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Abstract

The estimation of surface settlement, ground behavior and tunnel displacement are the main factors in urban tunnel design with shallow depth and unconsolidated soil. On deformation analysis of shallow tunnel, it is important to identify possible deformation mechanism of shear bands developing from tunnel shoulder to the ground surface. This paper investigated the effects of key design parameter affecting deformation behavior by numerical analysis using nonlinear model incorporating the reduction of shear stiffness and strength parameters with the increment of the maximum shear strain after the initiation of plastic yielding. Numerical parametric studies are carried out to consider the reduction of shear stiffness and strength parameters, horizontal stress ratio, cohesion and shotcrete thickness.

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대부분의 지하구조물들은 불포화 지반에 건설되어있는 경우가 많으므로, 본 논문에서는 불포화토의 겉보기 점착력이 지반 굴착시 거동에 미치는 영향에 관하여 연구하였다. 이를 위해 압력판 추출시험, 불포화 삼축압축시험, Trap-door 시험을 수행하여 다양한 범위의 겉보기 점착력에서 지반의 거동이 어떻게 변화하는지 관찰하였다. 그 결과 완전 포화와 완전 건조 상태일 때는 지반이 거의 같은 거동을 보이고, 불포화 상태일 때는 함수비의 증가에 따라 그 거동이 매우 달라짐을 알 수 있었다. 이를 통해 겉보기 점착력이 지하 구조물 굴착 시 매우 중요한 역할을 한다는 것을 알 수 있었다.

Abstract

Gound excavation is frequently executed in unsaturated soil conditions. In this paper, the effect of apparent cohesion in unsaturated soils on the ground behavior during underground excavation is studied. The VPPE (Volumetric Pressure Plate Extractor) test, the unsaturated triaxial test and the trap-door test were carried out to figure out how the behavior of soils varies depending on the variation of apparent cohesion. The test results show that the ground behavior is almost identical if the soil is either fully dry or fully saturated. However, if the soil is partially-saturated with the increase of water content, the ground behaves quite differently. In summary, the apparent cohesion in unsaturated soils plays key roles when excavating underground structures.

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원형수직터널에 작용하는 토압은 아칭효과로 인해 2차원 일반 흙막이벽에 작용하는 토압보다 작으므로 원형수직터널 설계 시 벽체에 작용하는 실질적인 토압의 예측이 필요하다. 본 논문은 두 개의 연속된 논문(Companion papers)의 두 번째로서 원형수직터널 설계 시 건조한 사질토뿐만 아니라 지반과 다층지반에서 적용 가능하도록 새롭게 제안된 토압식(김도훈 등, 2009)을 증명하기 위해 대형 모형실험을 수행하였다. 고안된 모형실험 장비는 단계별 굴착이 가능하도록 제작되었고 벽체의 반경을 변화시켜가며 실험을 수행하였다. 또한 강사 방법으로 지반을 조성하기 전 건조한 시료에 물을 첨가하고 불포화사질토를 형성시켜 겉보기 점착력을 발현시킴으로써 지반과 다층지반에서 실험을 진행하였다. 실험 결과로서, 단계별 굴착을 모사하였을 때, 아칭효과에 의해 굴착된 지반에서 굴착되지 않은 지반으로 하중이 전이가 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 동시에 굴착했을 때의 토압은 예측한 값에 비해 상당히 작게 나타났지만, 단계별로 굴착했을 때의 최종 토압은 동시 굴착 시의 토압에 비해 크게 나타나며 새롭게 제안된 토압식과 잘 일치하였고, 지반과 다층지반에서 수행한 실험의 결과도 겉보기 점착력의 효과로 인해 토압의 감소를 보이며 이론적인 값과 잘 일치하는 것으로 나타났다.

Abstract

The earth pressure acting on the vertical shaft is less than that acting on the retaining wall due to three dimensional arching effect. Thus, it might be essential to estimate the earth pressure actually acting on the shaft when designing the vertical shaft. In this paper, large-sized model tests were conducted as Part Ⅱof companion papers to verify the newly suggested earth pressure equation proposed by Kim et al. (2009: Part I of companion papers) that can be used when designing the vertical shaft in cohesionless soils as well as in soils and multi-layered soils. The newly developed model test apparatus was designed to be able to simulate staged shaft excavation. Model tests were performed by varying the radius of vertical shaft in dry soil. Moreover, tests on soils and on multi-layered soils were also performed; in order to induce apparent cohesion to the cohesionless soil, we add some water to the dry soil to make the soil partially-saturated before depositing by raining method. Experimental results showed a load transfer from excavated ground to non-excavated zone below dredging level due to arching effect when simulating staged excavation. It was also found that measured earth pressure was far smaller than estimated if excavation is done at once; the final earth pressure measured after performing staged excavation was larger and matched with that estimated from the newly proposed equation. Measured results in soils and in multi-layered soils showed reduction in earth pressures due to apparent cohesion effect and showed good matches with analytical results.

초록

최근 국내에서는 해저터널에 대한 관심이 늘고 있고, 실제 해저터널의 건설이 진행되고 있다. 이러한 해저터널의 안정성을 위해서는 차수 및 보강을 위해 그라우팅이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 해저 심부에 위치한 터널을 대상으로 그라우팅 보강이 터널의 안정성에 미치는 영향을 살펴보았다. 이를 위해 1, 3, 5 등급 암반을 대상으로 그라우팅 보강영역, 암반등급, 숏크리트 두께, 측압계수, 그라우팅 두께, 펌핑의 유무를 달리하여 민감도 분석을 위한 수리-역학적 연계해석을 수행하였다. 수치해석을 위해 FLAC-2D ver 5.0을 사용하였다. 해저터널의 그라우팅 보강 설계를 수행할 경우에는 그라우팅의 강도증가 효과뿐만 아니라 그라우팅 차수로 인해 증가되는 수압의 효과도 같이 고려해야 할 것으로 판단된다

Abstract

Recently interest in subsea tunnels is increasing nationwide and the construction of a subsea tunnel is taking place. For the stability of such a subsea tunnel, grouting is necessary for the water barrier and reinforcement of the tunnel. In this study, therefore, it was investigated how the grouting reinforcement had an effect on the stability of a subsea tunnel located in a great depth. To this end, Hydro-mechanical coupled analyses were performed for a sensitivity analysis in terms of different grouting range, rock class, shotcrete thickness, coefficient of lateral earth pressure, grouting thickness, and pumping existence for the rock classes I, III, and V. FLAC-2D ver. 5.0 was used for the numerical analyses. It was came to the conclusion that the effect of the increased water pressure due to the water barrier of the grouting should be considered as well as the strength improved effect in designing grouting reinforcement of subsea tunnels.

초록

최근 아치슬래브를 이용한 새로운 반개착식 터널공법이 터널안정성 확보와 건설비용 감소, 환경훼손 최소화를 위해 적용되고 있다. 반개착식 공법은 원지반을 터널 천단아치부 까지만 굴착하고 아치형 구조물을 설치하여 복토한 후에 터널하반을 굴착하는 공법이다. 본 논문에서는 편경사 지역에서 반개착식으로 굴착 할 경우 편경사에 따른 아치슬래브의 거동을 실내모형실험으로 규명하였다. 연구결과, 아치슬래브의 거동은 원지반의 편경사 크기, 굴착심도, 굴착사면의 경사 및 기반암의 위치에 영향을 받는 것으로 나타났다. 아치슬래브의 축력은 전반적으로 압축력이 지배하나 편경사가 커질수록, 저지대에서 부분적으로 인장력이 발생하였다. 아치슬래브의 모멘트는 편경사가 증가할수록 고지대에서는 압축모멘트가 발생하며, 저지대에서는 인장모멘트가 발생하였다. 지점반력은 편경사가 커질수록 고지대에서는 증가하며, 저지대에서는 감소하여 좌우편차가 발생하였다.

Abstract

Recently, the number of shallow tunnel construction increases to improve the structural safety and environment-friendliness. In semi-cut-and-cover Method, ground is excavated to the crown arch level and arch slab is set to backfill before the excavation of lower face. In this study, laboratory model tests was performed to clarify the behavior of the arch slab constructed perpendicular to the slope. Results show that Arch slab is affected by perpendicular to the slope and bedrocks. Negative moment at the upper part of the arch slab at hillside and positive moment at the upper part at the other side are generated as perpendicular to the slope increases. Reaction load at the hillside support was larger than that at the other side.

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최근에 물류비 절감, 교통 편의성 개선, 지역발전 등 정치, 경제, 사회적 요구에 따라 장대 해저터널 건설의 필요성이 증가하고 있다. 또한, 도심지에 건설되는 도로 및 철도터널에서도 터널의 장대화에 따라 공사용 및 환기용 수직구의 설치가 필수적이다. 수직구 굴착 후 설치되는 콘크리트 라이닝의 설계시 결정해야할 요소는 직경, 단면두께, 소요철근량 등이다. 이러한 수직구 직경, 하중조건, 지반조건을 고려하여 최적의 라이닝 단면설계를 위해서는 많은 구조검토가 필요하다. 본 연구에서는 이러한 다양한 조건에 대하여 구조해석을 수행하여 라이닝 단면설계도표를 제시하였다. 제안된 도표를 이용하여 간편하게 규모 및 하중조건에 따른 라이닝 단면두께 및 소요철근량 산정이 가능하다.

Abstract

Recently, requirement of a long subsea tunnel has increased due to political, economical and social demands such as saving of distribution costs, improvement of traffic convenience, and regional development. Road and railroad tunnel need a shaft for construction and ventilation because of increase of tunnel length. Shaft diameter, lining sectional thickness and rebar quantity have to be determined for design of concrete lining in the shaft. A lot of structural analyses are needed for optimal design of concrete lining considering shaft diameter, load conditions and ground conditions. Design charts are proposed by structural analyses for various conditions in this study. A sectional thickness and rebar quantity can be easily determined using the proposed design charts.

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터널현장에서는 터널의 안정성을 평가하기 위하여 숏크리트 계측이 활발히 수행되고 있다. 그러나 숏크리트 응력 측정은 지반하중과 관계없이 발생되는 변형률 및 숏크리트 변형계수의 불확실성, 숏크리트 응력 측정 자체의 어려움 등에 의하여 측정 결과의 신뢰성을 기대하기 어렵다. 본 연구에서는 국내외의 숏크리트 계측의 현황 분석 및 현장 계측 결과를 통하여 기존 숏크리트 계측의 문제점을 분석하였다. 문헌조사 및 터널 현장에서의 무응력 숏크리트 계측 결과를 이용하여 무응력 상태에서 발생하는 숏크리트 응력의 보정 방안을 제시하였다. 또한 측정된 변형률을 응력으로 환산할 경우에 적용할 숏크리트 변형계수를 제시하였다.

Abstract

The field measurements on the shotcrete lining are usually performed during the tunnel construction. However, the credibility of the measurements is not certain because of the non-stress related strains occurring in the shotcrete, the uncertainty of the deformation modulus of the shotcrete, and the intrinsic difficulties involved in the strain measurements in the shotcrete. The problem related to the field measurements on the shotcrete is investigated using the review of the previous studies and the field measurement performed for this study. A method for the correction of stress measurements at the shotcrete lining, considering the non-stress related strains, is suggested using the literature review and the actual measurements obtained from the non-stress shotcretes. The deformation modulus used for the calculation of the stress acting on the shotcrete is also suggested.

초록

암거구조물의 특성상 암거 표준도가 제정되어 실무에 활용되고 있다. 그러나 이는 암거구조물의 설계 및 시공성을 향상시킬 수 있으나, 다양한 현장조건에 부합하는 단면형상의 선정에 제약조건으로 작용하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 프리캐스트 세그먼트 조립을 통하여 다양한 형상의 암거구조물 시공이 가능한 현장 대응형 암거구조물 설계 및 시공기술을 개발하였다. 조립식 수로암거구조물의 구조적 특성상 프리캐스트 세그먼트의 연결부가 고정 또는 내부힌지 거동 여부에 따라 부재의 두께, 철근량 등이 변화하게 되며, 이는 시공성 및 경제성에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 본 연구에서는 세그먼트 연결부의 합리적인 모델링 기법 제시를 위하여 현장실험 및 수치해석을 수행하였다. 현장실험 및 수치해석 분석 결과, 몰타르 충진식 슬리브를 이용한 슬라브, 벽체, 기초판 프리캐스트 세그먼트는 연결시공을 통하여 조립식 수로암거구조물은 일체화된 구조물로 거동하는 것으로 나타났다.

Abstract

Due to the characteristic of culvert structure, the standard section of the culvert has been established and applied in field. However, this becomes a limitation in selecting a section design corresponding to various field conditions although it can improve the design and applicability of culvert structure. In order to overcome this limitation, we have developed the design and application technology of culvert structure corresponding to the field conditions that various shapes of culvert structure can be covered by assembly of precast segments. Because the structural characteristics of assembling-type waterway culvert structure, the thickness of structure and amount of reinforcing rods can vary according to the fixation or internal hinge status in the connection part of precast segments. This has a strong influence on the applicability and economic efficiency of culvert structure. Accordingly, in order to suggest a reasonable modeling technique of segment connection parts, this study has conducted the field experiment and numerical analysis. According to the results of field experiment and numerical analysis, the slab, wall and base slab with mortar splice sleeves have shown that the assembling-type of waterway culvert structure behaves like an integrated structure.