선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문은 토사터널 설계시 보강공법 선정과정과 수치해석에 의한 적용보강공법의 적정성 검토 과정을 소개하고 실제 시공 사례와의 비교·분석을 통해 토사터널 설계시 유의점을 검토 하고자 한다.
- 설계시 해석변위와 시공시 계측 변위 차이의 원인은 지반의 불균질성, 용수의 영향 등의 원인으로 추정되며, 시공시 연약한 지층 출현으로 지보재 하부 지반의 전단파괴(Shear Failure) 진행에 의하여 과다 변위가 발생한 것으로 추정된다. 상기의 불확실한 지반상태를 정성적으로 묘사하기 위하여 설계시 토사 터널의 토사층 변형계수 산정방법 분석 및 현재 시공계측 Data를 감안한 매개변수 해석을 통해 적정변형계수 추정하고 설계단계에서 변형계수 산정시 주의할 점들에 대해 논의하고자 한다.
제안 방법
- OO터널 종점부 굴착결과 하부 지반이 매우 연약하여 추가적인 보강공법이 적용되지 않을 경우 전단 파괴로 인한 침하 증가와 숏크리트면 응력증가 등 터널 안정성에 영향을 미치는 문제들이 발생할 것으로 예상되어, 강지보재를 측벽지보재와 폐합시켜 하부 굴착시 변위진행을 억제시키는 하부 인버트 보강 공법을 적용하였다.
- OO터널 종점부의 터널내 계측은 일상계측과 정밀계측 구간으로 구분하여 굴착시 터널의 천단변위 및 내공변위, 지보재 응력등을 측정하여 터널의 안정성을 확인할 수 있도록 계측 계획을 수립하였다.
- ∘ 지질조사는 시추 4개소, 공내재하시험 2회(PMT), 전기비저항 탐사 등을 실시하였다.
- 와 같은 단면 조건으로 매개변수 해석을 수행하였다. 경계조건은 좌우측의 터널측벽에서 4D, 하부는 바닥에서부터 4H이상으로 설정하고 실제 시공순서를 고려하여 수치해석을 수행하였으며, 각각의 변형계수(E=15～35MPa)및 측압조건(K0=0.5～1.5)을 변수로 한 매개변수해석을 통해 터널의 변위를 실제 계측치와 비교 검토하였다.
- 0m) 보강범위를 터널하반까지 확대하여 시공하였다. 그리고, 설계시 측벽보강파일의 설치각도 확보를 위해 지보패턴 TYPE6-1 구간에 엘리펀트풋을 적용하였으나 엘리펀트 풋 굴착시 굴착면으로의 응력집중, 라이닝 타설시 공극발생 및 시공 공기 증가 등의 문제점이 발생하고 최근 시공장비의 개선 등으로 엘리펀트 풋 설치 없이 측벽보강파일 설치가 가능해 짐에 따라 터널 안정성과 시공성을 고려하여 엘리펀트풋을 삭제하였다.
- 시공실적에 의한 방법, 지반공학적 지표 및 해석적 방법에 의해 본 터널의 보강여부를 판정해본 결과 세 가지 판정법 모두 보조공법이 필요할 것으로 검토되었다. 보조공법은 막장 및 천단부 안정을 위한 상부 보강공법과 하반 굴착시 측벽 및 바닥부 안정을 위한 하부 보강공법으로 나눌 수 있으며, 본 설계에서는 시공성, 경제성 및 적용사례 분석 등을 통해 표 7.과 같이 상부 보강공법으로 대구경강관다단 그라우팅 공법을 하부 보강공법으로 측벽파일 공법을 적용하였다.
- 시추조사에 의한 RMR 분류성과와 전기비저항탐사 성과의 상관관계로부터 회귀 분석을 수행하여 지보패턴을 결정하였으며, 설계 시 적용된 토사터널 지보패턴인 표준단면 6-1은 상행선 Sta.6+190～6+231로 갱구부로부터 41m, 하행선은 Sta.6+188～6+208 갱구부로부터 20m구간을 토사터널로 적용하여 설계하였다. 실제 시공시 토공부 및 갱구부 굴착 결과 설계 시 조사되었던 것처럼 토사층이 상당히 깊게 분포하는 것으로 확인되었고, 특히 상행선의 경우 사면안정을 위해 NATM위치를 시점부 방향으로 5m이동하여 시공하였다.
- 6+188～6+208 갱구부로부터 20m구간을 토사터널로 적용하여 설계하였다. 실제 시공시 토공부 및 갱구부 굴착 결과 설계 시 조사되었던 것처럼 토사층이 상당히 깊게 분포하는 것으로 확인되었고, 특히 상행선의 경우 사면안정을 위해 NATM위치를 시점부 방향으로 5m이동하여 시공하였다. 시공시 막장관찰 등을 통해 시공된 토사터널은 상행선 Sta.
- 일반적인 설계시 토사층의 변형계수 산정방법으로는 표준관입시험 N치를 이용한 경험식을 통해 변형 계수를 산정하는 방법과 여러 가지 흙에 대한 변형계수 제안치(DAS) 적용 및 최근 설계 사례 등의 분석을 통한 방법 등이 있으며, 이 세가지 방법을 종합하여 가장 합리적인 변형계수를 적용하고 있다. 아래 표 11.은 설계시 토사층의 변형계수 산정을 위해 각 산정방법별로 변형계수 값을 정리한 것으로 풍화잔류 토층과 붕적층이 분포하는 터널구간에 대하여 시추조사 및 표준관입시험 성과(평균 N 치 40을 적용)를 활용하고 제안치 및 최근 터널구간 설계적용 사례를 참조하여 40 MPa를 설계에 반영하였다.
- 적용된 보조공법의 적정성 검토를 위해 유한차분법에 근거를 둔 범용 지반해석 프로그램 FLAC을 사용하여, 보강상태의 해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 OO터널은 전남 구례군 일대에 계획되었으며 기반암은 선캠브리아기에 형성된 편마암류 및 관입암체로 구성되었다. 시점부는 흑운모편마암 종점부는 화강편마암으로 점이적인 변화를 보이고 있으며 종점 갱구일대에 중생대 관입암체로 추정되는 각섬암(Amphibolite)이 구조대를 따라 관입 분포하고 있다.
- 본 과업구간에서는 지층선 확인을 위해 총 9개소의 시공 중 확인 시추조사를 수행하였고, 그 중 터널구간을 위한 조사는 BB-07～12의 6개소이다. 터널통과 구간의 평균N치는 24～50으로 설계시의 N치 40～50에 비해 다소 작은 값이 산출되었으며, 개략적인 지층분포는 표 3.
- 본 구간은 막장 전단면～상부 반단면 구간에 풍화토층이 위치하며 토피고는 11～13m 정도이다.
데이터처리
- 00터널 종점부 계측결과를 바탕으로 토사층의 변형계수를 파악하기 위하여 그림 19.와 같은 단면 조건으로 매개변수 해석을 수행하였다. 경계조건은 좌우측의 터널측벽에서 4D, 하부는 바닥에서부터 4H이상으로 설정하고 실제 시공순서를 고려하여 수치해석을 수행하였으며, 각각의 변형계수(E=15～35MPa)및 측압조건(K0=0.
성능/효과
- (2) 대구경 강관다단 그라우팅 공법과 측벽파일 보강공을 적용한 수치해석 결과 천단변위 8.6mm, 내공 변위 5.5mm 정도의 값을 보였고 숏크리트의 압축응력 3.68MPa, 인장응력 0.59MPa 로 허용 응력 이내의 값을 보였다.
- (3) 설계시 토사터널 구간 지반해석 결과로부터 산출된 변위값에 비해 시공시의 변위 계측치가 매우 크게 나온 것으로 분석되어, 측벽파일 길이 연장(3.0m→6.0m) 및 바닥부 강지보 폐합 등과 같은 추가적인 보조공법을 적용하였으며, 설계시 변위 예측치에 비해 시공시 계측치가 큰 이유는 실제 굴착저면의 지지력이 설계시 예측한 상태보다 훨씬 연약하여 전단파괴(Shear Failure) 발생 초기 단계에 의한 것으로 판단된다.
- (4) 설계시 변형계수는 경험식 분석결과와 기존 터널 적용사례 등을 분석하여 40MPa로 적용하였으며,, 시공시 계측자료를 반영한 매개변수 해석에 의해 추정되는 변형계수는 25 MPa으로 분석되었다.
- OO터널 종점부 상반 굴착 후 계측치 검토결과 내공변위가 빠르게 증가하는 양상을 보이므로 설계에서 제시한 대로 터널 하반 굴착시 안정성 확보를 위해 측벽부에 적절한 보강공법을 적용해야 할 것으로 판단되었으며, 설계시 측벽보강파일 길이 L=3.0m로 적용시 측벽변위는 4.2mm로 안정한 것으로 검토되었으나 실제 시공시 상반 굴착 후 내공변위 32mm와 차이를 보이므로 그림 17.과 같이 측벽파일 길이를 터널 하부까지 연장하여(L=6.0m) 보강범위를 터널하반까지 확대하여 시공하였다. 그리고, 설계시 측벽보강파일의 설치각도 확보를 위해 지보패턴 TYPE6-1 구간에 엘리펀트풋을 적용하였으나 엘리펀트 풋 굴착시 굴착면으로의 응력집중, 라이닝 타설시 공극발생 및 시공 공기 증가 등의 문제점이 발생하고 최근 시공장비의 개선 등으로 엘리펀트 풋 설치 없이 측벽보강파일 설치가 가능해 짐에 따라 터널 안정성과 시공성을 고려하여 엘리펀트풋을 삭제하였다.
- OO터널 종점부 토사터널 구간 지반조사를 위해 설계시 4공(TB-17～20)의 보링조사 및 시공시 6공 (BB-7～12)의 확인보링조사 수행하였으며, 토사층의 깊이는 시공중 확인조사 결과 상행선 1.5m, 하행선 3.8m 정도 더 깊게 분포하는 것으로 조사되었다.
- 시공시 계측치와의 비교를 위해 우측터널 상반 굴착시의 천단변위 및 내공변위를 검토하였으며 매개 변수 해석 결과 변형계수가 감소할수록 터널 천단변위 및 내공변위는 증가하고 측압계수가 증가할수록 천단변위는 감소하는 것으로 나타났다. 해석 결과는 표 12.
- 시공실적에 의한 방법, 지반공학적 지표 및 해석적 방법에 의해 본 터널의 보강여부를 판정해본 결과 세 가지 판정법 모두 보조공법이 필요할 것으로 검토되었다. 보조공법은 막장 및 천단부 안정을 위한 상부 보강공법과 하반 굴착시 측벽 및 바닥부 안정을 위한 하부 보강공법으로 나눌 수 있으며, 본 설계에서는 시공성, 경제성 및 적용사례 분석 등을 통해 표 7.
- 최대 압축응력은 3.7MPa 이 발생하였고, 최대 인장응력은 ko ＝ 1.0 일때 0.59MPa으로 허용치 이내 값을 보였다.
- 터널 굴착 초기 현장조사 결과 OO터널 종점부는 풍화가 심한 풍화토가 터널주변에 전반적으로 분포하고 있고, 갱구부 굴착시에도 갱구사면에서 부분적인 표면탈락, 인장균열 등이 발생하여 사면안정을 위해 보강공법을 적용하였으며, 특히 그림 3.에서와 같이 터널 하부지반까지 연약한 풍화토층이 연장되어 터널 굴착시 과다변위 및 붕락의 가능성이 큰 것으로 분석되었다.
후속연구
- (5) 따라서, 토사층 심도가 깊어 시추조사 결과 토사터널이 발생할 것으로 예상되는 지반의 경우 현장원위치시험(공내재하시험, 평판재하시험 등) 결과와 경험식 분석 등을 통하여 신중한 변형계수 산정이 필요하며, 시공중 계측을 통해 설계시 예측한 변위의 양상과 상이한 경우에는 예비패턴 등을 제시하여 공사 중 변경이 가능하도록 계획하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 에서와 같이 실제 굴착저면의 지지력이 설계시 예측한 상태보다 훨씬 연약하여 1차 지보가 완료된 터널 측벽이 침하되고 이러한 침하와 동시에 천장상부의 전토피하중이 1차 지보에 전달되어 발생하는 전단파괴(Shear Failure) 초기 현상에 의한 것으로 판단된다. 따라서, 터널 하부굴착으로 인해 터널이 전단파괴로 진행되지 않도록 설계시 적용된 측벽부 및 하부 보강공법 이외의 추가 보강공법이 필요할 것으로 판단되었다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.