얕은 터널 굴착시 지표경사가 지반침하에 미치는 영향에 대한 실험적 연구
Experimental Study on the Effect of Surface Slope on the Ground Subsidence during the Excavation of a Shallow Tunnel
초록/요약
도시 내에서 기반시설을 확충하기 위해 지하공간의 활용이 급증하고 있으며, 이에 따라 얕은 터널의 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 도심지 얕은 터널에서는 자체 안정성 뿐만 아니라 상부 구조물과 터널 주변 지중매설물의 안전성이 확보되어야 한다. 얕은 터널을 굴착할 때에는 지표면의 경사가 터널굴착에 미치는 영향을 사전에 예측·파악하여 대비하는 것은 매우 중요하다. 그런데 지금까지 얕은 터널에 대한 연구는 수평지표 하부에서 터널 천단부나 측벽부 등의 국부적 변형에 따른 주변지반 거동, 지표침하, 상부구조물에 대한 영향 등에 집중되어 왔으며, 터널의 횡방향 지표가 경사진 경우에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 모형시험을 통하여 터널의 굴착시 지표경사와 토피고가 주변지반의 거동, 지표침하 등에 미치는 영향을 연구하여 비교·분석하였다. 이를 위해 터널 상부지표 경사 3 cases(0°, 10°, 20°)와 토피고 4 cases(0.5D, 1.0D, 1.5D, 2.0D)에 대하여 모형시험을 수행하였다. 모형터널을 실제 터널을 약 1/45로 축소한 크기로 수직·수평방향으로 동시에 등속으로 내공변위가 일어나도록 하였다. 모형지반은 3가지 규격(4mm, 6mm, 8mm)의 탄소봉을 이용하여 조성하였고, 모형터널에 일정한 내공변위를 일으키면서 터널 토피고와 상부지표 경사에 따른 천단하중, 측벽하중, 하중전이, 지표침하, 파괴영역을 분석하였다. 연구결과, 수평지표 하부에서 얕은 터널 굴착시 토피고가 작을수록 작은 변위에서 천단부 파괴가 발생하였고, 토피고가 커질수록 큰 변위에서 파괴가 발생하였다. 토피고 1.0D와 1.25D 사이에서 이완영역경계가 형성되는 것이 확인되었다. 지표가 경사진 경우에도 동일한 경향을 나타내었고, 토피고가 커지면 터널변형에 따른 주변지반 거동이 안정적인 것으로 나타났다. 터널에 내공변위 발생시 터널 측벽부가 천단부보다 큰 변위에서 파괴가 발생하였고, 지표경사의 영향이 뚜렷하였다. 터널 굴착시 인접한 원지반에 작용하던 연직하중이 터널 주변지반으로 전이 되는데, 지표면이 수평인 경우에는 토피가 커짐에 따라 하중전이 폭이 넓어지고 전이하중 크기가 커지는 경향을 보였다. 그리고, 지표면이 경사진 경우에는 토피가 상대적으로 높은 쪽에서 하중전이 폭이 넓어지고, 전이하중 크기가 작게 나타나는 반면 토피가 상대적으로 낮은 쪽에서는 터널 측벽부에 근접하여 하중전이 영역이 집중되었고, 전이하중의 크기가 크게 나타났다. 토피고가 커질수록 터널 굴착에 따른 지표침하 발생범위가 넓게 나타났고, 최대지표침하량이 작아졌다. 최대지표침하는 지표면이 수평인 경우에는 터널 천단부 중앙에 발생하였으나, 지표면이 경사진 경우에는 지표경사와 토피고가 커질수록 터널 천단부 중앙에서 상대적으로 토피가 낮은 쪽으로 편향되어 발생하였다. 또한, 최대침하발생위치는 터널 천단부 곡선의 중심점에서 토피가 낮은 쪽 방향으로 지표의 경사에 따라 일정한 각도로 나타났다.
more초록/요약
The use of underground space, especially shallow tunnels, in urban area increases as infrastructures increase drastically. The stability requirement for shallow tunnels in urban area is not only for the tunnel structure itself but also for the adjacent sub-structures. Hence, it is very important to predict the influence of the tunnel excavation on the ground surface settlement. Most studies on the behavior of shallow tunnels were concentrated only on their behaviors due to the local deformation of the tunnel, such as tunnel crown or tunnel sidewall. Only few studies have been performed for investigating the behavior of shallow tunnels due to the entire tunnel deformation, under the inclined ground surface. Therefore, in this study the effect of the surface slope on the behavior of the surrounding ground was investigated. For this purpose, model tests were performed in various ground surface slopes and cover depths of the tunnel. The model tunnel(width 300mm, height 200mm) could be able to be simultaneously deformed in the vertical and horizontal direction at a constant velocity. The model ground was built by using carbon rods of three diameters(4mm, 6mm, 8mm), in various surface slopes and cover depth of the tunnel. The subsidence of ground surface, the load on the tunnel crown and the sidewall, and the transferred load near tunnel were measured. As results, it was found that in case of horizontal ground surface, the shallow tunnel failed at smaller displacement, as the cover depth is smaller. It was assumed that the“limit of loosened zone”, between 1.0D and 1.25D, was developed. The same trend was found in the tunnel below the inclined surface. As the cover depth increases, the surrounding ground deformed stably compared to the tunnel. The ground above the tunnel crown could be collapsed at larger displacement than the ground adjacent to the tunnel side wall. This phenomenon becomes more distinct as the ground surface slope increase. During the tunnel excavation, the initial ground stress is transferred to the ground adjacent to the tunnel. So, this stress transfer caused the enhancement of the vertical stresses in this area. In case of horizontal ground surface, the value of the increased stress become larger as the cover depth increases. On the other hand, the stress would be transferred to the limited zone in the circumferential area of tunnel. In the slopped ground surface, the zone, in which the stress transfer occurs, was expanded toward the zone under uphill side and the values of the increased stress were also higher in comparison to the lower ground surface. This tendency was stronger in the steeped slope. As the cover depth become larger, the magnitude of the maximum subsidence decreased and its range, in which settlements occurred due to tunnel excavation, become smaller. The maximum ground settlement was measured directly above the tunnel axis, when the ground surface is horizontal. As the ground surface slope and the cover depth become larger, the location of the maximum ground subsidence moved toward downhill side. Furthermore, there was the consistent relation between the surface slope and the angle between the tunnel centerline and the horizontal position of maximum ground surface.
more목차
제 1 장 서 론 1
1.1 연구목적 및 필요성 1
1.2 연구내용 및 범위 2
제 2 장 이론적 배경 4
2.1 얕은 터널 4
2.1.1 얕은 터널의 개념 4
2.1.2 얕은 터널의 거동과 해석 5
2.2 얕은 터널의 파괴에 대한 안정성 7
2.2.1 얕은 터널의 파괴 7
2.2.2 얕은 터널의 함몰파괴 8
2.3 얕은 터널의 굴착에 의한 지표침하 13
2.3.1 얕은 터널 굴착시 지반손실 14
2.3.2 얕은 터널 상부의 지표침하 14
2.4 얕은 터널의 횡방향 지표침하 17
2.4.1 횡방향 지표침하 17
2.4.2 최대지표침하량 20
제 3 장 모형시험 21
3.1 개 요 21
3.2 모형시험기 23
3.2.1 모형시험 프레임 23
3.2.2 모형지반 24
3.2.3 모형터널 25
3.2.4 계측장치 27
3.3 시험방법 29
3.3.1 시험변수 29
3.3.2 시험방법 31
제 4 장 시험결과 33
4.1 개 요 33
4.2 터널 천단부에 작용하는 하중 33
4.2.1 지표경사 0(A00 Case) 33
4.2.2 지표경사 10(A10 Case) 39
4.2.3 지표경사 20(A20 Case) 43
4.2.4 천단하중 47
4.3 터널 측벽부에 작용하는 하중 50
4.3.1 지표경사 0(A00 Case) 50
4.3.2 지표경사 10(A10 Case) 51
4.3.3 지표경사 20(A20 Case) 52
4.3.4 측벽하중 54
4.4 터널 주변지반의 하중전이 55
4.4.1 지표경사 0(A00 Case) 55
4.4.2 지표경사 10(A10 Case) 60
4.4.3 지표경사 20(A20 Case) 64
4.4.4 주변지반 하중전이 68
4.5 터널 상부의 지표침하 69
4.5.1 지표경사 0(A00 Case) 69
4.5.2 지표경사 10(A10 Case) 74
4.5.3 지표경사 20(A20 Case) 79
4.5.4 지표침하 84
4.6 터널 주변의 파괴영역 88
4.6.1 지표경사 0(A00 Case) 88
4.6.2 지표경사 10(A10 Case) 94
4.6.3 지표경사 20(A20 Case) 99
4.6.4 파괴영역 105
4.7 최대지표침하위치 106
4.7.1 지표경사별 최대침하위치 106
4.7.2 지표경사별 최대침하위치에 대한 관계식 산정 109
제 5 장 결 론 112
참고문헌 114
Abstract 119
