연직 불연속면의 영향을 받는 사질토 지반 내 2-Arch 터널의 거동
Behavior of 2-Arch Tunnel in Sand under the Influence of Vertical Discontinuity
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 이상덕
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 건설교통공학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
2-arch 터널은 터널 단면의 축소, 자연환경 훼손의 최소화 및 기존 도로와의 연계성 확보에 유리한 터널 형태이다. 최근 터널 시공을 위한 용지 확보의 어려움과 제한된 지상 작업공간으로 인하여 효율적인 지하 공간 활용이 요구되어지고 이에 따라 터널 내 최대한의 사용 공간 확보를 위하여 2-arch 터널 계획이 증가하고 있다. 그러나 지금까지 2-arch 터널의 복잡한 시공과정과 지반이완 이력으로 인하여 터널 굴착시 발생하는 지반거동에 대하여 명백히 밝혀지지 않은 상태이다. 이 때문에 선행터널과 후행터널의 지보패턴이 동일하게 적용되어지고 있다. 또한 지반조건, 시공순서에 따른 중앙필러의 역학적 거동에 대한 연구가 미흡하여, 터널 안정성에 대한 체계적인 검토가 이루어지고 있지 않는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 터널 굴착시 연직 불연속면의 위치에 따른 하중전이 특성과 중앙필러의 역학적 거동을 규명하기 위하여, 연직 불연속면을 포함한 사질토 지반을 조성하고, 실제 시공순서에 따라 실제 단면의 1/50 크기의 모형실험을 수행하였다. Pilot 터널 바닥부에 설치된 트랩도어(trap door)를 강하하여 Pilot 터널의 굴착을 모사하였고, 본선터널을 직접 굴착함으로써 Pilot 터널 좌·우 Arch 공간의 굴착과정을 구현하였다. 지반으로 전이되는 하중을 측정하기 위하여 바닥판을 로드셀이 설치된 분리된 판으로 제작하였고, 터널 라이닝의 내부와 외부에 변형률 게이지를 부착하고, 모형지반의 지표와 모형 터널 내부에 변위계를 설치하여 터널의 변형과 지표변위를 측정하였다. 본 연구결과, 2-Arch 터널의 상부 반단면 굴착 후 중앙필러에 작용하는 하중은 급격한 증가를 보이며, 반면 하부 반단면 굴착시에는 필러하중의 증가량이 작게 나타났다. 또한 지표침하는 대부분 상부 반단면 굴착 단계에서 발생하였다. 불연속면이 2-Arch 터널 좌·우 0.25D(D: 터널 전체 폭)범위 내에 있는 경우, 필러하중이 균질한 지반의 경우보다 크게 나타나는 경향을 보였으며, 증가한 필러하중은 불연속면의 위치와 굴착순서에 따라 다르게 나타났다. 그리고 전이하중은 중앙필러의 기초부와 터널과 불연속면 사이에 집중되어 나타났다. 이로부터 중앙필러에 작용하는 하중은 인접지반으로 전이되는 하중과 관련이 있으며, 불연속면의 위치에 따라 2-Arch 터널의 굴착순서를 변경함으로써 불연속면이 중앙필러에 미치는 영향을 감소시킬 수 있음이 실험적으로 판명되었다.
more초록/요약
Two-arch tunnelling method has many advantages such as minimization of tunnel section, little disturbance of the environment, and easy connection to existing roads, and it became more common and popular. However, behavior of the ground around two-arch tunnel during the construction has not fully clarified yet because of its complex construction sequences and relaxation history. Even the load acting on the center pillar depending the different ground conditions and construction sequences has not investigated enough as well. Therefore, safety problems have not been examined thoroughly for the two-arch tunnel design. Thus, this study is focused on evaluating the load transfer mechanism and the load acting on the center pillar in the two-arch tunnel excavation in the sand with vertical discontinuity. A tunnel which is in 1/50th scale of prototype was built and the model tests were performed in the sand with a vertical discontinuity to observe the behavior of the two-arch tunnel during the construction sequences. Trap door, installed at the bottom of the pilot tunnel, was controlled to simulate the excavation of the pilot tunnel. Main tunnel was excavated directly. Load cells were installed at the bottom plates to measure the transferred load due to arching effect. Strain gauges and LVDTs were placed in the tunnel and on the ground surface to measure the tunnel deformation, and the surface settlements. As results of this study, it was found that the load acting on the center pillar increased rapidly when the upper half of the tunnel was excavated, whereas the load increased only a little during the bench cut. Most of the surface settlement occurred during the upper half excavation. Because of the vertical discontinuity within 0.25D distance from the tunnel (D : the total width of two-Arch tunnel), the pillar load was increased than the load in the homogeneous ground. Pillar load was changed depending on the location of discontinuity and excavation sequences. Load transfer was observed most obviously at the footing of center pillar, and between the tunnel and the discontinuity. It is concluded that the load acting on the center pillar is influenced by the load transferred to the adjacent ground, and the discontinuity. It can be minimized by controlling the excavation sequences of the two-arch tunnel.
more목차
목차
1. 서론 = 1
1.1 연구배경 = 1
1.2 연구목적 = 2
2. 이론적 배경 = 3
2.1 Terzaghi의 아칭이론 = 3
2.2 불연속면을 포함한 지반의 이완영역 = 6
2.3 필러부의 응력집중 = 9
2.4 Pillar에 작용하는 하중 = 10
3. 모형실험 = 12
3.1 실험개요 = 12
3.2 모형토조 = 13
3.3 모형터널 = 15
3.4 불연속면 = 18
3.5 모형지반 = 19
3.5.1 물리적 특성 = 20
3.5.2 역학적 특성 = 22
3.6 실험변수 = 23
3.7 계측 = 24
3.7.1 계측기기 = 24
3.7.2 계측 위치 = 25
3.8 실험방법 = 27
4. 실험결과 = 30
4.1 터널 굴착에 의한 하중전이 = 30
4.1.1 균질한 지반 내 굴착된 2-Arch 터널 = 30
4.1.2 연직 불연속면의 영향을 받는 지반 내 2-Arch 터널 = 32
4.1.3 굴착완료 후의 토압분포 = 36
4.2 터널 굴착에 의한 지표변위 = 38
4.2.1 균질한 지반 내 2-Arch 터널 = 38
4.2.2 연직 불연속면의 영향을 받는 지반 내 2-Arch 터널 = 38
4.3 시공단계에 따른 중앙필러의 거동 = 42
4.3.1 균질한 지반 내 2-Arch 터널 = 42
4.3.2 연직 불연속면의 영향을 받는 지반 내 2-Arch 터널 = 42
4.3.3 필러에 작용하는 하중 비교 = 45
4.4 라이닝의 내공변위 = 47
4.4.1 균질한 지반 내 2-Arch 터널 = 47
4.4.2 연직 불연속면의 영향을 받는 지반 내 2-Arch 터널 = 47
4.5 라이닝에 작용하는 모멘트 = 51
4.5.1 균질한 지반 내 2-Arch 터널 = 51
4.5.2 연직 불연속면의 영향을 받는 지반 내 2-Arch 터널 = 51
5. 결론 = 55
참고문헌 = 58
Abstract = 61
부록 = 63
부록 A. 터널굴착에 의한 하중전이 = 63
부록 B. 터널굴착에 따른 지표변위 = 69
부록 C. 라이닝의 내공변위 = 74
부록 D. 라이닝에 작용하는 모멘트 = 79
목차
표 2.1 필러부에 작용하는 하중의 환산폭(W) (Lee, 2004) = 11
표 3.1 상대강성비 = 16
표 3.2 상대밀도에 따른 지반상태 (Das, 1994) = 16
표 3.3 대표적인 흙의 탄성계수 (Das, 1998) = 17
표 3.4 모형지반의 물리적 시험 결과 = 20
표 3.5 직접전단시험 결과 = 21
표 3.6 실험변수 = 22
표 3.7 계측기의 제원 및 수량 = 24
표 4.1 하중분담율(%) = 44
표 4.2 중앙필러에 작용하는 하중(실험값) = 45
표 4.3 중앙필러에 작용하는 하중(제시식) = 45
목차
그림 2.1 아칭이론 = 11
그림 2.2 아칭이론의 단면 상세 = 11
그림 2.3 Terzaghi의 아칭이론 = 5
그림 2.4 인접 지반 토압변화(Lee et al., 2002) = 7
그림 2.5 지중 및 지표 변위 양상(Lee et al., 2002) = 7
그림 2.6 불연속면 위치에 따른 이완영역(Lee, 2002) = 8
그림 2.7 필러부의 응력 (Hoek and Brown, 1980) = 9
그림 2.8 2-Arch 터널 중앙벽체에 작용하는 하중 (Matsuda, 1997) = 10
그림 2.9 상대강성비 - 환산폭 관계(Lee, 2004) = 11
그림 3.1 모형토조 외관 = 14
그림 3.2 가동판, 바닥판 및 작업구 = 14
그림 3.3 모형터널 및 모형토조 = 14
그림 3.4 모형터널 = 17
그림 3.5 중앙필러 = 17
그림 3.6 변형율 측정위치 및 내공변위 측정위치 = 18
그림 3.7 설치된 수직 불연속면 (JoPI) = 18
그림 3.8 모형지반 조성 (Sand Curtain 방식) = 19
그림 3.9 모형지반의 입경가적곡선 = 20
그림 3.10 직접전단시험 결과 = 22
그림 3.11 실험변수 = 22
그림 3.12 지표 침하 계측 위치 = 25
그림 3.13 실험순서 = 28
그림 4.1 시공단계별 토압 변화 양상(1DNORM) = 30
그림 4.2 시공단계별 토압 변화(JoPI) = 32
그림 4.3 시공단계별 토압 변화(JoRCR, JoLCR) = 34
그림 4.4 굴착완료 후의 토압변화 = 36
그림 4.5 지표변위(1DNORM) = 37
그림 4.6 지표변위(JoPI) = 38
그림 4.7 지표변위(JoRCR, JoLCR) = 40
그림 4.8 시공단계에 따른 중앙필러의 거동 = 43
그림 4.9 각 시공단계별 하중분담율(%) = 44
그림 4.10 내공변위 부호정의 = 46
그림 4.11 내공변위(1DNORM) = 47
그림 4.12 내공변위(JoPI) = 47
그림 4.13 내공변위(JoRCR) = 49
그림 4.14 내공변위(JoLCR) = 49
그림 4.15 변형률 측정위치 및 위치별 명칭 = 50
그림 4.16 라이닝에 작용하는 모멘트(1DNORM) = 52
그림 4.17 라이닝에 작용하는 모멘트(JoPI) = 52
그림 4.18 라이닝에 작용하는 모멘트(JoRCR) = 53
그림 4.19 라이닝에 작용하는 모멘트(JoLCR) = 53
