가? 일반적으로 NATM 공법의 터널 설계에서는 과업 구간에 대한 시추조사, 물리탐사, 현장시험, 실내시험 등의 지반조사를 통하여 획득한 암반 특성을 반영하여 Q-system 혹은 RMR 분류에 따라 여러 개의 암반 등급으로 분류한 후, 터널의 용도와 특성, 주변 현황을 고려하여 지보패턴을 설계하는 방식으로 지보 시스템을 선정한다. 이러한 설계 과정에서 터널 종방향으로 양호한 암반에서 상대적으로 불량한 암반 방향으로 굴착하는 경우에는, 굴착 시 발생되는 굴진 방향 응력 전이로 인하여 먼저 굴착된 양호한 암반으로 불량한 암반굴착으로 발생하는 응력이 추가 작용하여 암반 등급 경계부(패턴 변화부) 시공 시에는 주의가 필요하다. 설계에서는 이를 고려하여 경계 부에서 안전측으로 패턴을 적용하고 있으나 이에 대한 구체적인 기준이나 연구사례는 미미한 실정이다.
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참고문헌 (14)

  1. Bang, J.H., Han, I.Y. (2006), "Prediction of ground condition changes ahead of tunnel face using threedimensional absolute displacement analysis", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 8, No. 2, pp. 101-113. 

  2. Gnilsen, R. (1989), Numerical Methods, Developments in Geotechnical Engineering, 59A, Underground Structures Design and Instrumentation, Elsevier, New York, pp. 84-128. 

  3. Ham, H.S., Lee, S.D. (2018), "Experimental study on the relaxation zone depending on the width and distance of the weak zone existing ahead of tunnel face", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 20, No. 5, pp. 855-867. 

    원문보기 상세보기 crossref

  4. ITA (1986), Austrian National Committee of ITA, The Defence of NATM (Communication), Tunnel & Tunneling. 

  5. Itasca Consulting Group (2002), FLAC3D Theory and Background, Ver.2.1, Minneapolis, pp. 2-21-35. 

  6. Korea Rail Network Authority (2003a), Construction Design Report of Bosung-Imseongli 2ed section. 

  7. Korea Rail Network Authority (2003b), Construction Design Report of Bosung-Imseongli 7th section. 

  8. Korea Rail Network Authority (2010a), Track-based Construction Design Report of Honam High Speed Railway 3-2 section. 

  9. Korea Rail Network Authority (2010b), Track-based Construction Design Report of Honam High Speed Railway 4-2 section. 

  10. Korea Rail Network Authority (2010c), Train Base Station Construction Design Report of Honam High Speed Railway. 

  11. Korea Tunnel Association (KTA) (1999), Tunnel Design Criterion, pp. 42. 

  12. Lee, I.M., Park, K.J., Kang, K.D. (1997), "Prediction of abandoned mines ahead of the tunnel face", Proceedings of the 1997 Fall Korean Geotechnical Society Conference, Yongin, pp.161-170 

  13. Schubert, W., Budil, A. (1997), The importance of longitudinal deformation in tunnel excavation, Fujii Editor, Proceedings of the 8th International Congress on Rock Mechanics, Tokyo, Vol. 3, Rotterdam, A.A. Balkema, pp. 1411-1414. 

  14. Yoo, K.H., Park, Y.J. (2003), "A rick analysis for the determination of a tunnel support pattern", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 5, No. 3, pp. 241-250. 

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