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제안 방법
- ARCH 부분을 굴착할 때에는 양측 하부 지점에 집중 하중이 작용하기 때문에 이런 구조적인 문제를 해결하기 위해서 SIDE LOT를 굴착한 후에 1차 콘크리트를 타설하여 지지 강성을 증가시켰으며, SIDE LOT부와 ARCH부는 터널 상부의 토피두께가 달라 강재에 작용하는 하중이 다르므로 서로 다른 재질 (SIDE LOT부는 SM490, ARCH부는 SS400)의 강재를 사용하였다. 또한, 설치된 강지보재는 종방향으로 변위가 발생하지 않도록 TIE-ROD를 설치하여 각 지보재간 일정간격을 유지하도록 하였다.
- 따라서, 본 검토대상현장의 경우에도 위의 공정으로 DSM공법을 계획하였으나, ARCH 단면이 비교적 크고 하부층의 지지력이 작기 때문에 우선 SIDE LOT 방식으로 분할굴착한 후에 ARCH 부분을 RING-CUT 방식으로 굴착하도록 하였다.
- 대한 요소모델링이 요구된다. 따라서, 본 해석에서는 DSM Plate, RC 판넬 1차 콘크리트 라이닝은 휨 강성을 가지는 Shell 요소로, 강지보공은 Frame 요소로 모델링하였으며, 모델 경계조건은 Moment 및 변위를 구속시키지 않았다. 또한, 지반 및 상부도로는 Solid 요소를 사용하여 Mohr-Coulomb 파괴기준에 의한 탄소성 해석을 수행하였으며 해석모델링 현황은 그림 6.
- LOT부는 SM490, ARCH부는 SS400)의 강재를 사용하였다. 또한, 설치된 강지보재는 종방향으로 변위가 발생하지 않도록 TIE-ROD를 설치하여 각 지보재간 일정간격을 유지하도록 하였다.
- 또한, 지반반력 모델을 사용하여 DSM의 강지보재에 대한 세부검토를 수행하였다.
- 안정성을 검토하였다. 본 검토대상 현장은 도로의 선형 여건상 단계별 도로이설에 의한 개착공법의 적용이 불가능하여 기존 도로의 선형을 그대로 유지한 상태에서 터널 시공이 가능한 특수굴착공법 중 터널과 도로의 안정성을 확보하면서 경제성 측면에서 유리한 DSM 공법을 적용하였다. 특수굴착공법의 선정 및 안정성 검토를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
- 본 논문에서는 공법선정시 가장 우선적으로 요구된 조건인 터널 상부도로의 침하 최소화와 터널의 안정성을 검토하기 위하여 수치해석을 수행하였으며, 터널이 계획된 대상 지반이 불연속면이 거동을 지배하는 암반과는 달리 주로 붕적토 및 풍화토, 풍화암으로 구성되어 있어 연속체 모델을 적용하였다. 또한, 지반반력 모델을 사용하여 DSM의 강지보재에 대한 세부검토를 수행하였다.
- 수치해석은 3차원 지반해석 프로그램인 Pentagon 3D과 구조해석 프로그램인 MIDAS C1VIL-3D를 사용하였으며, 터널, DSM 지보재 및 상부도로침하량을 검토하였다.
- 이에, Earth Tunnel 공법들 중 현장여건에 적용가능한 DSM, PIPE ROOF, TRcM 공법을 비교 검토하여 가장적합한 공법을 선정하였으며, 공법 선정시 검토방향은 다음과 같다.
- 이와 같은 설계여건을 종합적으로 고려하였을 때, 도로 노면침하의 최소화와 현장 적용성이 우수하고 PIPE ROOF, TRcM 공법에 비하여 경제성에서도 유리한 DSM 공법을 선정하였으며, 세부 검토사항은 표 1. 에 나타내었다.
- 저토피 국도하부 통과구간에 터널굴착을 위한 특수공법을 계획하고 수치해석를 통하여 터널 및 상부 도로의 안정성을 검토하였다. 본 검토대상 현장은 도로의 선형 여건상 단계별 도로이설에 의한 개착공법의 적용이 불가능하여 기존 도로의 선형을 그대로 유지한 상태에서 터널 시공이 가능한 특수굴착공법 중 터널과 도로의 안정성을 확보하면서 경제성 측면에서 유리한 DSM 공법을 적용하였다.
- 해석은 DSM 굴착시 강지보재가 가장 불리한 조건인 Side Lot 굴착시와 상부 ARCH 굴착시로 나누어 수행하였으며, 라멘 강구조 형식으로 모델링하였다. 적용조건은 1단계 Side Lot 굴착시 토사심도 11.75m, 도로활하중 10kPa을 적용하였고 2단계 ARCH 굴착시 토사심도 6.9m, 도로활하중 15kPa을 적용하였으며측압계수는 저토피 구간임을 고려하여 0.5를 적용하였다. 해석단면 및 단면조건 해석결과에 의한 휨모멘트도 는 그림 9, 그림 10.
- 터널상부의 지층이 성토층으로서 터널굴착시 지하수 용출에 따른 2차응력 증가 및 토립자 유실이 발생할 수 있으므로 지하수위 저하 및 지반이동을 억제할 수 있도록 굴착대상구간의 터널상부에 지반 보강 그라우팅 공법을 추가로 적용하였다.
- 터널의 안정성 및 국도침하 검토는 유한요소법을 이용한 지반해석 전용프로그램인 PENTAGON-3D를 사용하여 총 19단계의 해석단계로 구분하여 현장의 시공순서를 모사하였다.
- 특흐1, 붕적층 및 풍화토층으로 구성된 연약지반에서는 막장자립, 지표침하관리, 현장 적용성이 우수한 공법의 선정이 중요하며, 이에 본 논문에서는 현장현황에 적용가능한 공법인 DSM 공법, Pipe Roof 공법, TRcM 공법 등에 대하여 비교 . 검토하였다.
- 해석영역은 DSM 굴착구간을 중심으로 주응력의 분포가 영향을 받지 않는 적정범위까지 설정하였으며, 상부는 지표면까지를 해석영역으로 설정하여 가능한 실제지형과 같은 지반상태가 되도록 하였다.
- 해석은 DSM 굴착시 강지보재가 가장 불리한 조건인 Side Lot 굴착시와 상부 ARCH 굴착시로 나누어 수행하였으며, 라멘 강구조 형식으로 모델링하였다. 적용조건은 1단계 Side Lot 굴착시 토사심도 11.
대상 데이터
- 본 현장은 동해선 죽변~북면간 철도건설공사 구간 중 죽변터널(L = 950m) 종점부 도로 하부통과구간에 적용한 설계사례로서, 그림 1. 에서 보는 바와 같이 신설철도노선이 약 30°의 교차각을 이루며 기존 국도(왕복 4차선) 하부를 통과하고 있다.
데이터처리
- DSM 강지보재에 대한 상세검토는 구조해석 전용 프로그램인 MIDAS CIVIL을 사용하였으며, 3차원 해석을 통하여 터널의 단계별 굴착시 강지보에 작용하는 하중과 그에 따른 안정성을 분석하였다. 해석은 DSM 굴착시 강지보재가 가장 불리한 조건인 Side Lot 굴착시와 상부 ARCH 굴착시로 나누어 수행하였으며, 라멘 강구조 형식으로 모델링하였다.
이론/모형
- 따라서, 본 해석에서는 DSM Plate, RC 판넬 1차 콘크리트 라이닝은 휨 강성을 가지는 Shell 요소로, 강지보공은 Frame 요소로 모델링하였으며, 모델 경계조건은 Moment 및 변위를 구속시키지 않았다. 또한, 지반 및 상부도로는 Solid 요소를 사용하여 Mohr-Coulomb 파괴기준에 의한 탄소성 해석을 수행하였으며 해석모델링 현황은 그림 6. 과 같다.
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