초록

도심지 지하공간의 개발과 운행선 하부를 저토피로 입체 교차화하는 시설 증가에 따라 비개착식 공법의 수요는 점차 증가추세에 있으나 대다수의 공법은 중대구경 강관을 압입하여 루프를 형성하고 내부를 굴착하는 파이프루프(Pipe roof) 계열의 공법이 주로 적용되고 있다. 강관 압입 시 발생되는 이완영역 및 하중은 여러 인자의 영향을 받게 되나 가장 큰 요소는 압입하는 강관의 크기에 좌우되며 이는 강관 루프 내 지중구조물에 작용하는 하중의 크기로 볼 수 있다. 지반의 교란 및 이완하중 발생을 최소화시키기 위해 개발된 SEM공법(Super Equilibrium Method)은 기존의 중대구경 강관 대신Φ114 mm 내외의 소구경 강관을 사용한다. 이 소구경 강관을 SEM파일로 명명하였으며 강관의 선 압입 및 그라우팅 보강을 실시한 후 지반의 침하나 융기 없이 지반 내 횡단구조물을 유압잭을 이용하여 압입하게 된다. 이와 같이 SEM공법의 구성 중 지보역할을 하는 SEM파일은 선단부 굴착 시 지반의 붕락을 방지하고 상재하중을 지지하기 위한 길이 5 m 내외의 Fore poling 파일이며 이 파일의 배치간격, 시공연장, 부재의 강성 등을 산정하기 위해서는 이완영역의 적절한 산정이 필수적이다. 본 논문은 SEM공법의 최적설계를 위하여 SEM파일 압입 시 발생되는 이완하중 산정 값을 비교분석하였다. 이완영역 산정에 근거한 주요 이론식 및 경험식들의 영향인자를 고려하여 분석하고 FEM analysis (유한요소 해석) 를 수행하여 SEM파일에 적합한 이완하중 산정을 검토하였다. 또한 실제 SEM파일 압입 및 굴착 시 발생되는 지반이완을 확인하기 위해 강관압입 축소모형실험을 수행하였으며 토피고/강관(H/D)에 따른 지표침하 및 지반이완을 정량적으로 검토하였다.

Abstract

With the increased development in downtown underground space facilities that vertically cross under a railway at a shallow depth, the demand for non-open cut method is increasing. However, most construction sites still adopt the pipe roof method, where medium and large diameter steel pipes are pressed in to form a roof, enabling excavation of the inside space. Among the many factors that influence the loosening region and loads that occur while pressing in steel pipes, the size of the pipe has the largest impact, and this factor may correspond to the magnitude of load applied to the underground structure inside the steel pipe roof. The super equilibrium method (SEM) has been developed to minimize ground disturbance and loosening load, and uses small diameter pipes of approximately 114 mm instead of conventional medium and large diameter pipes. This small diameter steel pipe is called an SEM pile. After SEM piles are pressed in and the grouting reinforcement is constructed, a crossing structure is pressed in by using a hydraulic jack without ground subsidence or heaving. The SEM pile, which plays the role of timbering, is a fore-poling pile of approximately 5 m length that prevents ground collapse and supports surface load during excavation of toe part. The loosening region should be adequately calculated to estimate the spacing and construction length of the piles and stiffness of members. In this paper, we conducted a comparative analysis of calculations of loosening load that occurs during the press-in of SEM pile to obtain an optimal design of SEM. We analyzed the influence of factors in main theoretical and empirical formulas applied for calculating loosening regions, and carried out FEM analysis to see an appropriate loosening load to the SEM pile. In order to estimate the soil loosening caused by actual SEM-pile indentation and excavation, a steel pipe indentation reduction model test was conducted. Soil subsidence and soil loosening were investigated quantitatively according to soil/steel pipe (H/D).

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Abstract

In order to design the ventilation in the road tunnel, it is necessary to know the ratio of average annual daily traffic by vehicle type. In general, the road tunnels are onedirectional tunnel, so the traffic of each vehicle type does not change along the tunnel. On the other hand, in the case of network road tunnels, since the connections in the tunnels are complex, the traffic of vehicle-type varies depending on the network composition of tunnels. In the studying the easy method for calculating the ratio of vehicle type for the network road tunnel are proposed with using incidence matrix.

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최근 도심지 지상 구조물의 포화와 함께 극심한 교통난에 대한 해결책으로 터널과 같은 지하공간 개발의 중요성이 커지고 있다. 이러한 이유로 현재 국내의 많은 지역에서 터널 시공이 이루어지고 있으며, 다양한 터널 확충 정책이 건설계의화두가 되고 있다. 하지만, 터널굴착에 의한 지반거동을 사전에 분석하는 것은 다양한 조건을 해석하고 고려해야 하므로매우 어려운 일이다. 기존의 구조물 하부 터널굴착에 대한 연구는 많은 연구자에 의해 수행되었지만, 대부분의 연구에서는 지하수위의 영향을 거의 고려하지 못하였다. 지하수위에 따라 발생되는 간극수압은 지반의 전단강도에 지대한 영향을 미치므로, 지하수 고려 여부에 따라 지반의 거동은 크게 달라질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 고려하지 못한 기존 연구의 한계에서 나아가, 얕은 기초 아래 터널굴착 시 지하수위 위치가 지반거동에 미치는 영향을 효과적으로 분석하고자 한다. 이에 따라 지하수위를 고려할 수 있는 새로운 시험 장치를 개발하였으며, 실내모형시험과 함께 근거리 사진계측을 사용하여 분석을 실시하였다. 또한, 수치해석을 통해 소성해석과 연계해석을 수행하여 실내모형시험결과와 비교하였다. 두 가지의 수치해석 방법과 실내모형시험 결과를 비교하여 실제 도심지 터널 굴착 모델에 적합한 모델을 제시하고자 한다.

Abstract

Tunnelling is getting more important solutions for problems induced by the growth population in urban areas. Many studies on tunnelling below existing structure are carried out by many researchers. In general, however, ground water condition is ignored for most of researches using laboratory model test, so far. In case of ground behavior, error can occur if the result of effective stress related to hydraulic condition can’t be taken into considerations. In this study, therefore, laboratory model test and the close range photogrammetry were conducted to investigate behaviour of ground and shallow foundation using newly device drainage system which is available to express the ground water condition. Also, numerical analysis was carried out to compare to results from the laboratory model test, and was performed with two methods, one is plastic and the other one is fully coupled analysis. Results from those two methods were compared to that of the laboratory model test.

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흙막이벽체 시공 중 버팀대에 문제가 발생하여 변형되거나 제 기능을 상실하게 되면 흙막이벽체에 과다한 변형의 원인이 된다. 따라서 본 연구에서는 모형시험을 통해 시공 중 흙막이벽체의 버팀대 일부가 기능을 상실하게 되었을 때 흙막이벽체의 거동특성 및 배면에 인접한 터널의 거동을 파악하고자 하였다. 연구 결과, 흙막이벽체의 변형으로 인해 배면지반의 토압이 재배치되고 지표변위를 발생시켜 인접한 터널의 변형에 영향을 미쳤으며, 터널에서 가장 가까운 측벽에 위치한 버팀대를 제거하였을 때 흙막이벽체 변형 및 터널변형이 가장 크게 나타났다. 터널의 위치에 따른 평균 전이토압은 터널 심도가 0.65D에서 2.65D로 깊어짐에 따라 평균 25.6% 증가하였으며, 흙막이벽체와 터널과의 이격거리가 0.5D에서1.0D로 증가함에 따라 전이토압이 평균 16% 증가하였다. 버팀대 제거에 따른 흙막이벽체의 수평변위는 제거되는 버팀대 부근에 집중되는 경향을 보였으며 버팀대 제거위치가 하부로 내려갈수록 수평변위는 비선형적으로 증가하는 것으로나타났다. 터널 내공변위는 토피고 1.15D, 수평거리 0.5D일 때 최대 내공변위가 발생하였고, 토피고 2.65D, 수평거리1.0D에서 최소 내공변위가 발생하였다. 가상파괴면이 터널의 중심부를 통과하는 범위인 토피고 1.15~1.65D, 수평거리0.5D에서 터널의 내공변위가 크게 증가하는 것으로 검토되었으며, 최대 내공변위와 최소 내공변위의 차이는 약 2배 정도 발생하였다.

Abstract

If a problem occurs in the strut during the construction of the braced wall, they may cause excessive deformation of the braced wall. Therefore, in this study, the behavior of the braced wall and existing tunnel adjacent to excavation were investigated assuming that the support function of strut is lost during construction process. For this purpose, a series of model test was performed. As a result of the study, the earth pressure in the ground behind wall was rearranged due to the deformation of the braced wall, and the ground displacements caused the deformation of adjacent tunnels. When the struts located on the nearest side wall from the tunnel were removed, the deformation of the braced wall and the tunnel deformation were the largest. The magnitude of transferred earth pressure depended on the location of tunnel. The increase of the cover depth of tunnel from 0.65D to 2.65D caused the increase of the earth pressure by 25.6%. As the distance between braced wall and tunnel was increased from 0.5D to 1.0D, the transferred earth pressure increased by 16% on average. Horizontal displacements of braced wall by the removal of the strut tended to concentrate around the removed struts, and the horizontal displacement increased as the strut removal position is lowered. The tunnel displacement was maximum, when the cover depth of tunnel was 1.15D and the horizontal distance between braced wall and the side of tunnel was 0.5D. The minimal displacement occurred, when the cover depth of tunnel was 2.65D and the horizontal distance between braced wall and the side of tunnel was 1.0D. The difference between the maximum displacement and the minimum displacement was about 2 times, and the displacement was considered to be the largest when it was in the range of 1.15D to 1.65D and the horizontal distance of 0.5D.

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건물하중의 영향을 받는 상태의 기존터널에 근접해서 터널보다 깊은 심도로 지반을 굴착하는 경우에 흙막이벽체의 거동이 기존터널의 존재로 인해 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 그런데 지상 구조물에 의해 받는 영향에 대한 연구 예가 많지 않다. 따라서 본연구에서는 기존터널에 근접하여 지반을 굴착할 때 기존터널이 상부구조의 영향을 받는 상태에서 건물 위치에 따른 터널의 거동을 대형모형실험과 수치해석을 실시하여 측정하였다. 이를 위해 지표면에 건물하중이 없는 경우와 건물하중이 3가지 이격거리에 위치한 경우(0 m, 1D, 2D)에 대하여 각각 대형모형실험을 수행하였다. 본 논문에서는 흙막이벽체와 기존구조물의 영향을 받고 있는 터널의 거동에 대하여 연구하였다. 1 : 10의 축척으로 2.0 m (폭) × 6 m (높이) × 4.0 m (길이)의 크기를 가진 대형토조에서 실험을 수행하였다. 그 결과 흙막이벽체 배면에 있는 인접터널의 안정성은 근접굴착에 의해 뚜렷하게영향을 받는 것으로 나타냈다.

Abstract

If the ground is excavated in a depth which is deeper than the adjacent existing tunnel, the behavior of the braced wall is known to be greatly affected by the presence of the tunnel. By the way it is expected to be also affected by the structure on the ground surface, There are not many examples of studies which are conducted on this subject. As a result, largel scale model tests and analysis were conducted, to measure the behavior of the tunnel under the building whose location on the ground surface was varied during the adjacent ground excavation. For this purpose, the location of a building load was varied in 0 m, 1D, 2D on ground surface. In this paper, the behaviors of braced wall and adjacent tunnel was studied. Model tests in 1 : 10 scale were performed in real construction sequences. The size of test pit was 2.0 m (width) × 6.0 m (height) × 4.0 m (length) in dimension. As a result, it was found that the stability of the existing tunnel under the influence of the building load on the ground surface adjacent to the braced wall.

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본 연구는 터널 갱구부의 복잡하고 다양한 지형조건과 공학적인 강도특성이 불량한 토사 및 풍화암이 깊은 심도로 분포하는 조건에 대하여 터널 굴착 중 안정성확보를 위하여 보강되는 보조공법의 보강방법에 관한 논문이다. 기존 터널 갱구부 보조공법(강관보강 그라우팅, Ø60.5 mm, Ø114.3 mm)은 장심도 수평시공이 곤란하여 중첩보강 조건으로 시공되고있다. 근래, 고강성의 대구경 강관 및 수평방향 장심도(L = 30.0~50.0 m) 시공기술이 개발됨에 따라, 터널 갱구부의 지층 및 지반조건에서 보조공법의 보강방법에 대한 공학적인 검토를 수행하여 효과적인 보강방법의 평가가 필요한 상황이다. 따라서 터널 보조공법 무보강 조건, 기존 중첩보강 조건 및 수평보강 조건과 터널 갱구부의 지반조건을 매개변수로하여 3차원 연속체 수치해석(Midas GTS NX 3D)을 수행하여 보강효과를 검토한 결과, 보조공법 수평보강조건이 변위(천단침하 및 내공변위) 및 지보재 응력이 가장 작게 발생됨에 따라, 보강효과가 가장 큰 것으로 검토되었다. 본 연구 결과를 토대로, 터널 갱구부 현장에 장심도 대구경 강관 수평보강 그라우팅을 설계 및 시공한 결과, 터널 갱구부 변위 및 지보재 응력은 허용값 이내에서 발생되어 충분한 안정성이 확보되는 것으로 검토되었다. 또한, 터널 갱구부의 지반굴착을최소화함에 따라, 친환경적인 터널 갱구부 형성이 가능한 것으로 파악되었다.

Abstract

This study is about the reinforcing type of reinforcement method which is reinforced in tunnel portal of tunnel with bad ground condition. Generally, it is known that the horizontal reinforcement method is more effective than the conventional reinforcement method. However, as a limitation of the tunnel construction technology, it is being constructed by the superposition reinforcement method. In recent years, high-strength large-diameter steel pipes and horizontally oriented longitudes (L = 30.0~50.0 m) construction technology have been developed. Therefore, it is required to study reinforcement method of tunnel portal reinforcement method. Therefore, 3-D numerical analysis (Midas GTS NX 3D) was performed by setting the reinforcement method (No reinforcement type, overlap reinforcement type and horizontal reinforcement type) and ground condition as parameters. As a result, it was considered that the reinforcement effect was the largest as the horizontal reinforcement type of the reinforcement method was the smallest in the displacement and the support material stress. Based on the results of the numerical analysis, horizontal steel pipe grouting was applied to the actual tunnel site. The displacement of the tunnel portal and the stress of the support material occurred within the allowable values and were considered to ensure sufficient stability.

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최근 도심지 공사가 급증하여 기존 지하구조물의 상부에서 지반굴착 공사가 빈번하게 이루어지고 있다. 특히 지반굴착후 구조물이 시공되는 경우 굴착 저면 하부 지반 내에서 하중 제하, 재하 과정이 반복되므로 기존 지하구조물에 영향을미칠 수 있다. 따라서 지반굴착으로 인한 기존 지하구조물의 안정을 유지하기 위해서는 인접부에서의 굴착 및 구조물 하중에 의한 영향을 정확히 파악해야 한다. 본 연구에서는 기존터널 상부에 지반 굴착 및 신규 구조물 하중이 가해지는 경우를 실험적으로 구현하여 인접시공이 기존 터널에 미치는 영향을 파악하였다. 이를 위해 실제 크기의 1/5로 축소한 대형모형시험기를 제작하여 굴착저면과 터널 천단 간의 거리를 일정하게 유지한 체 지반굴착, 구조물 하중의 폭, 기존 터널중심과 지반 굴착 저면 중심과의 이격거리에 따른 영향을 파악하였다. 연구 결과, 동일 하중 크기에 대하여 굴착 깊이가깊어질수록 기존 터널에 더 큰 영향을 작용하는 것을 확인하였다. 동일 이격거리에서 기존 터널에 영향은 건물하중 폭 증가에 따라 터널 내공변위가 최대 3배까지 증가하는 것을 확인하였다. 건물하중 폭의 영향이 굴착 깊이보다 더 크게 나타났다. 또한 수평으로 이격하는 경우는 터널 중심에서 1.0D 이격되면 터널 천단변위가 48% 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이로부터 기존 터널 상부에 터파기 시공 위치에 따른 영향이 가장 크게 발생하는 위치는 1.0D (D: 터널직경)인것으로 확인하였다.

Abstract

Recently, the construction of the urban area has been rapidly increasing, and the excavation work of the ground has been frequently performed at the upper part of the existing underground structures. Especially, when the structure is constructed after the excavation of the ground, the loading and unloading process in the ground under the excavation basement can affect the existing underground structures. Therefore, in order to maintain the stability of the existing underground structure due to the excavation of the ground, it is necessary to accurately grasp the influence of the excavation and the structure load in the adjoining part. In this study, the effect of the excavation of the ground and the new structure load on the existing tunnel was experimentally implemented and the influence of the adjacent construction on the existing tunnel was investigated. For this purpose a large testing model with 1/5 scale of the actual size was manufactured. The influence of ground excavation, width of the load due to new structure, and distance between centers of tunnel and of excavation on the existing tunnel was investigated. In this study, it was confirmed that the influence on the existing tunnel gets larger, as the excavation depth get deeper. At the same distance, it was confirmed that the tunnel displacement increased up to three times according to the increase of the building load width. That is, the load width influences the existing tunnel larger than the excavation depth. As the impact of the distance between centers of tunnel and of excavation, it was confirmed that tunnel crown displacement decreased by 48%. The result showed that a tunnel is located in the range of 1D (D: tunnel diameter) from the center of excavation, the effect of excavation is the largest.