[논문]터널 상·하반 분할 굴착 시 강지보재 지지구조 효과에 대한 연구

김기현; 김연덕; 황병현; 최용규; 김상환

doi:10.9711/ktaj.2020.22.5.543

초록
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본 논문은 터널 강지보 지지구조의 효과에 대한 연구 결과이다. 터널 굴착에 있어 상·하 반단면 굴착 공법은 상반굴착 후 지반이 불량한 경우, 강지보재의 지지력 부족으로 강지보재의 침하가 발생한다. 상반 굴착부에 설치된 강지보재 기초부가 하반을 굴착함에 따라 자체 하중, 측압 등 여러 영향으로 강지보재의 침하가 발생된다. 이로 인하여 터널 내공유지 곤란 및 안전성에 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 강지보재 지지구조체를 개발하였다. 이를 검증하기 위해 Terzaghi 이론식을 이용한 하중 및 하반 굴착으로 발생하는 ΔP를 구해 수치해석을 통한 구조검토 및 검증, 숏크리트 및 강지보재의 재료상사를 통한 축소모형 실험으로 지지구조체 유·무에 따른 거동특성을 분석하였다. 그 결과, 풍화토~연암 각 지반의 경우 토피고 10~40 m 구간에 대해 20.100~198.423 kN의 지지구조가 필요한 것으로 나타났다. 또한 축소모형 실험 결과 강지보재 지지구조체 설치 시 강지보재의 침하는 미설치시의 50% 수준으로 나타났다. 본 연구를 통하여 강지보재 지지구조체의 설치로 시공 시 발생하는 불확실성 및 여러 문제점을 보완할 수 있을 것으로 보여진다. 또한 강지보재 지지구조체 설치로 안정성, 경제성 및 공기 단축등과 같은 여러 효과로 적용성 또한 클 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is the result of the study on the effect of the support structure of the tunnel steel rib. In tunnel excavation, the top and bottom half excavation methods result in subsidence of steel rib reinforcement due to insufficient support of steel rib reinforcement when the ground is poor after ...

This paper is the result of the study on the effect of the support structure of the tunnel steel rib. In tunnel excavation, the top and bottom half excavation methods result in subsidence of steel rib reinforcement due to insufficient support of steel rib reinforcement when the ground is poor after excavation. The foundation of the steel rib installed in the upper half excavates the bottom part of the base, causing the subsidence to occur due to various effects such as internal load and lateral pressure. As a result, the tunnel is difficult to maintain and its safety is problematic. To solve these problems, steel rib support structures have been developed. For the purpose of verification, the behavior of the supporting structure is verified by model experiments reduced to shotcrete and steel rib material similarity, the numerical analysis of ΔP and ΔP generated by bottom excavation by Terzaghi theoretical equation. As a result, it was found that the support structure of 20.100~198.423 kN is required for the 10~40 m section of the depth for each soil of weathered soil~soft rock. In addition, as a result of the reduced model experiment, a fixed level of 50% steel rib deposit of steel rib support structure was installed. The study shows that the installation of steel rib support structures will compensate for uncertainties and various problems during construction. It is also thought that the installation of steel rib support structure will have many effects such as stability, economy, and air reduction.

주제어

표/그림 (27)

그림 Fig. 1. Steel rib subsidence after upper and bottom
그림 Fig. 2. Schematic diagram of tunnel steel rib support structure
그림 Fig. 3. Theoretical behavior of support load (Kim, 2020)
그림 Fig. 4. Ground-support interaction theory (Kim, 2020)
그림 Fig. 5. Ground reaction force according to depth
표 Table 1. Design constant
표 Table 2. Relaxation load at each construction stage according to soil depth
그림 Fig. 6. Relaxation load application
그림 Fig. 7. Relaxation load application
표 Table 3. Ground spring coefficient
표 Table 4. Steel rib term
그림 Fig. 8. Difference in reaction force due to excavation in the bottom half
그림 Fig. 9. Equipment drawings
그림 Fig. 10. Model experiment panoramic view
$Fig. 12. <TEX>${\sigma}-{\epsilon}$</TEX> graph$ 그림 Fig. 12. ${\sigma}-{\epsilon}$ graph
표 Table 5. Sample case
표 Table 6. Uniaxial compression results
표 Table 7. Displacement according to load
표 Table 8. Strain coefficient
표 Table 9. Material constant (Kim, 2020)
그림 Fig. 13. Select thickness
표 Table 10. Material specification
그림 Fig. 14. Scale model
그림 Fig. 15. Order of experiment
그림 Fig. 16. Displacement shape when supporting structure is not installed
그림 Fig. 17. Displacement shape when installing support structure
그림 Fig. 18. Settlement of steel ribs with or without supporting structure

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 보완하기 위해 강지보 지지구조체를 개발하였다. 이를 검증하기 위해 Terzaghi 하중식을 사용하여 이론 및 수치해석적 검증을 하였으며, 모형 실내시험을 통하여 강지보 지지구조체 설치 유무에 따른 강지보재의 거동특성을 검토하였다.

제안 방법

모형 실내실험은 강지보재 지지구조체의 설치 유무에 따른 거동특성을 비교 ‧ 분석하기 위해 강지보재 지지구조체의 미설치 및 설치 2종류의 실험 Case를 선정하여 실험을 진행하였다. 실험의 진행순서는 Fig.
본 연구에서 개발한 터널 강지보재 지지구조는 터널 시공 방법 및 터널 지지 구조에 관한 것으로, 분할 굴착으로 형성되는 터널의 지지 구조는, 터널의 굴착형태에 대응해 만곡되게 형성된다. 터널 지지구조체는 굴착면을 지지하는 지보재 및 지보재의 하부 공간을 후속 굴착하기 전에 지보재를 지반에 고정시키는 앵커를 말한다.
따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 보완하기 위해 강지보 지지구조체를 개발하였다. 이를 검증하기 위해 Terzaghi 하중식을 사용하여 이론 및 수치해석적 검증을 하였으며, 모형 실내시험을 통하여 강지보 지지구조체 설치 유무에 따른 강지보재의 거동특성을 검토하였다.

이론/모형

모형지반의 균일한 지반조성을 위해 강사법을 이용하여 지반을 조성하였으며, 그 지반의 변형계수를 측정하여 상사법을 통한 강지보재를 제작하기 위해 본 실험을 진행 하였다. 실험을 위해 일축 압축 시험기를 사용하였다. 일축 압축 시험은 축하중을 가하여 변형 또는 응력을 측정해 압축강도를 구하는 방법으로 KS F 2314 (2018)를 참고해 진행하였다.
하반 굴착에 따른 증가되는 지보압 검토는 Terzaghi 하중식을 이용해 실시하였다. 터널제원 및 지반조건에 따른 일반적으로 이용되고 있는 지반압 산정식은 다음과 같다.

성능/효과

1. 이론적으로 Terzaghi 이완하중식을 이용해 하반굴착에 따른 추가되는 연직이완하중을 산정하였고 그 결과 최고 40 m의 토피고에서 연암, 풍화암, 풍화토에 추가되는 연직이완하중은 각각 36.635 kN, 38.460 kN, 33.195 kN의 값이 나타났다.
2. 지지구조체 설치 유무에 대한 수치해석을 통한 반력검토에서 Terzaghi 이완하중식을 토대로 하반굴착에 따른 추가되는 연직이완하중을 계산하여 연직방향 하중으로 하여 검토하였으며, 그 결과 토피고 40 m에서 연암, 풍화암 및 풍화토에서 각각 194.825 kN, 198.423 kN, 163.701 kN의 값이 나왔다. 향후 설계 시 이를 토대로 토피고에 따른 추가되는 하중 ΔP를 산정하여 이를 견디도록 설계 시 검토하여야할 것이다.
3. 실내 모형실험을 통한 거동특성을 분석한결과 강지보재 지지구조체 설치 시 하반굴착에 따른 침하는 미설치한 조건대비 약 50% 적게 나타났다. 이는 강지보재 지지구조체의 설치로 인하여 침하를 억제하여 지보재 침하로 인한 불확실성을 최소한으로 줄일 수 있는 시공법으로 판단된다.

후속연구

또한 지반조건이 양호하다는 전제 조건으로 다양한 공법을 대체 할 수 있을 것으로 판단되며, 이로 인한 안정성, 경제성, 및 공기 단축등과 같은 여러 효과로 적용성 또한 클 것으로 판단되어진다. 또한 설계를 위해 향후 설치 각도 및 설치 길이에 대한 추가 연구가 진행되어야 할 것이다.
상기 다양한 방법으로 검토한 결과 강지보재 지지구조체 설치 시 상반 시공 완료 후 하반 굴착에 따른 불확실성 및 여러 문제점을 보완할 수 있다. 또한 지반조건이 양호하다는 전제 조건으로 다양한 공법을 대체 할 수 있을 것으로 판단되며, 이로 인한 안정성, 경제성, 및 공기 단축등과 같은 여러 효과로 적용성 또한 클 것으로 판단되어진다. 또한 설계를 위해 향후 설치 각도 및 설치 길이에 대한 추가 연구가 진행되어야 할 것이다.
701 kN의 값이 나왔다. 향후 설계 시 이를 토대로 토피고에 따른 추가되는 하중 ΔP를 산정하여 이를 견디도록 설계 시 검토하여야할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	NATM터널에 있어 지보재의 설계개념은 무엇인가?	NATM터널에 있어 지보재의 설계개념은 굴착 후 지반 자체의 지보능력이 최대한 발휘되도록 숏크리트, 록볼트, 강지보재 등의 주지보재를 이용해 터널의 안정성을 유지하는 것이다(Park et al., 2008).
	하반굴착 시 강지보재의 기초부가 하반굴착에 따라 강지보재의 하중 및 측압 등의 영향으로 강지보재의 침하가 발생하므로 터널의 안정성에 문제가 발생하는데, 이러한 문제로 어떠한 외적인 문제점을 야기하는가?	또한 하반굴착 시 강지보재의 기초부가 하반굴착에 따라 강지보재의 하중 및 측압 등의 영향으로 강지보재의 침하가 발생하므로 터널의 안정성에 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제점들로 터널 굴착 시 내공을 유지하기 곤란하여 안정성, 공기 지연 및 추가 공사비 등으로 인한 공사비 증대 등 여러한 문제점을 야기한다.
	NATM 터널은 무엇인가?	이에 대한 최선의 해결책으로 등장한 것이 도심지에 터널을 건설하여 도시철도 및 도로 등을 운영하게 되었다(Tunnel and Underground Space in Korea, 2007). 그중 NATM 터널은 록볼트와 숏크리트를 중요한 지보 부재로 하여 지반의 강도 약화를 최대한 억제하며, 지반이 원래 가지고 있는 내하능력 즉 지지력을 적극적으로 활용하면서 현장계측 및 관리를 바탕으로 터널을 굴진하는 공법이다(Yang et al., 2010).

참고문헌 (7)

Kim, K.H. (2020), A study on the structure of tunnel steel rib support, Ph.D. Thesis, Kyungsung University, pp. 13-95.
Korea Rail Network Authority (2010), Seoul metropolitan high speed railway (Suseo-Pyoungtaek) design of roadbed and optimization of concrete lining.
KS F 2314 (2018), Standard test method for unconfined compression test of soils, National Institute of Technology and Standards, Korea.
Park, S.C., Kim, S.S., Shin, Y.W., Shin, H.S., Kim, Y.G. (2008), "A numerical study on the analysis of behavior characteristics of inclined tunnel considering the optimum direction of steel rib", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 10, No. 3, pp. 245-256.
Terzaghi, K. (1946), Rock defects and loads on tunnel support, Rock Tunneling with Steel Supports, eds. R.V. Proctor and T. White, Commercial Shearing Co., Youngstown, pp. 15-99.
Tunnel and Underground Space in Korea (2007), Tunnel engineering series 2 tunnel theory and practice, Goomibook, Seoul, pp. 3-4.
Yang, J.Y., Choe, B.S., Yun, I.B., Im, H.C. (2010), "Reinforcement case of low depth soil tunnels in urban areas", Magazine of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 12, No. 2, pp. 47-56.

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