[논문]쉴드 TBM 트러블 사례 및 매개변수 연구를 통한 원인 분석

고성일; 나유성; 김범주

doi:10.9711/ktaj.2020.22.2.197

쉴드 TBM 트러블 사례 및 매개변수 연구를 통한 원인 분석
Shield TBM trouble cases review and parameter study for the cause analysis 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.22 no.2, 2020년, pp.197 - 217

고성일 ((주)서하기술단) , 나유성 ((주)서하기술단 지반터널부) , 김범주 (동국대학교 건설환경공학과)

초록
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서울지하철 7, 9호선에 적용한 쉴드TBM은 소음 및 진동, 막장면의 안정성 확보 측면에서 발파공법에 비해 매우 안전한 공법이다. 또한, 쉴드TBM은 지반조건이 연약한 경우 효과적이다. 그러나 지반조건과 토피, 지하수 등의 여건에 적합하지 않은 장비를 적용할 경우 장비고장, 잦은 굴진중단, 특히 예상치 못한 불량한 지반을 통과하게 될 경우 터널 굴진 중 트러블이 발생할 수 있다. 본 논문은 일본 쉴드TBM 굴착중의 사고 및 트러블에 대한 사례를 정리하였다. 이중 대표적인 트러블 사례를 이용하여 지반변위 형상에 대한 실제발생 경향을 파악하였으며 수치해석을 통해 역해석결과와 상호비교하였다. 이를 토대로 막장 지보압을 산정할 경우 수치해석 적용시의 오차를 줄이는 방안을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Shield TBM tunneling, used in the construction of Seoul subway line 7 and line 9, has been well known as a very efficient, as well as safe, tunneling method. Although the Shield TBM method has been known to be effectively used in poor ground conditions, a number of troubles have occurred during the use of the shield TBM, due to inappropriate machine selection, machine breakdown, and unpredicted ground conditions etc. In this study, several accidents and trouble cases occurred during excavation by Shield TBM, reported from Japan, were investigated. A series of numerical analysis was then performed to compare with the trouble cases and back-analysis results for the cause analysis. The lessons learned from the case studies are presented at the end.

주제어

표/그림 (29)

그림 Fig. 1. The classification of TBM (ITA WG Mechanized Tunnelling, 2000)
그림 Fig. 2. The comparison of EPB with slurry shield TBM (http://www.facesupport.org)
표 Table 1. Trouble case of shield TBM (Japan Electric Power Civil Engineering Association, 2001)
그림 Fig. 3. Construction status (Japan Electric Power Civil Engineering Association, 2001)
그림 Fig. 4. Outline of the accident by inflow soil (Japan Electric Power Civil Engineering Association, 2001)
그림 Fig. 5. Outline of the accident by fallen segment (Japan Electric Power Civil Engineering Association, 2001)
그림 Fig. 6. Sliding mechanism (Anagnostou and Kovari, 1994)
그림 Fig. 7. The stability analysis proceeds (Anagnostou and Kovari, 1996)
그림 Fig. 8. Nomograms for the dimensionless coefficient F₀, F₁, F₂, F₃ (Anagnostou and Kovari, 1994)
그림 Fig. 9. Boundary and process for analysis
그림 Fig. 10. A model used in 3D FDM analysis (FLAC 3D)
표 Table 2. Ground properties
표 Table 3. The summary of case study parameters
그림 Fig. 11. The results of numerical analysis
표 Table 4. The effective support pressure of tunnel face (Anagnostou and Kovari, 1996)
그림 Fig. 12. A model used in 3D DEM analysis (PFC 2D)
표 Table 5. The case study of DEM analysis
그림 Fig. 13. Behavior of ground in Case A
그림 Fig. 14. Behavior of ground in Case B
그림 Fig. 15. Behavior of ground in Case C
그림 Fig. 16. Behavior of ground in Case D
그림 Fig. 17. Contact force of ground (Case A to D)
그림 Fig. 18. A model for numerical analysis
표 Table 6. Ground properties
그림 Fig. 19. The results of numerical analysis
표 Table 7. Plastic zone & shear strain rate (soft clay, support pressure = 0)
표 Table 8. Plastic zone & shear strain rate (hard clay, support pressure = 0)
그림 Fig. 20. The results of numerical analysis
그림 Fig. 21. The results of numerical analysis

AI 본문요약
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문제 정의

쉴드TBM 굴진시 주요 트러블 요인으로는 크게 지질적 트러블 요인과 기계적 트러블 요인으로 구분할 수 있다. 본 논문에서는 쉴드TBM 적용시 가장 중요한 사안이 적용 지반조건에 상응되는 최적의 장비형식 선정임을 감안할 때, 지질적 요인으로 인해 발생되는 트러블 요인에 대하여 검토하고자 한다. Table 1은 일본에서 시행된 쉴드TBM 현장 근무자들의 경험을 토대로 수행한 앙케이트 조사내용(Japan Electric Power Civil Engineering Association, 2001)을 분석한 것이다.
본 연구에서는 쉴드터널 시공시 발생한 사고사례를 분석하고, 사고의 원인에 따른 대처방안을 모색하였다. 특히 쉴드터널 전면 막장의 안정성 확보를 위한 유효막장지보압과 지반거동의 관계를 수치해석적 방법으로 분석하였으며, 호층지반조건에서의 막장지보압에 따른 지반거동양상을 분석하였고 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
또한, 수치해석을 통한 균질한 지반에서의 지보압이 이론식에 의한 지보압과 비슷한 수준을 나타내는 결과를 보였다. 본 절에서는 균질한 지반이 아닌 사질토와 점성토가 호층을 이루는 지반에서의 쉴드터널 굴착시 지반거동을 분석하였다.
본 절에서는 쉴드터널 시공시 발생하는 문제들 중 터널막장의 안정성 문제와 직결되는 막장 지보압에 관하여 이론 및 해석적 막장압 차이 발생 유무를 평가하고, 사고사례 1과 유사한 호층지반에서의 막장압 제어시 지층조건 변화에 따른 지반거동 및 막장지보압 변화추이를 검토하였다.
이수식 쉴드 공법에서 막장은 항상 제어된 수압과 비중을 지닌 이수에 의해 채워져 있으므로 밀폐 가압상태에서 이수에 의한 압력으로 막장의 안정을 유지한다. 본 절에서는 이수식 쉴드TBM 터널에 많이 채용되는 3가지 지반조건에 따른 막장압 산정 방법을 알아보고자 하였다.

제안 방법

그러나 터널직상부 2 m 이상(Case 5)에서 점성토층이 위치할 경우에는 지반조건에 상관없이 막장변위가 급격히 증가하는 양상을 보였다. Tables 7, 8과 같이 막장과 막장 직상부에 위치한 점성토층이 사질토의 파괴에 따른 소성 이완영역대의 확장을 막아주는 역할을 하는 것으로 판단되고, 점성토층이 터널 막장부보다 상부에 위치할수록 막장의 변위가 가속화되는 경향을 관찰하였다. 이로 인한 막장전면에 발생하는 소성 이완영역대가 확장되어 막장의 손실이 가속화되는 것으로 판단된다.
해석 Case는 지하수위를 고려한 경우와 고려하지 않은 경우로 나누었으며, 지반물성은 점착성 지반과 비점착성 지반으로 분류하였다. 각각의 해석 Case에 대하여 일정량의 막장지보압을 가하는 방법으로 지보압에 따른 막장의 변위 변화를 분석하였다. 해석에 적용된 지반물성과 해석 Case는 다음 Tables 2, 3과 같으며, 모델링 개요는 Fig.
이 모래층은 포화상태로 높은 지하수위와 간극수압을 유지하며 모래의 토립자는 육안으로 식별이 어려울 정도로 가늘며 점착력이 매우 작은 상태였다. 당초에 용수대책으로 Fig. 3과 같이 약액 주입에 의해서 발진부로 부터 80 m사이에 대해 터널 외주를 도넛 모양으로 그라우팅을 수행할 계획을 세웠으나 고결 실트층 출현으로 인해 그라우팅 구간 범위를 당초의 50%로 축소하여 시공하였다. 이에 쉴드TBM 굴진으로 38 m 지점 통과시 막장 내 다량의 상부 호층 모래 토립자 및 지하수가 막장 내에 유입되 었고 이로 인하여 지상의 도로가 함몰되는 사고가 발생하였다.
대책으로는 사고 발생 직후에 Cutter Face 틈 사이를 흙주머니로 충진하여 지하수 유입을 제어하였고 추가 지반조사에 의해서 이완조사 범위를 확인하고 공동 발생구간에 대한 그라우팅 충진계획을 수립하였다. 또한, 추가적인 지반조사 결과에 따라서 약액주입 그라우팅에 의한 보강범위를 확장하였으며 전면 밀폐형 쉴드TBM으로 장비 개 선 및 0.
따라서 공사 중 트러블에 대한 사례조사 자료를 통해 사고사례에 대한 원인분석과 대책에 대해 고찰하고, 터널 막장의 안정성 확보에 중요한 요소인 막장 지보압 산정에 대한 이론적 방법과 수치해석적 방법을 이용하여 검토를 수행하였다.
먼저 Step 1에서 수치해석적 방법(유한요소해석)을 이용하여 지하수위 변화에 따른 막장주변에 작용하는 수압분포를 분석하고 Step 2에서는 Step 1에서 분석한 막장에 작용하는 수압을 고려하여 파괴면에 작용하는 토압과 수압 등의 여러 힘을 분석한 후에 Step 3에서 막장 파괴면에서의 파괴조건과 힘의 평형 조건을 이용하여 유효막장 지보압(s')을 산정한다.
막장에 적용할 지보압은 Table 4의 이론적 지보압을 사용하였으며, 적용 지보압에 따라 Table 5와 같은 해석 Case로 나누어 수치해석을 수행하였다. 모델링 개요는 Fig. 12와 같으며 막장 지보압은 쉴드TBM이 일정한 속도로 전진하는 동안 막장후방에 위치한 Wall 요소에 지보압 만큼의 일정한 힘을 가하는 방법으로 모델링 하였다.
Back Fill 작업 중 주입압에 의한 세그먼트 체결볼트 파손 및 세그먼트 탈락이 직접적인 사고원인으로 확인되었고 세그먼트 이음부간의 지수용 고무가 압축 및 변형되어 마찰저항이 작아졌기 때문에 볼트에 큰 전단력이 발생되어 세그먼트 탈락이 용이했던 것으로 판단된다. 사고 발생 후 이탈 세그먼트를 중심으로 쉴드 주변지반을 고압분사 교반 그라우팅공법으로 고결하였고 200 m 구간에 3부분의 격벽을 설치한 후 지보공 보강과 함께 터널 갱내 유입토사를 제거하였으며, 2차 복공시 철근을 배근하여 보강을 수행하였다. 사고 발생 후 주변의 모든 매설관을 복구하는데 8개월의 시간 소요되었고 이로 인한 경제적 손실이 과다하게 발생하였다.
수치해석 조건은 Fig. 18과 같이 2 m 두께의 점성토층이 터널 바닥부에서 상단부 1D 까지 위치할 경우(Case 1~6)와 사질토지반으로만 이루어진 경우(Case 7)로 나누었다. 점성토층은 연약점성토층과 강도가 높은 고결점성토층으로 구분하였고, 지하수는 고려하지 않았다.
쉴드터널 굴착시 막장지보압에 따른 지반거동을 분석하기 위하여 개별요소법 프로그램인 PFC2D (Itasca Consulting Group Inc., 1999)를 사용하여 토압식 쉴드를 이용한 터널굴착 과정을 모델링 하였다. 지반조건은 Table 2에 나타낸 지반물성을 사용하여 일정한 점착력(c = 5 kPa)을 가진 지반과 비점착성(c = 0) 지반이 터널굴착 방향으로 차례로 존재하는 것으로 모델링 하였으며, 지하수에 의한 영향은 고려하지 않았다.
앞서 소개한 Anagnostou and Kovari의 토압식 쉴드 TBM에서의 막장지보압 산정식에 의한 결과와 Flac 3D(Itasca Consulting Group Inc., 2002)프로그램을 사용한 수치해석에 의한 막장지보압을 비교 ‧ 분석 하였다. 해석 Case는 지하수위를 고려한 경우와 고려하지 않은 경우로 나누었으며, 지반물성은 점착성 지반과 비점착성 지반으로 분류하였다.
해당 현장은 치바현 후나바시 시(千葉縣船橋市)의 도우요우 고속철도(東葉高速鐵道) 건설현장(일본)으로 지반조건은 충적 사질토층과 홍적 사질토층이 혼재된 상태의 지반상태와 노선 주변에 성문천(城門川)의 영향으로 높은 지하수위가 분포하는 지형이다. 용수대책으로 높은 지하수위 분포구간인 주거지 직하부 통과구간에 대하여 쉴드TBM 터널 굴착 후 쉴드TBM 장비를 매몰하여 공사를 완료하도록 계획하였다. 시공 중 쉴드 스킨플레이트와 콘크리트 소켓 사이에서 약 8 cm 정도의 틈이 발생하였고 이를 철판 용접과 경질 우레탄 충진 후 용접과 코킹으로 지수하고자 하였으나, 지수 마감 후 쉴드 해체작업 중 토사가 지수막을 뚫고 유입되면서 상부 지표가 함몰되는 사고가 발생하였다(Fig.
, 1999)를 사용하여 토압식 쉴드를 이용한 터널굴착 과정을 모델링 하였다. 지반조건은 Table 2에 나타낸 지반물성을 사용하여 일정한 점착력(c = 5 kPa)을 가진 지반과 비점착성(c = 0) 지반이 터널굴착 방향으로 차례로 존재하는 것으로 모델링 하였으며, 지하수에 의한 영향은 고려하지 않았다. 막장에 적용할 지보압은 Table 4의 이론적 지보압을 사용하였으며, 적용 지보압에 따라 Table 5와 같은 해석 Case로 나누어 수치해석을 수행하였다.
본 연구에서는 쉴드터널 시공시 발생한 사고사례를 분석하고, 사고의 원인에 따른 대처방안을 모색하였다. 특히 쉴드터널 전면 막장의 안정성 확보를 위한 유효막장지보압과 지반거동의 관계를 수치해석적 방법으로 분석하였으며, 호층지반조건에서의 막장지보압에 따른 지반거동양상을 분석하였고 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
, 2002)프로그램을 사용한 수치해석에 의한 막장지보압을 비교 ‧ 분석 하였다. 해석 Case는 지하수위를 고려한 경우와 고려하지 않은 경우로 나누었으며, 지반물성은 점착성 지반과 비점착성 지반으로 분류하였다. 각각의 해석 Case에 대하여 일정량의 막장지보압을 가하는 방법으로 지보압에 따른 막장의 변위 변화를 분석하였다.

대상 데이터

해당 현장은 연장 1,500 m의 이토압식 쉴드TBM이 적용된 현장(일본)으로 지반조건은 자갈 79%, 모래 18%로 N치가 50 이상인 홍적사력층이 분포하고 지표부에 퇴적하고 있는 충적층은 두께가 20 m 정도로 N치 0~4인 사질 지반층이며, 충적실트질토와 홍적사력층과의 사이에는 홍적점성토층 및 홍적사질토가 두께8~10 m로 퇴적되어 있다. 시공시 토피 43 m의 지점인 홍적사력층 지반 굴진 중, 굴진을 멈추고 세그먼트 Back Fill을 주입할 때 주입압력이 급격히 상승하여 더 이상의 Back Fill 주입 힘든 상황이 발생하였고 세그먼트 주입구로부터 주입기구 빼낸 후에 세그먼트가 이탈되고 대량의 토사와 지하수가 갱내에 유입되는 사고가 발생하였다(Fig.
해당 현장은 치바현 후나바시 시(千葉縣船橋市)의 도우요우 고속철도(東葉高速鐵道) 건설현장(일본)으로 지반조건은 충적 사질토층과 홍적 사질토층이 혼재된 상태의 지반상태와 노선 주변에 성문천(城門川)의 영향으로 높은 지하수위가 분포하는 지형이다. 용수대책으로 높은 지하수위 분포구간인 주거지 직하부 통과구간에 대하여 쉴드TBM 터널 굴착 후 쉴드TBM 장비를 매몰하여 공사를 완료하도록 계획하였다.

성능/효과

Fig. 20(a)는 연약점성토 호층지반의 지보압에 따른 최대 막장변위를 나타낸 것으로 점성토층이 터널 바닥에서 터널 직상부로 이동할수록 동일 지보압에서 변위감소 효과가 증가하는 결과를 보였다. 다시 말하면 사질토의 큰 내부마찰각으로 인해 막장에 사질토층 비율이 커질수록 지보압 효과는 증가한다고 할 수 있다.
Fig. 19(b)는 해석 Case별 지반침하량을 나타낸 것으로 연약점토층이 터널직상부 2 m 이상(Case 5)에 위치할 때 지반침하량이 급격히 증가하는 결과를 보였고, 고결점토층의 경우에는 터널직상부 4 m 이상(Case 6)에서 지반침하량이 증가하는 결과를 보였다.
이수식 쉴드TBM의 경우 Fig. 2(b)와 같이 챔버 내 이수를 가압하여 막장면에 작용하는 수압 및 토압에 대응하는 방법으로 지반을 굴착하고 0.5 bar 이하의 저수압 토사지반에 적용시 지반융기가 발생하고 파쇄대 조우시 이수의 이탈을 초래하는 문제가 있으나 0.5 bar 이상의 수압에서는 안정적인 굴착이 가능한 장점이 있다. 버력처리는 파이프에 의한 유체수송으로 반출하기 때문에 배니관의 폐색 및 파열 우려가 존재하고 작업부지는 이수플랜트 설치로 지상설비가 복잡하며 경제성이 토압식 보다 약 10% 증가한다.
1. 국외의 쉴드터널 사고사례를 검토한 결과, 매우 다양한 분야에서 문제들이 발생하였으며, 터널막장의 안정성 문제, 쉴드테일 부분과 세그먼트 조립부분의 접합부 문제 그리고 설계 당시 예상치 못한 지반조건(지하수, 암반, 자갈층 등)으로 인한 쉴드챔버의 폐색과 굴진불능이 주로 발생하였다.
2. 지하수조건을 고려한 연속체 커플링해석을 통하여 막장지보압에 따른 지반거동을 분석한 결과 지보압 증가에 따라 막장변위는 확연히감소하였으나, 일정 수준의 지보압 이상에서는 지보압 증가에 따른 변위감소 효과가 점차 감소하였다. 지하수조건과 점착력에 따라 지반변위는 큰폭으로 변화하였고, 이러한 조건들이 막장의 안정성 확보를 위한 지보압의 크기에 주된 영향을 미치는 것으로 판단된다.
3. 개별요소법 프로그램인 PFC를 이용하여 토압식 쉴드의 지반굴착 과정을 모델링한 결과 막장에 지보압을 가하지 않은 경우 지반조건에 상관없이 전반적인 막장붕괴와 지반침하가 발생하였다. 지반조건에 따라 산출한 유효 지보압의 70%수준을 막장에 가한 경우 어느 정도 막장의 안정성이 유지되지만, 지표까지 지반의 이완대가 발생하여 지표침하가 발생하였다.
4. 점성토층이 터널막장에서 상부로 이격될수록 막장의 변위가 가속화되는 경향을 보였으며, 이로 인하여 막장의 전반적인 붕괴가 발생하는 것으로 판단된다. 연약점성토 호층지반의 경우 변위를 균질한 사질토지반과 비슷한 수준으로 맞추기 위해서는 점성토층의 위치에 따라 보다 큰 막장지보압이 필요할 수 있으며, 고결점성토 호층지반의 경우 작은 지보압으로 동일한 보강효과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
17은 각 Case별 굴착 완료 후 지반의 결합력을 나타낸 것으로 Case A의 경우 막장의 붕괴와 함께 토사의 유출로 인하여 막장과 터널상부지반의 결합력이 매우 미미한 것을 볼 수 있다. Case B와 C의 경우는 어느 정도 지반의 결합력이 유지되고 있으나, 막장 상부에 이완대가 발달하여 결합력이 작아진 결과를 보였으며, Case D는 막 장과 상부지반의 결합력이 유지되고 있어 소성이완대의 영역이 미미한 것으로 나타났다.
Fig. 16은 Case D의 해석 결과로 이론적 유효막장지보압을 100% 적용한 경우로 Soil layer 1과 Soil layer 2 모두 양호한 막장 상태를 유지하는 결과를 보였으며, 지반침하도 거의 발생하지 않는 결과를 보였다.
균질한 사질토지반(Case 7)의 경우 이론식에 의해 계산된 발생 막장압은 약 20 kPa이고, 수치해석결과 지보압 15~20 kPa의 구간에서 변위의 수렴이 이루어지는 결과를 보였으며, Anagnostou and Kovari 이론식에 의한 유효막장 지보압인 21 kPa과 비교하였을 때 비교적 잘 일치하는 결과를 보였다. 허나 연약점성토 호층의 지반의 경우 변위를 균질한 사질토지반과 비슷한 수준으로 맞추기 위해서는 점성토층의 위치에 따라 보다 큰 막장지보압이 필요할 수도 있으며, 반면 고결점성토 호층의 경우는 작은 지보압으로 동일한 보강효과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
지반조건에 따라 산출한 유효 지보압의 70%수준을 막장에 가한 경우 어느 정도 막장의 안정성이 유지되지만, 지표까지 지반의 이완대가 발생하여 지표침하가 발생하였다. 또한, 산출된 유효 지보압을 모두 가한 경우 막장 주변지반의 결합력이 유지되어 전반적으로 안정한 지반상태로 나타났다.
앞서 언급한 바와 같이 막장의 안정성 확보를 위해 필요한 지보압은 지하수와 점착력, 내부마찰각, 토피고 등의 지반조건에 따라 다르다. 또한, 수치해석을 통한 균질한 지반에서의 지보압이 이론식에 의한 지보압과 비슷한 수준을 나타내는 결과를 보였다. 본 절에서는 균질한 지반이 아닌 사질토와 점성토가 호층을 이루는 지반에서의 쉴드터널 굴착시 지반거동을 분석하였다.
11(a)는 지하수위가 고려된 조건에서의 막장 지보압 증가에 따른 막장의 변위를 도시한 것으로 막장에 지보압을 가하지 않았을 경우에는 막장 붕괴수준의 변위가 발생하였으나, 점차적인 지보압 증가에 따라 지반변위는 확연히 감소하는 결과를 보였다. 또한, 지보압과 변위의 관계가 선형적인 관계가 아닌 비선형적 관계로서 일정 지보압 이상에서는 지보압이 증가할수록 막장변위 감소 효과가 줄어드는 결과를 보였다.
대책으로는 사고 발생 직후에 Cutter Face 틈 사이를 흙주머니로 충진하여 지하수 유입을 제어하였고 추가 지반조사에 의해서 이완조사 범위를 확인하고 공동 발생구간에 대한 그라우팅 충진계획을 수립하였다. 또한, 추가적인 지반조사 결과에 따라서 약액주입 그라우팅에 의한 보강범위를 확장하였으며 전면 밀폐형 쉴드TBM으로 장비 개 선 및 0.12~0.14 MPa의 막장 지보압으로 막장 안전성을 확보하였다. 이 사례를 통해 공사 착공전 고결실트층의 분포범위 및 협제 사층 상호간의 연속성을 확인하였거나 이수가압식 쉴드TBM으로 장비를 선정하였다면 사고 발생을 미연에 방지했을 것으로 예상되어 지반조건을 고려한 최적의 장비선정이 매우 중요함을 재확인할 수 있었다.
앞서 소개한 쉴드터널 사고사례와 그 밖에 소개되지 않은 많은 사례들을 검토한 결과, 매우 다양한 분야에서 문제들이 발생하는 것을 알 수 있었으며, 특히 터널막장의 안정성 문제와 쉴드테일 부분과 세그먼트 조립 부분 등의 접합부 문제 그리고 예상치 못한 지반조건 조우시 발생하는 문제 등이 주를 이루는 것으로 나타났다.
14 MPa의 막장 지보압으로 막장 안전성을 확보하였다. 이 사례를 통해 공사 착공전 고결실트층의 분포범위 및 협제 사층 상호간의 연속성을 확인하였거나 이수가압식 쉴드TBM으로 장비를 선정하였다면 사고 발생을 미연에 방지했을 것으로 예상되어 지반조건을 고려한 최적의 장비선정이 매우 중요함을 재확인할 수 있었다.
앞서 언급한 지하수 조건에서의 해석 결과와 비교하면 막장의 안정화를 위한 지보압이 절반 이하로 떨어지는 결과를 볼 수 있었다. 지보압과 변위의 관계가 비선형적 관계로서 일정 지보압 이상에서는 지보압이 증가할수록 막장 변위감소 효과가 줄어드는 결과를 보였으며, 이론적 유효지보압 부근에서 현저한 변위 감소효과를 보였다.
15는 Case C의 경우로 Soil layer 1에 유효 지보압을 모두 가하여 굴착하고, Soil layer 2에서는 지보압의 70%만 적용하여 굴착하였다. 해석 결과 Soil layer 1에서는 막장지보압에 의해 막장의 안정성이 확보되는 것으로 나타났으며, 지반침하 역시 미미한 결과를 보였다. Soil layer 2에서도 어느 정도 막장 안정성이 유지되는 것 볼 수 있으나, 막장에서 지표까지 지반 파괴면이 형성되는 것을 볼 수 있었으며, 이로 인한 지표침하가 발생하는 결과를 보였다.

후속연구

허나 연약점성토 호층의 지반의 경우 변위를 균질한 사질토지반과 비슷한 수준으로 맞추기 위해서는 점성토층의 위치에 따라 보다 큰 막장지보압이 필요할 수도 있으며, 반면 고결점성토 호층의 경우는 작은 지보압으로 동일한 보강효과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다. 본 절에서는 호층지반에서의 막장지보압에 따른 지반거동을 분석하여 정성적인 연구결과를 도출하였으나, 향후 호층의 위치, 두께, 규모, 물성 등과 같은 다양한 매개변수에 따른 연구를 수행하여 합리적인 막장지보압을 정량적으로 제시할 수 있는 연구가 필요하다.
최근 쉴드 TBM 설계시 시공 중 적용할 위치별 챔버압을 설계단계에서 검토하는 사례가 늘어나고 있다. 쉴드 TBM 시공 중의 챔버압은 해당 위치의 굴진면 조건에 따라 달리하나 설계단계에서 1차적인 검토를 수행하는 것은 시공 중 안정성 확인 차원에서 사전검토의 의미가 크다고 판단되며, 설계단계에서 챔버압 산정과정에 본 논문을 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
4). 이 사례를 통해 정확한 지질조사에 의한 최적 지반개량공법의 선정과 지수공 마무리 작업시 토압과 지하수압을 충분히 견딜 수 있는 보강대책 수립이 반드시 필요함을 확인하였다.
향후 호층의 위치, 두께, 규모, 물성 등과 같은 다양한 매개변수에 따른 연구를 통해 합리적인 막장지보압을 정량적으로 제시해야 할 것이다.

참고문헌 (10)

Anagnostou, G., Kovari, K. (1994), "The face stability of slurry-shield-driven tunnels", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 9, No. 2, pp. 165-174.

상세보기
Anagnostou, G., Kovari, K. (1996), "Face stability conditions with earth-pressure-balanced shields", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 11, No. 2, pp. 165-173.

상세보기
ITA WG Mechanized Tunnelling (2000), Recommendations and guidelines for tunnel boring machines (TBMs), pp. I-22-I-34.
Itasca Consulting Group Inc. (1999), PFC2D particle flow code in 2 dimensions, Minneapolis, Itasca.
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The Support Pressure Calculator for TBM Tunnelling Home Page, http://www.facesupport.org (March 7, 2020).

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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