초록 ▼

도심지역의 인구 과밀화에 따라 상하수도 시설 및 교통시설 등을위한 터널 건설사업이 활발히 진행되고 있다. 도심터널의 대부분은 기존의 지상 구조물이나 지하 매설물 아래를 통과하게 되므로 부적절한 터널 설계나 시공은 주위 시설에 대한 구조적인 손상은 물론 인명과 재산 피해등 국가산업경제에 지대한 영향을 미치게 된다. 따라서 안전하고 경제적인 도시터널시공을 위해서는 터널굴착에 따른 지반의 움직임을 정확히예측하고 이를 바탕으로 지반 및 구조물에 대한 보강여부 및 보조공법의 사용여부 등을 판단하여 이에 대한 적절한 시공계획을 수립하

도심지역의 인구 과밀화에 따라 상하수도 시설 및 교통시설 등을위한 터널 건설사업이 활발히 진행되고 있다. 도심터널의 대부분은 기존의 지상 구조물이나 지하 매설물 아래를 통과하게 되므로 부적절한 터널 설계나 시공은 주위 시설에 대한 구조적인 손상은 물론 인명과 재산 피해등 국가산업경제에 지대한 영향을 미치게 된다. 따라서 안전하고 경제적인 도시터널시공을 위해서는 터널굴착에 따른 지반의 움직임을 정확히예측하고 이를 바탕으로 지반 및 구조물에 대한 보강여부 및 보조공법의 사용여부 등을 판단하여 이에 대한 적절한 시공계획을 수립하는 것이 필수적이다. 그러나 아직까지 터널굴착에 따른 3차원적 지반의 움직임을 정확히 예측할 수 있는 이렇다 할 해석적 기법이 존재하지 않고 있는 실정이다. 한편, 국내에서도 도심 토사 터널시공법으로 선진외국에서 활발히 적용되고 있는 쉴드터널 공법의 적용성이 점차 높아져 가고 있는 실정이나 이에 관련된연구가 전무하여 이 분야에 있어서의 체계적인 연구가 절실히 요구되고 있는 실정이다.본 연구에서는 선진외국에서 이미 토사터널 시공법으로 활발히 사용되고 있으며 국내에서도 점차 그 사용 빈도가 증가하고 있는 쉴드터널 공법을 대상으로 3차원 유한요소해석기법을 이용한 체계적인 연구를 수행하여 점성토 지반에서의 쉴드터널 시공에 따른 지반의거동을 예측할 수 있는 반경험적(semi-empirical) 모델의 개발을 목적으로 한다. 1차년도에 걸친 연구기간에는 먼저 쉴드터널시공법을 모사하는 3차원 유한요소해석 프로그램을 개발하였다. 이 과정에서 유한요소해석을 이용한 지반굴착문제 해석에 있어서 해석 결과가굴착단계 수에 영향을 받지 않는 이론적으로 올바른 지반굴착 알고리즘과 쉴드터널 시공단계를 모사하는 Lee와 Rowe의 알고리즘을 수정한 단계 굴착 알고리즘을 적용하여, 터널 시공과정 및 이에 따른 지반의 3차원 탄소성 응력-변형 거동을 정확히 모사 하는 3차원 탄소성 유한요소해석 프로그램을 개발하였다. 개발된 3차원 프로그램은 기존의 현장계측결과와의 비교 검증을 통하여 수주적 효율성 및 알고리즘의 타당성을 종합적으로 검토하였다.한편, 개발된 프로그램을 이용하여 쉴드 터널 시공에 따른 지반의 거동에 영향을 미치는 영향요소들에 대한 매개변수 변환연구를 수행하여 쉴드터널 시공에 따른 지반의 거동 특성을규명하였다. 또한 해석결과를 데이터 베이스화하여 지반의 거동 특성에 주된 영향을 미치는 인자는 터널의 기하조건 및 지반조건임을 밝혀 내고 이에 대한 통계적 분석을 수행하여막장안정평가, 터널 굴진시 횡단면 및 종단면 침하곡선을 추정할 수 있는 반경험식을 개발하였다.본 연구에서 개발된 쉴드터널 시공과정 알고리즘은 쉴드터널 시공에 따른 지반 거동해석에 적용할 수 있는 수치해석기법의 기초적 자료로서 활용될 수 있을 것으로 사료되며, 본연구의 결과는 월드터널 시공에 따른 막장안정평가 및 지반의 거동예측을 가능하게 하여 국내 쉴드터널공법의 정착에 이바지 할 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼

Rapid growth in urban development has resulted in anincreased demand for construction of water supply, sewage disposal, and transportationsystems. With the economic and environmental considerations they are usuallyconstructed underground. Since most of the urban tunnels are exc

Rapid growth in urban development has resulted in anincreased demand for construction of water supply, sewage disposal, and transportationsystems. With the economic and environmental considerations they are usuallyconstructed underground. Since most of the urban tunnels are excavated belowexisting structures and pipelines using the shield tunnelling method in general, impropertunnel design and construction plan may impose a serious structural damage to theexisting structures, which may lead to loss of life in extreme cases. Therefore, for asafe and economical urban tunnel construction, a construction plan must be made suchas the use of measures to prevent excessive ground settlement and the need forunderpinning of nearby structures, based on the estimation of ground movement due tothe proposed tunnelling. However, no generally accepted methodology is available atthe present time, which can be used to predict the three dimensional ground movementdue to soft ground tunnelling.The ultimate goal of this study is to develop semi-empirical models for predictingthe ground movement due to shield tunnelling in cohesive soils using thethree-dimensional finite element method of analysis. During the course of this study, athree-dimensional finite element computer program was developed first which simulatesthe sequential shield tunnelling construction method.The developed program was then validated against the available data obtained fromin-situ monitoring program. Using the validated program, a parametric study wasperformed on influencing factors which affect ground movement during shield tunnellingin order to identify ground movement mechanism. In addition, semi-empirical modelswere developed, which can be used for face stability evaluation and the prediction oftransverse as well as longitudinal settlement profiles by means of statistical analysisusing the data base for ground movement during shield tunnelling in cohesive soils.The shield tunnelling algorithm implemented in the developed program may beused as a basis for the numerical analysis of shield tunnelling. Futhermore, the resultsof this study can be used as quantitative means for evaluating face stability andpredicting the extent of ground movement during shield tunnelling in cohesive soils.

목차 Contents

• 1. 서 론...7
• 2. 쉴드 터널 공법 및 지반 거동에 관한 연구 동향...7
• 2.1. 쉴드 터널 공법...7
• 2.2. 지반 거동 예측을 위한 기존의 연구 동향...9
• 3. 3차원 유한요소해석 프로그램 GEOFE3D의 개발...11
• 3.1. GEOFE3D에 적용된 지반굴착 모사기법...11
• 3.2. 쉴드터널 시공과정에 대한 알고리즘...13
• 3.3. 현장 사례 해석을 통한 GEOFE3D의 검증...14
• 4. 쉴드터널의 역학적 거동 특성...18
• 4.1 응력 변화 경향...18
• 4.2 지반의 변위 발생 경향...22
• 4.3 막장 안정...26
• 5. 지반 거동 예측 기법의 개발...27
• 5.1 횡단면 침하 예측 모델...28
• 5.2 종단면 침하 예측 모델...29
• 6. 결 론...31
• 7. 인용문헌...32
• 논문발표목록서...34
• 자체평가서...35