† 교신저자, 서울과학기술대학교, 철도전문대학원 철도시스템학과 석사과정(남광토건) E-mail : [email protected]
* 한국철도기술연구원, 철도시스템연구센터 철도구조연구실 책임연구원 ** 서울과학기술대학교, 철도전문대학원 철도건설공학과 교수
상하부로 교차하는 철도터널의 상호거동에 관한 수치해석적 연구
Numerical Study of Interactions Between Cross Railway Tunnels
김창수 † 엄기영* 조국환**
Chang-Soo Kim Ki-Young Eum Kook-Hwan Cho
ABSTRACT
To construct a tunnel to the bottom of the existing tunnels by the behavior of the tunnel to examine the scope and effect, Schubert (1995) Influence Line and Trend Line to the proposed concept was introduced. Crossing angle of the existing tunnels and new tunnels 15, 30, 60, and 90 were set, the lower ground after 3-grade fixed above the ground was graded a 3-grade and 5-grade. Interpreted as a result of these conditions, the tunnel diameter 10m (D) If the crossing angle of around 90 degrees, 60 degrees, 30 degrees or less, each 3.0D, 3.5D, 4.0D, respectively, in the range of the effect could be estimated.
1. 서 론 국내에 NATM 공법이 도입된 시기는 서울지하철 2호선 건설과 그 시기를 같이 한다. 대한민국은 국 토의 약 70%가 산악지형으로 되어 있어 철도, 고속도로, 간선도로 등을 건설하기 위해서는 터널건설이 필수적이기 때문에, 전세계적으로 터널 및 지하공간 공사를 가장 많이 수행하는 나라임에 틀림없다. 국 가적인 차원에서 국가철도망 구축계획도 중장기 단위로 확정되면서 대도시 교통난 해소를 위한 광역철 도망까지 지속적으로 확충하는 사업이 추진되면서, 기존터널(도로 및 철도터널)의 하부 및 상부로 교차 는 터널의 건설은 불가피 한 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 기존터널의 하부로 통과하는 신설터널에 의한 터널의 거동과 영향범위를 검토하 기 위하여, Schubert(1995)가 제안한 영향선(Influence Line)과 경향선(Trend Line)을 개념을 도입하였다.
2. 해석 조건 2.1 지반 물성치 지반 물성치는 수치해석 결과에 가장 큰영향을 미치는 영향인자로써 국내에서 최근 Turn-Key방식으 로 발주 및 시공중인 『성남～여주 복선전철 제5공구 건설공사』를 대상으로 하여 물성치를 다음의 표1 과 같이 적용하였다. 표 1. 해석에 적용된 지반 물성치 암반등급 단위중량(kN/m3) 변형계수(MPa) 프와송비 점착력(MPa) 내부마찰각(°) 3 25.0 7,000 0.24 1.06 39 5 21.0 700 0.30 0.17 31 2389
2.2 단면 및 지보패턴 터널단면은 상기에서 언급한 『성남～여주 복선전철 건설공사(제5공구)』에 적용된 것으로 폭 9.79m, 높이 7.90m로써 유효직경(D)이 약 10m인 단면을 적용하였으며(그림 1), 지보패턴은 다음의 표2와 같이 현장에서 적용되고 있는 사항을 선정하였다. 그림 1. 해석에 적용된 터널단면 표 2. 해석에 적용된 표준지보패턴 구분 지보패턴 P3 지보패턴 P5 굴착 방식 전단면 상․하분할 굴진장 (m) 상반 2.0 1.2 하반 1.2 숏크리트 두께(cm) 8 16 록볼트 길이 4 4 종방향 간격 2.0 1.2 횡방향 간격 1.5 1.2 2.3 해석영역 및 측압계수 본 연구에서는 터널설계기준(대한터널협회, 1999)을 참고하여 측면의 해석범위를 터널유효 직경(D)의 4.5D, 상부로는 지표면까지, 하부로는 3D까지를 모델링 하였다. 경계조건의 영향과 굴착에 의한 영향거 리를 감안하여 전․후방 4～5D를 종방향 해석범위로 설정하였다(그림 2). 또한, 측압계수는 수압파쇄시 험, AE, DRA 시험 등을 통하여 산출한 것을 보정한 것으로 심도가 100m이내인 점을 감안하여 0.5으로 설정하였다. 그림 2. 해석에 적용된 터널단면 2.4 해석모델 및 해석순서 해석모델은 Mohr-Coulomb 파괴기준을 적용하였으며, 해석순서는 암반등급에 해당되는 지보패턴을 선정하여 실제 시공과정과 유사하게 굴착 다음단계에서 연성숏크리트 및 록볼트를 설치한 후, 강성숏크 리트로 변화하도록 하였다. 2390
대표적인 결과를 도출하기 위하여, 기존터널과 하부로 신설되는 터널의 교차각도를 15, 30, 60, 90로 설정하고, 대상지반 및 현장과의 연계성을 고려하여 하부지반은 3등급으로 고정한 후에 상부지반은 3등 급과 5등급으로 변경하면서 대상지반에 일반적으로 적용되는 지보패턴을 적용하여 총 8가지 Case를 3차 원 수치해석으로 검토하였다. 표 3. 해석 Case 및 순서 구분 시공순서 지보패턴 교차 각도 비고 기존터널(백마터널) 기시공 (변위 초기화) 3(상행선) 5(하행선) 15° 30° 60° 90° 모델링의 크기 및 해석시간을 고려하여 기존터널을 분리 신설터널(경안터널) 단계굴착 및 지보재 설치 3 3. 해석 결과 상기와 같은 방법으로 수행한 결과, 상부지반 5등급이고 하부지반 3등급인 경우 터널의 교차각도가 30도 이하인 경우에는 경향선의 기울기가 변화되는 지점이 약 38m(터널교차 중심으로부터 떨어진 거리) 표 4. 해석 Case별 결과요약 해석 조건 기존(백마)터널 지보패턴 신설(경안)터널 지보패턴 교차 각도 기존(백마)터널 지보패턴 신설(경안)터널 지보패턴 교차 각도 5 3 90° 3 3 90° 해석 결과 해석 조건 기존(백마)터널 지보패턴 신설(경안)터널 지보패턴 교차 각도 기존(백마)터널 지보패턴 신설(경안)터널 지보패턴 교차 각도 5 3 60° 3 3 60° 해석 결과 2391
해석 조건 기존(백마)터널 지보패턴 신설(경안)터널 지보패턴 교차 각도 기존(백마)터널 지보패턴 신설(경안)터널 지보패턴 교차 각도 5 3 30° 3 3 30° 해석 결과 해석 조건 기존(백마)터널 지보패턴 신설(경안)터널 지보패턴 교차 각도 기존(백마)터널 지보패턴 신설(경안)터널 지보패턴 교차 각도 5 3 15° 3 3 15° 해석 결과 지점, 교차각도가 60도 경우에는 35m지점, 교차각도가 90도 경우에는 28m지점으로 나타났다. 또한 상부 지반의 등급 변화에 대한 영향은 기울기 및 변위의 크기 정도의 차이만 나타내고 있어서 큰 영향을 주 지 않은 것으로 나타났다. 4. 결론 기존터널 하부로 교차하는 신설터널이 건설되는 경우 터널이 직경이 10m(D) 정도인 경우 교차각도가 90도, 60도, 30도 이하인 경우 각각 3.0D, 3.5D, 4.0D를 각각의 영향범위로 산정할 수 있었다. 이러한 결 과를 바탕으로 교차터널을 계획할 경우 상기와 같은 영향범위를 고려하여 설계 및 시공에 반영한다면, 합리적이고 안정적인 터널계획이 될 수 있을 것으로 판단되며, 또한 Schubert(1995)가 제안한 영향선 (Influence Line)과 경향선(Trend Line)을 도입하여 교차하는 터널의 상호거동을 평가하는데 그 적용성 을 확인할 수 있었다.
참고문헌
1. 대한터널협회(1999년), “터널설계기준”, p. 42.
2. 한국철도시설공단(2006년), “성남～여주 복선전철 제5공구 건설공사 실시설계보고서”, pp. 27-34. 3. Schubert, W., Budil, A.(1995년) The importance of longitudinal deformation in tunnel excavation.
Fujii editor, Proceedings of 8th International Congress on Rock Mechanics, Tokyo, Rotterdam, A.A. Balkema, pp. 1411-1444.
