[논문]기존 지하철정거장 비개착공법 적용시 유한요소 해석과 관리기준에 관한 연구

조병준

doi:10.21729/ksds.2019.12.4.43

초록
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지하철 정거장의 하부에 비개착공법 적용하여 안정성 영향분석을 위하여 유한요소 변위 해석, 유한요소 응력해석, 강관추진 진행 과정에 따른 변위, 내부 굴착에 따른 변위 및 강관의 응력변화, 지반의 물리적 특성인 탄성 및 탄소성 이론 등을 도입하였다. 구조적으로 적당한 미소 요소로 분할해서 각 요소가 유한개의 점으로 연결되는 요소로 가정한 모델로 하여 수치적 해석을 통하여 비개착공법 적용시 구조물 안정성에 미치는 영향을 국토교통부와 외국 자료를 근간으로 한 구조물 관리기준과 비교 검토하였다. 그 결과 최대 변위 7.21 mm가 발생되어 허용변위 기준(25.00 mm) 이내, 최대 각 변위는 1/3,950으로 허용 각변위 기준(1/500) 이내, 비개착공법 강관다발 구조체의 최대 휨압축응력량도 70.29 MPa로 허용기준(210.00 MPa) 이내로 분석되었고, 최대 전단응력량은 47.38 MPa로 허용기준(120 MPa) 이내로 분석되어 유한요소 해석결과, 설계 및 시공 안정성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To analyze the influence on the stability, resulting from application of upgrade pipe roof structure (UPRS) method to the structure existed under subway Station, physical properties of a ground, elasticity and elasto-plastic theories, including displacement analysis of finite elements, stress analys...

To analyze the influence on the stability, resulting from application of upgrade pipe roof structure (UPRS) method to the structure existed under subway Station, physical properties of a ground, elasticity and elasto-plastic theories, including displacement analysis of finite elements, stress analysis of finite elements, displacement caused by steel pipe propulsion and internal excavation, and stress change in a steel pipe, were introduced. Then, the influence on structural stability when applying the UPRS method was compared and reviewed based on the construction management standard of the Ministry Land, Infrastructure and Transport and foreign sources, using numerical analysis with a model which assumes that each microelement divided into a structurally stable point consists of the connection of finite points. As a result of the finite element analysis, 7.21 mm maximum displacement, 1/3,950 angular displacement, 70.28 MPa bending compressive stress of steel pipe structure constructed with UPRS (non-excavation) method and 477.38 MPa maximum shear strength were within their allowable standards (25.00 mm, 1/500, 210.00 MPa and 120.00 MPa, respectively), and therefore, the results showed that the design and construction are stable.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Subsurface exploration Position Map and Foliated rocks Structure Diagram
그림 Fig. 1. Subsurface exploration Position Map and Foliated rocks Structure Diagram (continued)
표 Table 1. Distribution Characteristics by Strata
표 Table 2. Design Ground Constant
표 Table 3. Structural Damage Limits*
표 Table 4. Allowable Vertical displacement of Indeterminate Structures *
그림 Fig. 2. Schematic diagram and outline of concrete shape of UPRS propulsion
그림 Fig. 3. Partial derivative of the yield function
그림 Fig. 4. Partial derivative of the yield function
그림 Fig. 5. Analysis procedure by Drill step
그림 Fig. 6. Branch Displacement in the ◯◯ Station
그림 Fig. 7. Displacement Diagram of Longitudinal Drill in the ◯◯ Station
그림 Fig. 8. Displacement and Stress Analysis Results of Steel Pipes by Application of UPRS
그림 Fig. 9. Review cross section

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 서울특별시 지하철 ○호선의 ○○역 하부통과에 따른 비개착공법(UPRS: Upgraded Pipe Roof Structure)의 적정성 해석을 구조물 강관 추진시와 내부굴착시 침하량 및 강관 및 콘크리트의 안정성을 확인한 후 구조물 변위에 대한 지하철 ○호선 관리기준과 비교 검토하여 공법의 안정성을 검증 하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 ‘지하철 ○○역 정거장’을 대상으로 비개착공법을 적용하였을 경우, 안정성을 확보하기 위하여 유한요소 해석을 수행하고, 관리기준과, 안정범위를 분석하여, 안정성 확보 기준을 제시하였다.
지반의 물리적 특성을 탄성 및 탄소성 이론을 도입하여 구조적으로 적당한 미소 요소로 분할해서 각 요소가 유한개의 점으로 연결되는 요소로 가정한 모델로 고려하여 수치적 해석을 수행하였으며, 지반에 대한 거동 및 응력 분석은 2차원 평면 변형 요소를 사용하고 탄소성 이론을 도입하여 연속체로 해석하였으며, 지반 재료의 거동은 Mohr-Coulomb 파괴 기준을 모듈화하여 분석하였다.

대상 데이터

○○역의 지반요소를 확인하기 위하여, 본 논문에서는 Fig. 1의 토질조사 항목은 시추조사 62개소, 투수시험 17회, 수압시험 42회, 공내재하시험 27회, 전기비저항탐사 4.5 km, 굴절법탄성파검사 0.96 km, 지하수유향유속 2회, 실내토질시험 1회, 실내암석시험 1회를 실시하였고, 그 결과 해당 구간별 지반 내 토질을 분석하여 구간별 불연속면의 특성 분석을 할 수 있었다.
연구대상으로 선정한 ○○역 하부 통과구간의 지반은 ○호선 준공도를 확인 결과 풍화암 지반위에 바닥두께 1,100 mm의 매트 기초로 형성되어 있으며 금번 해당지역의 토질조사를 시행하고 검토한 결과 준공된 도면의 지질상태와 일치함이 확인되어 본 토질조사에서 구득한 토질정수를 이용하여 해석함에 있어서 신뢰성을 확보할 수 있음이 검증되었다.

이론/모형

지반조건은 많은 불확실성을 내포하고 있기 때문에 역학적 거동이 복잡하여, 다중강관추진공법의 시공 중에 예상치 못한 상황을 접하게 되는 경우가 빈번하므로 합리적인 다중강관추진공법의 설계와 시공을 위한 해석에 앞서서 확실한 지반 조사를 선행 하였으며, 근래 수치해석 기법은 연속체 모델과 불연속체 모델로 구분하나 보편적으로 연속체역학 개념의 유한요소 해법을 적용하였고, 다양한 굴착단계, 단면 크기에 따라서는 보다 세부적이고 많은 분할 요소가 요구 되므로 이러한 문제점을 극복하기 위해서 토사등. 비선형 재료에 대한 구성방정식으로 모델의 파괴 거동을 쉽게 파악할 수 있는 해석기법을 적용하였다.
해석범위는 ○○역 정거장 하부 통과에 따른 주요 현황을 시공단계별로 고려하여 범용 프로그램인 MIDAS GTS NX를 사용하여 유한요소 해석을 수행하고, 이에 따른 지반 안정성을 검토하였고, 비개착공법 적용구간에서 신사정거장 기초 하부까지의 거리는 약 2.73 m로 비교적 저토피 구간인 상황을 해석에 반영하여 주요구간에 대한 시공단계를 고려한 2차원 유한 요소 해석을 수행하여 안정성을 검증하였다.

성능/효과

‘지하철 ○○정거장 하부를 비개착 공법으로 공사 시행을 위하여 정거장 구조물의 안정성 검토를 연구한 결과 비개착공법 강관다발 구조체의 연직변위의 허용기준은 25.00 mm이지만, 최대 8.31 mm 발생하였으므로, 이는 기준 이내로 안정성을 확보하는 것으로 분석 되었고, 비개착공법 강관다발 구조체의 최대 휨압축응력량도 70.29 MPa로 허용기준(210.00 MPa) 이내 에서 안정성을 보였고, 비개착공법 강관다발 구조체의 최대 전단응력량은 47.38 MPa로 허용기준(120.00 MPa) 이내로 확인 되어, 제시된 방법의 안정성을 검증하였다.
둘째로, 강관추진 완료 후 내부 굴착시 중간 지보재를 설치하지 않았을 경우에 대한 비개착의 강관 및 콘크리트 응력을 검 토하고 허용응력과 비교 검토하여 안정성을 확인하였다.
셋째로, ○○역 기존 정거장의 안정성 검토는, 비개착공법의 하부통과 시공시 굴착으로 인하여 기존 정거장에서 시공변위 가 발생되며, 이 시공변위를 모멘트 등으로 환산하여 기존단면의 결과값에 하중계수를 곱한 모멘트값을 기존구조계산서에 추가로 도입하여 단면검토를 시행한 결과를 기반으로, ○○역 기존 정거장의 안정성을 확인하였다.
첫째로, ○○역 하부통과에 따른 비개착공법의 적정성 해석은 구조물 강관추진시와 내부굴착시 침하량 및 강관 및 콘크리 트의 안정성을 확인하는 것이 가장 중요하며, 비개착공법의 강관추진시 굴착시에 무지보 & 지보상태의 ○○역 기존정거장 의 구조물 변위를 검토하여 안정성을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기초지반의 침하 기준의 선정이 중요한 이유는 무엇인가?	기초지반의 침하는 균등침하(Uniform Settlement), 전도(Tilting) 및 부등침하(Non-uniform Settlement)로 대별되는데 기초의 침하는 구조물이 파괴되지 않더라도 구조물의 기능장애 또는 외관상의 손상 등을 유발하므로 피해정도를 판단할 수 있는 기준의 선정 및 적용이 중요하다. 독립기초 및 확대기초의 손상한계와 허용 연직변위량은 국도건설공사 설계실무요령 (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2013)을 근간으로 하였고, 구조물 허용각 변위한계값은 캐나다 지반공학회 매뉴얼4(CGS1978-Polshin, Tokar, 1957)에서 부등침하 발생에 변형이 일어나지 않는 구조물의 허용 각변위값 1/200과, 강구조, 철근콘크리트 구조물 1/500을 한계치로 하여 유한요소 해석 결과 값이 본 기준 한계 이내이여야 안정하다고 판단할 수 있다.
	새로이 건설되는 노선의 정거장은 어떤 원칙으로 건설되는가?	새로이 건설되는 노선의 정거장은 기존 지하철 정거장과의 환승을 위하여 이동 동선을 최소화 하고 시민의 안전을 확보하는 것을 원칙으로 하여 기존 지하철 정거장 하단부에 계획하고 건설하고 있다.
	지하로 내려간 대심도 정거장이 공사 중 위험한 이유는 무엇인가?	지하로 내려간 대심도 정거장은 공사 중에 더욱더 많은 위험에 노출되고 있다. 즉 기존 지하정거장이 건설된 지 20~30년이상 되어 기존 지반이 안정화 된 상태에서 새로이 기존정거장 하부를 굴착하여 통과 할 수밖에 없어 부득이 특수한 공법을 적용하여 건설된다 하여도 기존 지반의 변위는 수반될 수밖에 없는 실정이다(Jang et al., 2016).

참고문헌 (7)

Bong, T. H., Kim, S. P., Heo, J., and Son, Y. H. (2014). An Experimental Investigation of Vertical Stress Increment Ratio in Soil according to Stress Loading. 2010 KSAE. pp. 130-139.
Full Text of the Railroad Maintenance Guideline. (2019). Korea Rail Network Authority. pp. 47-51.
Jang, C. J. (2016). A Study on the Stability Analysis of the Urban Railway Structures due to the Application of the Non-excavation Pipe Roof Structure Method. Dongyang University Graduate School.
Korea Rail Network Authority. (2015). Structural Basic Design Criteria. pp. 225-260.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport. (2013). Design Practice for National Highway Construction. 7-12-7-22.
CGS. (1978). Canadial Foundation Engineering Manual 4 Edition. Canadian Geotechnical Society. pp. 280-310.
Zhang, X., Zhang, C., and Wang, J. (2018). Effect of Closely Spaced Twin Tunnel Construction Beneath an Existing Subway Station: A Case Study. Journal of Testing and Evaluation, 46(4): 1559-1573.

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