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근접병설터널에서 필라부 안전율 평가를 위한 강도감소법의 적용성 연구
Application of Strength Reduction Method to Evaluation of Pillar Safety Factor in very Closely Spaced Tunnels 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.29 no.5, 2019년, pp.346 - 355  

전성권 ((주)태영건설) ,  윤동호 (서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부) ,  송재준 (서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부) ,  김세형 (한국도로공사)

초록
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근접병설터널에서 필라의 안정성을 평가할 때, 필라 폭이 최소가 되는 지점에서의 국부안전율(강도/응력비)을 조사하는 방법이 널리 사용된다. FEM 응력해석결과를 바탕으로 국부안전율이 1.0 이하인 경우는 필라의 안정성이 확보되지 못 하는 것으로 판단하고 인장볼트 등의 보강공법을 적용하고 있다. 그러나 국부안전율은 필라폭/터널반경(PW/D)의 변화와 무관하게 일정한 값을 보이고 있으며 인장볼트의 프리스트레싱 도입 시에도 축차응력의 변화가 크지 않아 상대적으로 필라의 안전율을 과소평가 할 수 있는 것으로 분석되었다. 아울러 Hoek and Brown(1980)이 제안한 평균안전율을 검토하였으나 상대적으로 필라폭의 크기가 커질 경우 필라의 안전율을 과대평가하는 현상을 관찰할 수 있었다. 이에 대한 대안으로 강도 감소법을 이용한 SRM 안전율을 도입하여 필라의 안정성을 평가한 결과 필라폭/터널반경 변화에 따른 무보강 및 인장볼트 보강효과가 잘 반영됨을 알 수 있었으며 파괴형상 또한 기존 극한 이론의 검토결과와 유사함을 알 수 있었다. 본 연구에서는 인장볼트의 보강효과를 구별하기 위해 록볼트 및 숏크리트를 고려하지 않고 안전율을 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

When evaluating pillar stability in very closely spaced tunnels, a local safety factor (strength/stress ratio) at the minimum width has been widely used. Tension bolts have been frequently applied as reinforcement for the cases where safety factors are less than 1.0 from FEM stress analysis. However...

주제어

#근접병설터널   #필라폭/터널반경   #필라 안전율   #인장볼트   #강도감소법  

표/그림 (8)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 한편 Hoek and Brown(1980)이 제안한 평균안전율의 경우 필라가 최소폭이 되는 단면에서 평균 연직응력에 대한 암반의 압축강도를 평가하는 방법으로 지중응력이 상대적으로 높은 영역에서는 그 적용성이 우수하나 상대적으로 지중응력이 낮은 저심도 구간에서는 전단변형에 의한 파괴가 우선 발생하므로 파괴면이 필라의 최소폭과 일치되지 않는 문제가 발생하게 된다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 보완하고 직관적인 안정성 판정을 위해 강도감소법(strength reduction method)을 적용하여 보강 시 및 무보강 시 필라의 안정성을 보다 정량적으로 평가할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
  • 이는 필라의 안전율 평가에 대한 명확한 기준이 아직까지 정립되지 않은 까닭으로 보인다. 따라서 본 연구에서는 필라의 안정성을 정량적으로 평가할 수 있는 안전율 산정이론을 이용하여 보다 발전된 평가 기준을 제시하고 이를 기존 방법과 비교하고자 한다.
  • 본 논문에서는 최근 국내에서 많이 적용되고 있는 근접병설터널의 보강공법인 인장볼트 공법의 안전율 평가방법에 대해 국부(local)안전율, 평균(average)안전율 및 SRM 안전율을 매개변수 분석을 통해 각각 산정하고 실무 적용성에 대하여 논하였다. 본 논문의 주요 결론을 요약하면 다음과 같다.
  • 본 연구는 인장볼트의 보강효과 판정에 대해서 기존에 적용되고 있는 안전율 평가 방식을 검토하고 강도감소법에 의한 안전율 평가방식의 적용성을 비교 분석하기 위해 수행되었다. 전통적으로 안전율(F.

가설 설정

  • SRM 안전율 산정을 위해 우선 원지반 지중응력을 재현한 후 터널이 굴착되는 것으로 가정하였고 무보강 및 인장볼트의 프리스 트레싱 효과를 반영한 안전율을 각각 산정토록 하였다. 이 경우 숏크리트 및 록볼트 등의 지보재는 고려하지 않았는데 이는 이와 같은 지보재를 함께 고려할 경우 인장볼트만의 보강효과를 분리하여 평가하기 어렵기 때문이다.
  • 3). 터널 단면은 기하형상에 따른 응력집중 현상을 최소화하기 위해 원형으로 가정하였고 얕은 터널 조건을 반영하여 상부 토피고(h)는 1.0D를 적용하였으며, 좌우측 경계는 2.0D를 확보토록 하여 경계면에서 구속 효과가 발생하지 않도록 하였다. 이때 암반의 변형계수(Em)는 700 MPa, 점착력(c)은 150 kPa, 내부 마찰각(φ)은 31°를 적용하였으며 측압계수(K0)는 얕은 터널 조건인 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
근접병설터널에서 필라의 안정성을 평가할 때 사용하는 방법은? 근접병설터널에서 필라의 안정성을 평가할 때, 필라 폭이 최소가 되는 지점에서의 국부안전율(강도/응력비)을 조사하는 방법이 널리 사용된다. FEM 응력해석결과를 바탕으로 국부안전율이 1.
연약한 지반조건에서 근접병설터널 필라부 인장볼트의 안정성을 판정하는 경우의 문제점은 무엇인가? 연약한 지반조건에서 근접병설터널 필라부 인장볼트의 안정성을 판정하는 경우 현재 국내에서 통상적으로 적용되고 있는 국부안전율 방법의 경우 부분적인 파괴의 발생이 전체 필라 전체의 파괴를 대변하지 못 한다는 문제점을 가지고 있다. 한편 Hoek and Brown(1980)이 제안한 평균안전율의 경우 필라가 최소폭이 되는 단면에서 평균 연직응력에 대한 암반의 압축강도를 평가하는 방법으로 지중응력이 상대적으로 높은 영역에서는 그 적용성이 우수하나 상대적으로 지중응력이 낮은 저심도 구간에서는 전단변형에 의한 파괴가 우선 발생하므로 파괴면이 필라의 최소폭과 일치되지 않는 문제가 발생하게 된다.
본 논문에서는 최근 국내에서 많이 적용되고 있는 근접병설터널의 보강공법인 인장볼트 공법의 안전율 평가방법에 대해 국부(local)안전율, 평균(average)안전율 및 SRM 안전율을 매개변수 분석을 통해 각각 산정하고 실무 적용성에 대하여 논하였는데 주요 결론은? 1) 국내 근접병설 터널 설계에서 필라의 안정성 평가를 위해 대부분 FEM 응력해석 결과를 바탕으로 필라 폭(PW)이 최소가 되는 부분에서 강도/응력비(안전율)를 조사하여 국부적으로 1.0 이하인 경우에는 필라의 안정성이 확보되지 못 하는 것으로 보수적으로 판단하여 필라 보강을 위해 인장볼트를 적용하고 있는 경우가 많은 것으로 파악되었다. 2) 안전율 상호비교를 위한 매개변수 분석 결과 국부(local)안전율은 무보강 시 PW/D에 거의 무관하게 일정한 값을 보이고 있어 필라의 안정성을 판정하기에는 다소 민감도가 높은 결과를 보일 수 있는 것으로 판단된다. 아울러 인장볼트의 프리스트레싱 도입 시 축차응력의 변화가 크지 않아 상대적으로 필라의 안전율을 과소평가할 수 있는 것으로 검토되었다. 3) 평균(average)안전율은 상대적으로 국부안전율에 비해 병설터널간 이격 거리 및 인장볼트의 프리스트레싱 효과를 어느 정도반영하고 있으나 필라 폭의 크기가 커질 경우 소성파괴가 발생하지 않은 부분의 안전율이 고려되면 평균 안전율 값이 급격하게 증가되는 현상을 보이고 있으며 필라의 실제 파괴면은 최소 폭 단면과 경사지게 발생하나 이를 반영하여 안전율을 평가하기 어려운 것으로 판단된다. 4) 강도감소법(strength reduction method)에 의한 안전율 산정은 파괴면을 고려할 필요 없이 소성영역의 확장에 따른 전체 안전율을 계산하는 방법으로 무보강 시 및 인장볼트 보강 시 프리스트레싱을 반영한 효과에 대해 양호한 상관관계를 보이는 것으로 조사되었으며 필라의 파괴를 포함한 터널 전체의 안정성을 평가할 수 있으므로 근접병설터널 필라의 안전율 평가기법으로 적용성이 우수한 것으로 사료 된다. 아울러 검토된 파괴형상 또한 기존 극한 이론(limit theory)과 유사한 형태를 띠고 있음을 알 수 있다. 5) 본 논문에서는 인장볼트의 효과를 구분하기 위해 록볼트 및 숏크리트 등 지보재를 고려하지 않고 안전율을 산정하였으나 실제 터널은 해당 지보재가 시공된 상태에서 안전율을 평가하는 것이 타당하므로 보강 설계 및 시공에 있어서는 관련된 검토가 선행되어야 한다.
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참고문헌 (12)

  1. Hoek, E.I. and Brown E.T., 1980, Underground Excavation in Rock, The Institution of Mining and Metallurgy, London. 202-203. 

  2. Im, S.B., Lee, S.M., Lee, J.W. and Paik, Y.S., 1994, Considerable Parameters and Progressive Failure of Rock Masses due to the Tunnel Excavation, In Proceedings of KGS Fall '94 National Conference, 231-234, Seoul, Korea, Korean Geotechnical Society. 

  3. Kim, W.B., Yang, H.S. and Ha, T.W., 2012, An Assessment of Rock Pillar Behavior in Very Near Parallel Tunnel, Tunnel and Underground Space, Vol. 22, No. 1, 60-68. 

    원문보기 상세보기 crossref

  4. Kim, Y.B., 2015, The Stability of Closely-Spaced Tunnels by Pillar Reinforcement using PC-Strands, MS dissertation, Korea University. 

  5. Korea Expressway Corporation, 2017, Tunnel Analysis Report for Expressway Construction on the Section ${\Box}{\Box}$ - ${\triangle}{\triangle}$ of Highway 29, 58-68. 

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  7. Lee, D.Y. and Yoo, C.S., 2003, Comparative Study Between Finite Element Method and Limit Equilibrium Method on Slope Stability Analysis, Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 19, No. 4, 65-74. 

  8. Sin, Y.W. and Kim, Y.G., 2010, Review of Mechanical Behaviors of Pillar in Large Parallel Tunnel, Tunnel and Underground Space, Vo. 20, No. 3, 131-144. 

  9. Yamamoto, K., Lyamin, A.V., Wilson, D.W., Sloan, S.W. and Abbo, A.J., 2011, Stability of a circular tunnel in cohesive-frictional soil subjected to surcharge loading, Computers and Geotechnics, Vol. 38, 504-515. 

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  10. Yoo, C.S., Lee, H. and Yoon, H.S., 1997, Three Dimensional Finite Element Analysis on Twin Tunnel Behavior, In Proceedings of KGS Fall '97 National Conference, 151-160, Seoul, Korea, Korean Geotechnical Society. 

  11. You, K.H., Hong, K.Y., Park, Y.J., Lee, H.K. and Kim, J.K., 2005, A Methodolody of Considering the Failure of Supports in Evaluating Tunnel Safety Factors, In Proceedings of KTA 2005 Annual Conference, 213-224, Seoul, Korea, Korean Tunneling and Underground Space Association. 

  12. You, K.H., Park, Y.J. and Bae, G.J., 2000, An Assessment of Safety Factor for Tunnels Excavated in a Weak Rock Layer, Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 2, No. 3, 47-57. 

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