[논문]도시철도 인접굴착공사에 따른 터널구조물의 구조 안정성 평가

최정열; 이호현; 강유송; 정지승

doi:10.17703/jcct.2020.6.2.503

도시철도 인접굴착공사에 따른 터널구조물의 구조 안정성 평가
Evaluation of Structural Stability of Tunnel due to Adjacent Excavation on Urban Transit 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.6 no.2, 2020년, pp.503 - 508

최정열 (동양대학교 건설공학과) , 이호현 (산강이엔씨(주), 기술연구소) , 강유송 ((주)유신, 도시철도부) , 정지승 (동양대학교 건설공학과)

초록
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본 연구는 운행선 지하철 노선에 인접하여 신축되는 구조물 건설을 위한 굴착공사가 계획됨에 따라 실제 시공 시 운행선 지하철 구조물의 구조적 안정을 평가하고자 도시철도 터널 및 궤도모델을 적용한 3차원 정밀수치해석을 수행하였다. 철거되는 기존 구조물 및 운용중인 지하철에 대한 초기 조건을 구현하고 굴착에 대한 입체적인 영향 평가를 수행하였다. 본 연구에서는 과업구간의 굴착 길이(약 110m)보다 더 넓은 영역(170m)을 수치해석 모델로 설정하여 횡방향 뿐만 아니라 종방향에 대한 구조물의 안정성을 평가하였다. 연구결과, 비교적 굴착 심도와 면적이 넓은 대형굴착공사인 대상 현장의 경우 시공단계별 지하철 터널구조물의 변형수준은 관련기준을 만족하는 것으로 나타났으며 굴착공사 중심부를 기준으로 지하철 구조물의 변형도 크게 발생되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The three-dimensional precision numerical analysis was performed using the finite element model applied with the railway track model consisting of rails, As a result of analyzing the track deformation level of the existing tunnel due to the excavation work adjacent to the urban transit, it was found that the evaluation criteria (allowed values) of conventional railways lines were satisfied. Based on the numerical analysis, it was analyzed that the results of the prediction of the tunnel structural stability of due to the excavation work and the level of the tunnel deformation occurring at the actual site could be approximated as closely as possible.

주제어

표/그림 (8)

그림 그림 1. 검토대상구간현황도 Figure 1. Schematics of target site
그림 그림 2. 수치해석모델링 Figure 2. Schematics of finite element model
그림 그림3. 수치해석분석위치 Figure 3. Evaluation point of FE model
그림 그림 4. 수치해석 결과(예) Figure 4. Results of numerical analysis
표 표 1. 터널 및 궤도의 재료 특성치 Table 1. Properties of tunnel and track components
그림 그림 5. 신축구조물 터널 연직변위 Figure 5. Vertical displacement of tunnel
그림 그림 6. 신축구조물 터널 수평변위 Figure 6. Horizontal displacement of tunnel
그림 그림 7. 터널구조 해석결과 Figure 7. Analytical responses of tunnel

AI 본문요약
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문제 정의

1) 본 수치해석에서는 과업구간의 대규모 굴착영향에 대한 지하철 구조물의 영향평가가 주목적이다. 따라서 철거되는 기존 구조물 및 운용중인 지하철에 대한 초기 조건을 구현하고 굴착에 대한 입체적인 영향평가가 필요하다.
복합시설 신축공사를 위한 굴착공사에 따른 인접 지하철 터널 구조물에 대한 안정성을 검토하여 합리적이고도 안전한 시공이 되도록 하는데 그 목적이 있다[1-5]. 또한 철도구조물 인접구간 시공에 따른 터널 안정성을 평가하기 위하여 터널모델이 반영된 3차원 연속체 수치해석을 수행하였다[1-5].
본 연구에서는 기존 터널 구조물에 인접하여 굴착되는 복합시설 신축구조물에 의해 터널영향 수준을 파악하고자 굴착영역을 포함하여 터널구조의 제원을 반영한 3차원 수치해석 모델링을 이용하여 굴착에 따른 터널영향수준을 분석하였다[1-6]. 본 연구에서 수행한 수치해석에서 해석영역은 굴착에 의한 영향이 최소가 될 수 있는 충분한 범위로 설정하였다[1-6].
따라서 철거되는 기존 구조물 및 운용중인 지하철에 대한 초기 조건을 구현하고 굴착에 대한 입체적인 영향평가가 필요하다. 이에 따라 본 수치해석에서는 시공구간의 굴착 길이(약 110m)보다 더 넓은 영역(170m)을 설정하여 횡방향 뿐만 아니라 종방향에 대한 구조물의 상태평가가 충분히 이루어 질 수 있도록 검토하였다.

제안 방법

복합시설 신축공사를 위한 굴착공사에 따른 인접 지하철 터널 구조물에 대한 안정성을 검토하여 합리적이고도 안전한 시공이 되도록 하는데 그 목적이 있다[1-5]. 또한 철도구조물 인접구간 시공에 따른 터널 안정성을 평가하기 위하여 터널모델이 반영된 3차원 연속체 수치해석을 수행하였다[1-5]. 지하철 구조물 경계조건의 영향을 고려하여 규모는 가로 약 146m, 세로 약 110m로서 굴착심도는 약 12.
복합시설 신축공사에 따른 대규모 굴착공사가 계획되어 30 m 이상의 깊은 심도까지 굴착됨에 따라 기존 지하철 구조물의 안정성 검토를 위하여 유한요소법에 의한 구조적 안정성 검토를 수행하였다. 수치해석 결과를 바탕으로 수행한 기존 지하철 구조물의 구조적 안정성 검토 결과는 다음과 같다.
본 수치해석에서는 그림 3과 같이 터널의 연직변위를 분석하기 위해 A, B를 측점으로 설정하였고 수평변위를 분석하기 위해 터널 좌, 우측(L, R)을 측점으로 설정하여 해석을 실시하였다.
복합시설 신축공사 굴착공사로 인한 현재 지하철 터널이 위치하여 운영되고 있는 검토지역에 굴착에 따른 입제적인 터널 안정성 검토가 요구된다[1-5]. 본 수치해석은 흙막이 도면 및 지하철 구조물의 설계도서를 근거로 하였으며, 굴착공사로 인한 전반적인 안정성을 분석하였다[1-5]. 지하철 인접굴착 공사에 의한 도시철도 터널구조물 안정성 검토를 수행하였다.
터널 좌, 우 측방 해석범위는 지반의 초기응력 상태에 영향을 받으며, 해석범위는 터널형상, 터널단면 크기 등의 영향을 받는 것으로 알려져 있다[1-4,6]. 본 연구에서는 기존 지하철 역사 구조물 및 철도구조물을 근접하여 계획된 터널구간에 대하여 굴착단계에 따른 구조물의 영향을 검토하기 위하여 터널상부는 지표면까지 모델링하고 터널 측방 및 하부는 터널면에서 3D 이상 해석영역으로 구성하였다[1-4,6,7].
본 연구에서는 터널 안정성 검토를 위해 3차원 수치해석을 수행하였으며 항목으로는 연직변위, 수평변위 2가지의 항목을 각각의 기준치와 비교하였다. 그림 4는 터널 변형 해석결과 예시를 나타낸 것이다.
본 수치해석은 흙막이 도면 및 지하철 구조물의 설계도서를 근거로 하였으며, 굴착공사로 인한 전반적인 안정성을 분석하였다[1-5]. 지하철 인접굴착 공사에 의한 도시철도 터널구조물 안정성 검토를 수행하였다.

대상 데이터

지하철 구조물 경계조건의 영향을 고려하여 규모는 가로 약 146m, 세로 약 110m로서 굴착심도는 약 12.45∼19.62m(최대 굴착깊이 32.65m)이고 지하철 본선에서 약 10.3m 이격되어 공사가 계획되었다.

이론/모형

Rock Bolt, Earth Anchor, Nail 등의 지중에 설치되는 지보재의 모델화에 있어서 절점 조건에 관계없이 모델화 할 수 있다[8]. 지반공학에 있어 가장 넓게 사용되는 파괴 기준은 Mohr-Coulomb 파괴기준이며, 본 프로그램에서는 항복면의 내측에서는 탄성적 거동을, 외측에서는 소성적 거동을 나타내며 Mohr-Coulomb의 기준을 근거로 완전 탄성체를 채택하고 있다[8].

성능/효과

2) 연구결과, 기존 구조물 철거단계에서 발생되는 터널의 연직변위 증가수준이 굴착단계와 유사한 수준으로 나타났으며 되메우기 단계에서 다시 초기치를 확보하는 것으로 분석되었다. 따라서 철거단계에서의 발생 변위 수준은 되메우기 단계의 초기 변형수준이므로 기존 구조물의 철거단계에서의 발생변위수준을 관리하는 것도 굴착단계에서의 변위관리와 마찬가지로 기존 구조물의 변형측면에서의 안정성 확보를 위해 중요한 요소인 것으로 분석되었다.
3) 대형굴착공사가 수반된 신축건물 건설을 위한 기존 구조물의 철거부터 굴착공사까지의 시공단계에 따른 지하철 구조물의 안정성 검토결과 모든 응답이 허용 범위 이내로 나타나 인접굴착공사에 따른 기존 지하철 구조물은 충분한 안정성을 확보한 것으로 나타났다.
그림 5와 같이 철거 단계별 최대연직변위는 Step1 0.406mm, Step2 0.773mm, Step3 1.124mm로 초기치 대비 증가는 약 90%∼176% 수준으로 나타났으며 되메움 단계에서의 최대연직변위는 Step1 0.984mm, Step2 0.810mm, Step3 0.629mm, Step4 0.449mm로 초기치 대비 변위 감소수준은 약 17%∼54% 인 것으로 분석되었다.
분석결과, 철거 단계부터 터파기 단계까지의 변위는 초기치 대비 최대 300%증가되었다. 되메움 최종단계에서의 최대 연직변위보다 터파기 시작 단계에서의 연직변위 증가분은 약 0.337mm정도이며 굴착의 영향으로 변위가 발생하고 연직변위 허용기준치(3mm)를 만족하여 인접굴착공사에 따른 터널변위 수준은 안정적인 것으로 분석되었다.
2) 연구결과, 기존 구조물 철거단계에서 발생되는 터널의 연직변위 증가수준이 굴착단계와 유사한 수준으로 나타났으며 되메우기 단계에서 다시 초기치를 확보하는 것으로 분석되었다. 따라서 철거단계에서의 발생 변위 수준은 되메우기 단계의 초기 변형수준이므로 기존 구조물의 철거단계에서의 발생변위수준을 관리하는 것도 굴착단계에서의 변위관리와 마찬가지로 기존 구조물의 변형측면에서의 안정성 확보를 위해 중요한 요소인 것으로 분석되었다. 또한 수직 및 수평방향 변형 발생 수준은 유사한 것으로 나타났으며 인접공사구간에 영향을 받는 변위발생위치는 굴착공사 시종점부에서 발생변위의 편차가 가장 크고 최대값은 굴착공사 중심에서 발생되는 것으로 분석되었다.
따라서 철거단계에서의 발생 변위 수준은 되메우기 단계의 초기 변형수준이므로 기존 구조물의 철거단계에서의 발생변위수준을 관리하는 것도 굴착단계에서의 변위관리와 마찬가지로 기존 구조물의 변형측면에서의 안정성 확보를 위해 중요한 요소인 것으로 분석되었다. 또한 수직 및 수평방향 변형 발생 수준은 유사한 것으로 나타났으며 인접공사구간에 영향을 받는 변위발생위치는 굴착공사 시종점부에서 발생변위의 편차가 가장 크고 최대값은 굴착공사 중심에서 발생되는 것으로 분석되었다.
또한 신축구조물 공사를 위한 터파기 단계별 터널의 최대연직변위 해석결과는 단계별로 각각 Step1 0.786mm, Step2 1.004mm, Step3 1.212mm, Step4 1.418mm, Step5 1.625mm, Step6 1.550mm로 초기치 대비 증가수준은 약 27%∼97%로 나타나 터파기 시공단계별 변위증가수준은 철거단계보다 약 30.83% 높은 수준인 것으로 분석되었다.
8% 감소하는 것으로 분석되었다. 분석결과, 공사단계별로 전반적인 변형은 발생하나 각각의 단면력이 허용기준 범위 이내에 나타난 것으로 분석되었다.
83% 높은 수준인 것으로 분석되었다. 분석결과, 철거 단계부터 터파기 단계까지의 변위는 초기치 대비 최대 300%증가되었다. 되메움 최종단계에서의 최대 연직변위보다 터파기 시작 단계에서의 연직변위 증가분은 약 0.
그림 6과 같이 철거, 되메움, 터파기 단계에서 연직변위의 측정값과 똑같은 수준의 최대 수평변위값이 측정되었다. 수평변위 허용기준치(3mm)를 만족하여 인접 굴착공사에 따른 터널변위 수준은 안정적인 것으로 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초기 응력이란?	초기 응력이란 굴착 작업 전 초기응력 상태를 말하며 전 요소의 절점 변위를 0으로 하고 절점 응력은 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다[8]. 지반을 지중 굴착할 때 초기 응력을 받고 있는 지반이 굴착부분에서 응력의 해방을 받게 된다[8].
	지보재의 특징은?	이때 이 자유면이 받는 하중은 초기응력으로부터 계산되는데 이 하중을 해방력이라고 한다[8]. 지보재는 터널과 같은 지중 내 굴착면에서의 붕괴를 방지하고 그 기능과 형상을 유지할 목적으로 실시하고 있으며 주지보재로는 Shotcrete, Rock Bolt, Fore Poling 등이 이용되고 있다[8].
	기존 구조물 철거단계에서 발생되는 터널의 연직변위 증가수준의 특징은?	2) 연구결과, 기존 구조물 철거단계에서 발생되는 터널의 연직변위 증가수준이 굴착단계와 유사한 수준으로 나타났으며 되메우기 단계에서 다시 초기치를 확보하는 것으로 분석되었다. 따라서 철거단계에서의 발생 변위 수준은 되메우기 단계의 초기 변형수준이므로 기존 구조물의 철거단계에서의 발생변위수준을 관리하는 것도 굴착단계에서의 변위관리와 마찬가지로 기존 구조물의 변형측면에서의 안정성 확보를 위해 중요한 요소인 것으로 분석되었다. 또한 수직 및 수평방향 변형 발생 수준은 유사한 것으로 나타났으며 인접공사구간에 영향을 받는 변위발생위치는 굴착공사 시종점부에서 발생변위의 편차가 가장 크고 최대값은 굴착공사 중심에서 발생되는 것으로 분석되었다.

참고문헌 (8)

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J.S. Chung, M.H Kim, S.G Lee, H.J Kim, Y.W. Shin, "A Study on the Behaviour of the Station Structure due to Adjacent Construction". Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 17, No. 11, pp. 55-64, 2016
S.S. Jeon, S.S. Lee, "Track Stability Assessment for Deep Excavations in Adjacent to Urban Railways", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 19, No. 6, pp. 614-627, 2018
S.Y. Shin, J.S. Lee, Y.G. Park, "A study on the stability of the existing subway structure due to nearby construction of new railway line", 2009 Autumn Conference of the Korean Society for Railway, 2009.11, pp. 2148-2165, 2009
S.B. Seo, J.W. Park, "Measurement Management of Track Irregularity in the Case of Crossing or Neighboring Railway Construction and Improvement", Journal of the Korean Society of Civil Engineers Magazine, Vol. 55, No. 1, pp. 49-56, 2007
S.S. Lee, S.J. Lee, Y.G. Park, S.S. Jeon, "Assessment of Track Stability for Urban Railway in Adjacent to Deep Excavation" 2016 Spring Conference of the Korean Society for Railway, 2016.05 pp. 361-366, 2016
J.Y. Choi, P.S. Kim, J.S. Chung, "A Study on Optimum Spacing of Rail Joint for Personal Rapid Transit(PRT) Track System", The Journal of the Convergence on Culture Technology(JCCT), Vol. 4, No. 3, p.213-220, 2018
Yang, H., "Corner Behavior of Retaining Wall Supported by Corner Strut", Master's thesis, Gachon University, 2004

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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