[논문]인접굴착공사에 따른 지하철 궤도 변형 해석을 위한 매개변수 연구

최정열; 조수일; 정지승

doi:10.17703/jcct.2020.6.4.669

인접굴착공사에 따른 지하철 궤도 변형 해석을 위한 매개변수 연구
Parameter Study of Track Deformation Analysis by Adjacent Excavation Work on Urban Transit 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.6 no.4, 2020년, pp.669 - 675

최정열 (동양대학교 철도건설안전공학과) , 조수일 (서울교통공사 토목2사업소) , 정지승 (동양대학교 철도건설안전공학과)

초록
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본 연구에서는 인접굴착공사 시 지하철 궤도에 발생되는 변형수준을 평가하는데 있어서 3D 해석 모델로 분석하였으며, 해석의 주요 매개변수로서 터널모델의 경계조건과 지하수위 적용 수준 설정하여 해석을 수행하였다. 3차원 수치해석 모델을 이용한 궤도틀림 영향 검토 결과, 3차원 모델의 시종점부 경계조건의 구속조건을 변경하고, 설계지 하수위가 아닌 현장지하수위를 고려한 해석모델의 경우 보다 합리적인 궤도변형 예측이 가능한 것으로 분석되었다. 또한 해석모델의 경계조건 및 하중조건에 따른 궤도틀림의 영향은 방향틀림, 고저틀림 및 궤간틀림과 같이 레일의 종방향 상대변위 발생에 직접적인 영향을 받는 인자에서 보다 명확한 차이가 발생되었다. 따라서 열차진행방향에 대한 선로의 변형유무를 평가하기 위한 인접굴착공사에 따른 궤도안정성 평가 시에는 레일의 변형수준을 평가할 수 있는 3차원 수치모델을 사용하여 궤도의 변형을 평가하는 것이 적정한 것으로 분석되었다. 또한 수치모델의 시종점부 경계조건 및 하중조건 설정에 주의가 필요한 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, 3D analysis was compared in evaluating the track deformation of subway structures during adjacent excavation. For the 3D analysis model, the boundary conditions of the tunnel model and the application level of the ground water were analyzed as variables. As the result of the effects of track irregularity using the 3D model, the analysis model considering the site ground water level instead of the design values and changing the constraint of the boundary condition is more reasonable. In addition, the influence of track irregularity due to the boundary condition and load condition of the analytical model is more obvious in the factors directly affected by the longitudinal relative displacement of the rail, such as alignment, cross level and gauge irregularity. Therefore, the evaluation on track stability according to adjacent excavation work was appropriate to analysed the longitudinal deformation of the track by using 3D model that could be investigate the deformation of rail. In addition, the boundary condition and load condition(ground water level) of the numerical model was important for accurate analysis results.

주제어

표/그림 (10)

그림 그림 1. 수치해석 모델(Geometry and Mesh) Figure 1. Finite element model (Geometry and Mesh)
그림 그림 2. 하중적용 Figure 2. Load condition
표 표 1. 터널구조물의 해석제원 Table 1. Properties of tunnel structure
그림 그림 3. 수치해석조건 Figure 3. Finite element analysis condition
그림 그림 4. 궤도틀림 해석결과(예) Figure 4. Analysed results of track irregularity
그림 그림 5. 고저틀림 분석결과 Figure 5. Analysed results of vertical profile
그림 그림 6. 방향틀림 분석결과 Figure 6. Analysed results of cross level
그림 그림 7. 뒤틀림 분석결과 Figure 7. Analysed results of twist
그림 그림 7. 수평틀림 분석결과 Figure 7. Analysed results of Alignment
그림 그림 8. 궤간틀림 분석결과 Figure 8. Analysed results of gauge

AI 본문요약
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문제 정의

인접굴착공사 시 지하철 궤도에 발생되는 변형수준을 평가하는데 있어서 3D해석모델의 적정성을 평가하고자 한다. 또한 3D 해석모델의 경계조건과 지하수위 적용 수준을 변수로 현실성있는 모델링과 지하철 궤도의 변형수준을 해석하고 안전성을 검토하고자 한다[5,8].
본 연구는 도시형생활주택 신축공사 중 지하층 시공을 위한 굴착 공사로 인해 발생될 수 있는 인접 지하철의 궤도변형측면에서의 안전성을 분석하고자 3차원 수치해석을 수행하여 궤도틀림 기준치와 비교, 분석하였다.
인접굴착 공사가 시행되는 영역 또는 모델링의 규모와 모델의 시종점부 경계조건의 설정 방식에 따라 해석결과는 각기 상이하게 나타나며 이에 따라 실제 현장에서의 거동과는 다소 상이하며 과대수치 예측으로 인해 불필요한 보강공사가 이루어지는 실정이다. 본 연구에서는 인접굴착공사에 따른 운행선 지하철 궤도 변형 해석 시 적합한 수치 모델링 방법을 도출하고자 하였다[1,4,5,8]. 인접굴착공사 시 지하철 궤도에 발생되는 변형수준을 평가하는데 있어서 3D해석모델의 적정성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 인접굴착공사에 따른 운행선 지하철 궤도 변형 해석 시 적합한 수치 모델링 방법을 도출하고자 하였다[1,4,5,8]. 인접굴착공사 시 지하철 궤도에 발생되는 변형수준을 평가하는데 있어서 3D해석모델의 적정성을 평가하고자 한다. 또한 3D 해석모델의 경계조건과 지하수위 적용 수준을 변수로 현실성있는 모델링과 지하철 궤도의 변형수준을 해석하고 안전성을 검토하고자 한다[5,8].

제안 방법

1) 본 연구에서는 3차원 수치해석 모델의 시종점부 경계조건의 구속조건을 변경하고, 설계지하수위가 아닌 현장지하수위를 고려한 해석모델로 인접지하철 궤도의 변형수준을 평가하였다.
경계조건의 경우 좌·우측 및 하부 경계면에는 Roller 조건(수직변위는 허용, 수평변위는 구속)이고 하부 양단모서리는 Hinge 조건(수직 및 수평변위 구속)을 경계조건으로 적용하였다[1,4,6,8].
본 연구에서는 3D모델링의 경우 현실적인 모델링을 하고자 경계조건 및 초기 응력조건을 달리하여 Model A와 Model B로 나누어 수치해석을 검토하였다. 또한 구조물 변형해석 조건에 맞게 지하철 궤도 변형해석을 분석하여 도심 지하철 인접굴착에 따른 궤도구조물의 국내궤도틀림 기준과 비교하여 궤도변형측면에서의 안전성을 평가하였다[1,2,4-8].
반면 Model B의 경우 터널경계면의 측면변위만을 구속조건으로 설정하여 터널모델의 시종점부 경계부에서 발생되는 회전모멘트를 허용함으로써 국부적인 응력집중현상을 방지할 수 있도록 구성하였다. 또한 터널시공 시에는 지하수위가 낮은 조건이었으나 설계시 고려하는 지하수위는 이상적으로 높게 설정되어 있으므로 현장 지하수위조사결과를 적용하여 현실성있는 낮은 지하수위조건으로 초기응력을 정의하였다[2,9].
터널 굴착에 따른 지반 응력의 영향권영역을 해석 영역으로 설정하여야 한다[5,8]. 본 검토 시하부 굴착 폭 및 좌, 우하부에 굴착 폭의 4배 이상의 해석영역을 적용하였다[8]. 본 연구에서는 해석영역의 경우 터널 상부는 지표면까지 모델링 하였고 측방의 경우 측벽에서 4D 이상 및 하부 또한 바닥에서 4D 이상 적용하였다[1,4,6,8].
본 연구에서 수행한 3차원 수치해석은 지하 터널구조물과 터널구조물 주변의 지반요소에 대한 초기응력 수준을 변수로 하여 3차원 수치해석을 수행하였으며 해석모델별 경계조건 및 초기응력 조건은 그림 3과 같다[9].
본 연구에서는 3D모델링의 경우 현실적인 모델링을 하고자 경계조건 및 초기 응력조건을 달리하여 Model A와 Model B로 나누어 수치해석을 검토하였다. 또한 구조물 변형해석 조건에 맞게 지하철 궤도 변형해석을 분석하여 도심 지하철 인접굴착에 따른 궤도구조물의 국내궤도틀림 기준과 비교하여 궤도변형측면에서의 안전성을 평가하였다[1,2,4-8].
본 연구에서는 각각 다른 해석조건을 설정한 3차원 수치해석 모델을 Model A의 경우 터널모델의 경계면에서 지반요소와 결합된 위치의 요소경계조건을 회전방향은 구속하고 터널 측면변위를 구속하는 조건을 설정하였으며, 지반요소에 작용하는 초기응력의 조건을 등방조건으로 설정하고 설계 시 고려한 최고 지하수위를 설정하여 초기응력을 정의하였다. 반면 Model B의 경우 터널경계면의 측면변위만을 구속조건으로 설정하여 터널모델의 시종점부 경계부에서 발생되는 회전모멘트를 허용함으로써 국부적인 응력집중현상을 방지할 수 있도록 구성하였다.
본 연구에서는 궤도변형 안정성 검토를 위해 3차원 수치해석을 수행하였으며 궤도변형 안정성 검토 항목으로는 고저틀림, 방향틀림, 뒤틀림, 수평틀림, 궤간틀림 5가지의 항목을 각각의 기준치와 비교하고자 한다[1]. 그림4는 궤도틀림 해석결과 예시를 나타낸 것이다[9].
경계조건의 경우 좌·우측 및 하부 경계면에는 Roller 조건(수직변위는 허용, 수평변위는 구속)이고 하부 양단모서리는 Hinge 조건(수직 및 수평변위 구속)을 경계조건으로 적용하였다[1,4,6,8]. 본 연구에서는 범용 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS NX Program을 사용하여 지반굴착에 따른 인접지하철 궤도의 변형특성을 검토하였다[1,4,6,8]. 또한 해석에 적용된 부재별 물성치는 표 1과 같다[8].
본 검토 시하부 굴착 폭 및 좌, 우하부에 굴착 폭의 4배 이상의 해석영역을 적용하였다[8]. 본 연구에서는 해석영역의 경우 터널 상부는 지표면까지 모델링 하였고 측방의 경우 측벽에서 4D 이상 및 하부 또한 바닥에서 4D 이상 적용하였다[1,4,6,8]. 경계조건의 경우 좌·우측 및 하부 경계면에는 Roller 조건(수직변위는 허용, 수평변위는 구속)이고 하부 양단모서리는 Hinge 조건(수직 및 수평변위 구속)을 경계조건으로 적용하였다[1,4,6,8].

성능/효과

2) 연구결과, 모든 궤도틀림 평가항목이 허용기준치 이내로 나타나 인접굴착에 따른 지하철 궤도변형에 따른 구조적 문제는 없을 것으로 분석되었다. 또한 수치해석 모델의 경계조건 및 하중조건이 궤도틀림 해석결과에 미치는 영향 검토 결과, 방향틀림, 고저틀림 및 궤간틀림과 같이 레일의 종방향 상대변위 발생에 직접적인 영향을 받는 인자에서 보다 명확한 차이가 발생되는 것으로 분석되었다.
3) 따라서 열차진행방향에 대한 선로의 변형유무를 평가하기 위한 인접굴착공사에 따른 궤도안정성 평가 시에는 종방향 레일의 변형수준을 평가할 수 있는 3차원 수치모델을 사용하여 궤도의 변형을 평가하는 것이 적정한 것으로 분석되었고, 수치모델의 시종점부 경계조건 및 하중조건 설정에 주의가 필요한 것으로 분석되었다.
Model A대비 Model B의 최대 궤간틀림은 약 78.4% 작게 나타났고 수평방향 궤도변형은 굴착영역 중심부가 아닌 시종점부에서 나타나 해석 모델링의 매개변수에 대한 설정이 해석치에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다
137mm로 나타났다. Model A와 Model B 모두 고저틀림 허용 기준치 4mm를 만족하여 굴착공사에 따른 궤도변형 수준은 안정적인 것으로 분석되었다. 또한 Model A 대비 Model B의 최대 연직변위차는 약 83.
059mm로 나타났다. Model A와 Model B의 최대 수평변위차 발생 지점이 다르게 나타났으나 모두 방향틀림 허용 기준치 4mm를 만족하여 굴착공사에 따른 궤도변형 수준은 안정적인 것으로 분석되었다. 또한 Model A대비 Model B의 최대 수평변위차가는 약 86.
궤간틀림(좌·우 레일의 최대 수평변위차) 검토결과, 그림 8과 같이 최대 변위차는 Model A와 Model B 모두 굴착영역 시종점부에서 발생하였으며 각각 약 ±0.116, 약±0.025로 나타났다.
Model A와 Model B 모두 고저틀림 허용 기준치 4mm를 만족하여 굴착공사에 따른 궤도변형 수준은 안정적인 것으로 분석되었다. 또한 Model A 대비 Model B의 최대 연직변위차는 약 83.8% 작게 나타났으며 발생 지점이 다르게 나타나 해석 모델링의 매개변수에 대한 설정이 해석치에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
Model A와 Model B의 최대 수평변위차 발생 지점이 다르게 나타났으나 모두 방향틀림 허용 기준치 4mm를 만족하여 굴착공사에 따른 궤도변형 수준은 안정적인 것으로 분석되었다. 또한 Model A대비 Model B의 최대 수평변위차가는 약 86.6% 작게 나타났으며 해석 모델링의 매개변수에 대한 설정이 해석치에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
또한 뒤틀림과 수평틀림 모두 Model A대비 Model B의 최대 연직변위차는 각각 약 작게 나타났으며 발생 지점이 다르게 나타나 해석 모델링의 매개변수에 대한 설정이 해석치에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
2) 연구결과, 모든 궤도틀림 평가항목이 허용기준치 이내로 나타나 인접굴착에 따른 지하철 궤도변형에 따른 구조적 문제는 없을 것으로 분석되었다. 또한 수치해석 모델의 경계조건 및 하중조건이 궤도틀림 해석결과에 미치는 영향 검토 결과, 방향틀림, 고저틀림 및 궤간틀림과 같이 레일의 종방향 상대변위 발생에 직접적인 영향을 받는 인자에서 보다 명확한 차이가 발생되는 것으로 분석되었다.
방향틀림(좌·우 레일의 10m 간격 최대 수평변위차) 검토결과, 그림 6과 같이 최대 변위차는 Model A의 경우 좌측궤도 좌측레일에서, Model B의 경우 우측궤도 우측 레일에서 발생하였으며 각각 0.441mm, 0.059mm로 나타났다.
095mm로 나타났다. 분석결과, Model A와 Model B 모두 뒤틀림(기준치 4.5mm)과 수평틀림(기준치 4mm)의 관련기준을 만족하여 굴착공사에 따른 궤도변형 수준은 안정적인 것으로 분석되었다. 또한 뒤틀림과 수평틀림 모두 Model A대비 Model B의 최대 연직변위차는 각각 약 작게 나타났으며 발생 지점이 다르게 나타나 해석 모델링의 매개변수에 대한 설정이 해석치에 직접적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
분석결과, Model A와 Model B 모두 수평틀림 허용 기준치(–3mm≤F≤11mm)를 만족하여 굴착공사에 따른 궤도변형 수준은 안정적인 것으로 분석되었다.

참고문헌 (8)

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. 1, p. 55-64, 2016
S.S. Jeon, Y.K. Park, S.J. Lee, K.W. Yoon, "Stability Assessment of Roadbed Affected by Cavities Adjacent to Urban Railways", Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 21, No. 1, pp. 66-77, 2018

상세보기
B.S. Oh, "A Case Study on the Cause and Reinforcement of Railroad Facilities Settlement According to the Ground Excavation", Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 13, No. 10, pp. 85-94, 2012
S.S. Jeon, S.S. Lee, "Track Stability Assessment for Deep Excavations in Adjacent to Urban Railway", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 19, No. 6, pp. 614-627, 2018
J.Y. Choi, D.Y. Park, J.S. Chung, "Evaluation of Track Irregularity Effect due to Adjacent Excavation on Serviced Railway Line", Jornal of the Convergence on Culture Technology(JCCT), Vol. 5, No.4, pp. 401-406, 2019
B.H. Park, "A Bayesian Regression Model to Estimate the Deterioration Rate of Track Irregularities", Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 19, No. 4, pp. 547-554, 2016.

원문보기 상세보기
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
Cho, S., A Study on Deformation of Subway Structures by Adjacent Excavation Work, Master's thesis, Dongyang University, 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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