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문제 정의
- 또한 강도정수 설정을 위해 20개 이상의 설계사례를 분석하여 결정하였으며, 하중분배율은 장석부 등(1998)이 제안한 산정식에 의해, 측압계수(棚)는 경암, 보통암, 연암, 풍화암(扁 = W(1 —〃)과 완전풍화(命 = 1 —sin©)를 구분하여 수치해석에 적용하였다. 또한, 본 연구에서는 필라 보강공법 중 현장에서 가장 유용하게 쓰이고 있는 Tension bolt 보강공법과 grouting 보강공법의 적용을 고려할 수 있도록, 무보강의 경우에 대해 수행된 수치해석 결과로서 도출된 필라의 안정성 평가기법을 토대로 보강공법의 적용을 고려한 해석기법을 제시하였다.
- 본 연구에서는 병설터널 굴착으로 인한 상호간섭 효과로 발생하는 변위와 응력의 경향성을 분석하기 위하여 유한요소 프로그램인 Pentagon2D를 이용하여 재료학적 조건인 지반물성 및 측압계수와 기하하적 형상 요소인 토피고와 터널간 이격거리를 다양하게 변화시켜가며 분석을 시행하였다. 분석시 터널의 굴착 방법은 전단면 굴착으로 하였으며, 터널형상을 원형으로 제한하여 터널 이격거리를 반영한 필라폭 (P)은 0.
가설 설정
- 상수이다. 병설터널 필라의 중앙부근은 근사적으로 대칭상태를 이루므로 연직방향과 수평 방향을 주응력 방향이라 가정할 수 있다. 따라서 식 2를 토대로 식 3 및 식 4에 의해 산정가능하다.
제안 방법
- 형상 및 암반의 물성치는 표 4와 동일하다. 다만, tension bolt 보강 분석시, 연암의 경우에는 표 4에 제시된 필라폭과는 달리 0.5D로 설정하였으며, 무결암의 일축압축강도는 모든 케이스에서 제안된 범위 중 최소값을 적용하였다. 또한 보강공법이 주로 적용되는 주변암반을 고려하여 tension bolt로 보강이 이루어진 암반을 보통암과 연암, grouting 공법에 적용되는 암반을 풍화암과 완전풍화로 제한하여 분석을 실시하였다.
- 대표값을 토대로 필라폭 변화와 토피고 변화에 따른 수치해석을 실시하였으며, 필라폭(P)은 0.25D ~ 0.50D까지 토피고(H)는 1.0D ~ 10.0D까지 변화를 주어 분석하였다. 분석시 무결암의 압축강도는 표 4 에 제시된 범위중 최대값과 최소값을 적용하였다.
- 0D로 변화시켜가며 분석을 시행하였다. 또한 강도정수 설정을 위해 20개 이상의 설계사례를 분석하여 결정하였으며, 하중분배율은 장석부 등(1998)이 제안한 산정식에 의해, 측압계수(棚)는 경암, 보통암, 연암, 풍화암(扁 = W(1 —〃)과 완전풍화(命 = 1 —sin©)를 구분하여 수치해석에 적용하였다. 또한, 본 연구에서는 필라 보강공법 중 현장에서 가장 유용하게 쓰이고 있는 Tension bolt 보강공법과 grouting 보강공법의 적용을 고려할 수 있도록, 무보강의 경우에 대해 수행된 수치해석 결과로서 도출된 필라의 안정성 평가기법을 토대로 보강공법의 적용을 고려한 해석기법을 제시하였다.
- 5D로 설정하였으며, 무결암의 일축압축강도는 모든 케이스에서 제안된 범위 중 최소값을 적용하였다. 또한 보강공법이 주로 적용되는 주변암반을 고려하여 tension bolt로 보강이 이루어진 암반을 보통암과 연암, grouting 공법에 적용되는 암반을 풍화암과 완전풍화로 제한하여 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 병설터널의 굴착을 대상으로 지반강도, 필라폭 및 토피고를 다양하게 변화시켜가며 수행된 수치해석결과에 대한 회귀분석을 시행하였으며, 회귀분석을 통해 필라의 유발응력 평가식과 Hoek-Brown 파괴기준을 적용하여 필라의 보강을 고려한 정량적 평가기법을 제안하였다. 또한, 제안된 기법을 이용하여 필라 주변의 암반강도 및 보강공법의 적용에 따른 변수분석을 시행하여 각 설계변수 및 보강형태 변화에 따른 영향정도를 평가하였다. 본 연구를 통해, 제안된 안정성 평가
- 병설터널 시공에 따른 필라부 유발응력 평가식 도출을 위해 수치해석 결과로부터 구한 응력값을 초기응력으로 나누어 정규화 하였으며, 정규화된 응력비를 토대로 회귀분석을 시행하여 지반강도와 필라 폭 및 토피고 등을 종합적으로 고려한 수 있는 필라의 유발응력 평가식을 제시하였다. 표 2에는 정규화된 응력 값들 중 풍화암에 대한 결과를 대표적으로 기술하였다.
- 본 분석에서는 필라의 보강을 위해 tension bolt를 적용하는 경우(그림 9)와 필라에 grouting 보강공법을 적용한 경우(그림 10)에 대해 보강 정도에 따른 안전율 변화를 분석하였으며, 분석에 적용된 터널 설치 형상 및 암반의 물성치는 표 4와 동일하다. 다만, tension bolt 보강 분석시, 연암의 경우에는 표 4에 제시된 필라폭과는 달리 0.
- 본 연구에서는 병설터널 굴착을 대상으로 지반강도, 필라폭 및 토피고를 다양하게 변화시켜가며 수행된 수치해석결과에 대한 회귀분석을 시행하였으며, 회귀분석을 통해 필라의 유발응력 평가식과 Hoek -Brown 파괴기준을 적용한 정량적인 필라의 안전율 평가방법을 제시 하였다. 이를 토대로 필라의 보강공법을 고려한 평가기법을 제시하였으며, 제안된 기법을 이용하여 필라 주변의 암반강도 및 보강공법의 적용에 따른 변수분석을 시행하였다.
- 병설터널의 시공에 의해 터널 사이에 위치하는 필라부는 점차적으로 편차응력이 증가하게 되고 이에 따라 터널 구조물의 안정성을 저하시키는 주요인이 되지만 필라의 거동에 대한 현재까지의 연구들은 주로 수치해석과 실내모형실험을 통한 병설터널의 거동평가 및 지표침하 경향에 국한되어 있어 필라의 정량적 평가를 위한 적용성측면에 한계가 있다. 본 연구에서는 병설터널의 굴착을 대상으로 지반강도, 필라폭 및 토피고를 다양하게 변화시켜가며 수행된 수치해석결과에 대한 회귀분석을 시행하였으며, 회귀분석을 통해 필라의 유발응력 평가식과 Hoek-Brown 파괴기준을 적용하여 필라의 보강을 고려한 정량적 평가기법을 제안하였다. 또한, 제안된 기법을 이용하여 필라 주변의 암반강도 및 보강공법의 적용에 따른 변수분석을 시행하여 각 설계변수 및 보강형태 변화에 따른 영향정도를 평가하였다.
- 본 연구에서는 제안된 기법을 이용하여 경암을 제외한 암반종류, 필라폭 및 무결암의 일축 압축강도 변화에 따른 안전율 변화 경향을 분석하였다. 분석시 무결암 일축압축강도는 Bieniawski에 의해 제안된 값을 적용하였으며, 암반강도는 a = 1/2로 가정한 Hoek-Brown 파괴기준을 적용하였다.
- 형상 요소인 토피고와 터널간 이격거리를 다양하게 변화시켜가며 분석을 시행하였다. 분석시 터널의 굴착 방법은 전단면 굴착으로 하였으며, 터널형상을 원형으로 제한하여 터널 이격거리를 반영한 필라폭 (P)은 0.25, 0.5, 1.0, 2.0 , 3.0, 5.0D로, 토피고(H)는 지표에서 터널천단까지의 깊이를 2.0, 3.0, 5.0, 9.0D로 변화시켜가며 분석을 시행하였다. 또한 강도정수 설정을 위해 20개 이상의 설계사례를 분석하여 결정하였으며, 하중분배율은 장석부 등(1998)이 제안한 산정식에 의해, 측압계수(棚)는 경암, 보통암, 연암, 풍화암(扁 = W(1 —〃)과 완전풍화(命 = 1 —sin©)를 구분하여 수치해석에 적용하였다.
- 중심과 터널 굴착부와 접하는 좌.우측 단부를 기준으로 분석하였으며, 분석위치에 대해 토피고, 필라폭 등의 변화에 따른 유발응력 변화를 대상으로 정리하였다.
- 파괴기준을 적용한 정량적인 필라의 안전율 평가방법을 제시 하였다. 이를 토대로 필라의 보강공법을 고려한 평가기법을 제시하였으며, 제안된 기법을 이용하여 필라 주변의 암반강도 및 보강공법의 적용에 따른 변수분석을 시행하였다. 분석결과 Tension Bolt 보강시 필라의 안전율은 수평간격이 l~3.
데이터처리
- 표 2에 기술된 바와 동일하게 각 암종별로 유발응력의 정규화를 시행하였으며, 정규화 된 결과들의 평균값을 토대로 회귀분석을 실시하였다. 회귀분석은 expotential함수를 모함수로 하여 non-linear fitting을 시행하였으며, 연암 이상의 경우 오차율 5%, 풍화암 이하의 경우 오차율 10%를 만족하는 함수를 응력비(S%, 및 SR吨) 산정식으로 결정하였다.
- 토대로 회귀분석을 실시하였다. 회귀분석은 expotential함수를 모함수로 하여 non-linear fitting을 시행하였으며, 연암 이상의 경우 오차율 5%, 풍화암 이하의 경우 오차율 10%를 만족하는 함수를 응력비(S%, 및 SR吨) 산정식으로 결정하였다.
이론/모형
- 따른 안전율 변화 경향을 분석하였다. 분석시 무결암 일축압축강도는 Bieniawski에 의해 제안된 값을 적용하였으며, 암반강도는 a = 1/2로 가정한 Hoek-Brown 파괴기준을 적용하였다. 암반종류와 상태에 따라 결정되는와 s는 이질암에 대해 제안한 값을 적용하였으며, 분석에 적용된 대표값은 표 4 와 같다.
- 적용할 수 있는 유일한 기준이며 이 기준은 주응력을 중심으로 한 것이다. 이에 수치해석을 통한 유발응력 평가식을 Hoek-Brown의 파괴기준에 의해 적용하였다. 기본적인 Hoek-Brown 공식의 형태는 식 2와 같다.
- 또한 t는 대상암반의 단위 중량, 幻는 측압계수, H는 토피고, D는 터널의 직경이다. 필라의 암반강도는 필라의 유발응력과 식 2에 표현된 Hoek-Brown의 파괴기준을 적용하여 산정된다. 병설터널의 굴착에 따른 응력변화와 이에 의해 유발되는 암반의 불안정성은 그림 4에 의해 설명이 가능하다.
성능/효과
- 5m로 증가함에 따라 보통암은 약 51%, 연암은 약 36%정도 감소하는 것으로 분석되었으며, tension bolt의 길이변화에 대한 안전율은 보통 암의 경우가 더 크다는 것을 확인할 수 있었다. grouting 적용시 필라의 안전율은 풍화암의 경우 약 80%, 완전풍화의 경우 42%가량 안전율 증가가 확인되었다. 그러나 이는 주변암반의 일축압축강도의 가정 값(풍화암 2MPa, 완전풍화 IMPa) 차이와 grouting시의 강도증가(n) 정도를 동일한 크기로 가정함에 따른 결과로서, grouting에 의한 필라보강효과가 풍화가 심한 지반일수록 크다는 측면을 고려하면 보강 효과는 완전풍화의 경우가 더 크다고 판단된다.
- 또한, 주변지반의 암반상태가 보통암 및 연암과 같이 양호한 경우에는 필라의 폭이 작더라도 일정 안전율의 확보가 가능하나, 풍화암 및 완전풍화의 경우 필라폭에 상관없이 소요안전율 확보가 어려운 것으로 분석되었다. 그러나, 상기한 보통암 및 연암과 같이 터널간 이격거리가 작더라도 소요안전율 이상이 확보되는 경우라도 터널굴착시 발생하는 발파압 및 발파진동 등에 의해 필라부 암반의 강도저하 및 소성 영역의 확대 가능성 등을 면밀하게 고려하여 본 성과를 반영하여야 할 것으로 판단된다.
- (배규진 등, 1997; 최성웅 등, 1997). 본 연구에서 제안한 보강공법을 실무에 적용하는 경우 tension bolt는 연암이상의 암반조건에, 풍화암 이하의 암반조건에는 Tension bolt+ Grouting 병행공법 또는 Grouting 보강공법이 보다 효과적인 방안이라고 판단된다.
- 이를 토대로 필라의 보강공법을 고려한 평가기법을 제시하였으며, 제안된 기법을 이용하여 필라 주변의 암반강도 및 보강공법의 적용에 따른 변수분석을 시행하였다. 분석결과 Tension Bolt 보강시 필라의 안전율은 수평간격이 l~3.5m로 증가함에 따라 보통암은 51%, 연암은 약 36% 증가하였으며 Grouting 적용시 풍화암은 80%, 완전풍화의 경우 42%가량 안전율 증가가 확인되었다. Grouting 적용시 필라보강효과는 풍화가 심한 지반일수록 크다는 측면을 고려하면 보강효과는 완전풍화가 더 클 것으로 판단된다.
- 분석결과 tension bolt 보강시 필라의 안전율은 수평설치간격이 l~3.5m로 증가함에 따라 보통암은 약 51%, 연암은 약 36%정도 감소하는 것으로 분석되었으며, tension bolt의 길이변화에 대한 안전율은 보통 암의 경우가 더 크다는 것을 확인할 수 있었다. grouting 적용시 필라의 안전율은 풍화암의 경우 약 80%, 완전풍화의 경우 42%가량 안전율 증가가 확인되었다.
- 분석결과 tension bolt 보강시 필라의 안전율은 수평설치간격이 l~3.5m로 증가함에 따라 보통암은 약 51%, 연암은 약 36%정도 감소하는 것으로 분석되었으며, tension bolt의 길이변화에 대한 안전율은 보통 암의 경우가 더 크다는 것을 확인할 수 있었다. grouting 적용시 필라의 안전율은 풍화암의 경우 약 80%, 완전풍화의 경우 42%가량 안전율 증가가 확인되었다.
- 분석시 무결암의 압축강도는 표 4 에 제시된 범위중 최대값과 최소값을 적용하였다. 분석결과 그림 7에 도시된 바와 같이 필라폭의 변화에 따른 안전율은 터널간 이격거리가 1.0D 이하인 경우에는 이격거리에 대한 영향이 큰 것으로 분석되었으나, 1.0D 이상 이격거리가 확보되는 경우에는 암반강도에 의한 영향만을 받는 것으로 확인되었다.
- 변화경향이다. 분석결과 토피고의 증가와 필라폭의 감소에 따라 연직응력의 크기는 증가하는 것을 확인하였으며, 일반적으로 경암의 경우 필라폭이 1.0D이상인 경우 필라폭의 두께변화에 따른 응력변화량이 크게 감소함을 확인하였다.
- 그림 8은 토피고 변화에 따른 안전율 변화경향의 분석이다. 분석결과, 도시된 바와 같이 토피고 변화에 따른 필라의 안전율은 토피고가 상대적으로 낮은 경우에는 안전율 변화가 크지만 점차 토피고의 증가에 따라 안전율 변화량이 상대적으로 감소하는 결과를 보였으며 일정한 값에 수렴해가는 경향을 보였다.
후속연구
- 분석되었다. 그러나, 상기한 보통암 및 연암과 같이 터널간 이격거리가 작더라도 소요안전율 이상이 확보되는 경우라도 터널굴착시 발생하는 발파압 및 발파진동 등에 의해 필라부 암반의 강도저하 및 소성 영역의 확대 가능성 등을 면밀하게 고려하여 본 성과를 반영하여야 할 것으로 판단된다.
- Grouting 적용시 필라보강효과는 풍화가 심한 지반일수록 크다는 측면을 고려하면 보강효과는 완전풍화가 더 클 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 병설터널 시공시 필라의 보강을 고려한 정량적 설계기법 제시는 실무에 효과적인 적용 가능한 대안으로 판단되며, 추후 모형실험을 통한 수치해석과 실제거동과의 유사점을 확인할 필요가 있다.
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