1. 서 론
본 연구에서는 운영 중에 있는 교량 하부에 시공되는 지하철 정거장 시공을 위한 다양한 굴착공법에 대한 비교
연구내용을 다루었다. 최근 지하철의 지하정거장 건설시 특히 개착공법이 어려운 구역에서의 지하철 정거장 시공 법으로 파이프 루프(PRS; Pipe Roof Structure) 공법이나 2-Arch 터널 공법이이 많이 채택되고 있다. 당 구간은 OO 역사구간의 하부를 통과하게 되는 기존 터널 공사구간에 상부 교각기초 선단과의 거리는 1.0m 내외가 될 것으로 예상되는 구간으로서 터널굴착에 따른 지반 변위 최소화 가 설계/시공 주안점으로 검토되었다. Fig. 1과 2는 각각
모형실험을 이용한 교량하부 통과 구간 굴착공법 비교 연구
A Comparative Study on Construction Method for a Large Underground Station under Pile Supported Bridge
유충식
1*, 정은목
2Chung-Sik Yoo
1*, Eun-Mok Chung
21Member, Professor, School of Civil and Environmental Engineering, Sungkyunkwan Univ. Natural Sciences Campus, Cheoncheon-dong, Jangan-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do, 16419, Republic of Korea
2Member, Fomer Graduate Student, School of Civil and Environmental Engineering, Sungkyunkwan Univ. Natural Sciences Campus, Cheoncheon-dong, Jangan-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do, 16419, Republic of Korea
ABSTRACT
This paper presents the results of an experimental study on the effect of large underground station construction method under an existing pile supported bridge using reduced-scale model tests. A series of tests were conducted on design alternatives using 1g models for different design options for which tunnel structures were created considering the similitude law. Deformation fields obtained using the PIV analysis and LVDTs together with strains in tunnel structures were used to investigate the effect of the construction methods on the pile supported bridge. The results of the tests demonstrated that the pipe roof structure is more efficient in limiting the ground deformation as well as the settlement of bridge foundation than a 2-Arch tunnel. It is also shown that the PIV analysis can be effectively used in analyzing ground tunneling induced ground movement for cases in which a construction sequence governs ground movement.
요 지
본 연구에서는 운영 중인 교량하부에 근접 시공되는 지하철 터널의 형식에 대한 비교분석 내용을 다루었다. 이를 위해 먼저 실제현장에 대해 상사비를 적용하여 각각의 터널 형식에 대한 터널 구조물 및 교량에 대해 축소 모형을 제작하고 시공과정을 모사하는 실험을 수행하였다. 실험결과는 사진 이미지 분석법인 PIV 기법과 LVDT에 의한 지반 거동 및 터널구조물의 변형률 등을 이용한 분석을 통해 각각의 터널 구조물 시공이 교량 말뚝 및 터널 주변 지반의 거동에 미치는 영향을 고찰하였다.
실험결과 파이프 추진 공법이 2-Arch 터널 시공법에 비해 주변지반에 미치는 영향 및 교량의 침하에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 것으로 검토되었다. 아울러 PIV 기법은 터널시공 모사 실험과 같이 시공과정이 주변지반의 거동에 절대적인 영향을 미치는 조건에 대한 실험결과 분석에 매우 유용하게 적용될 수 있는 것으로 검토되었다.
Keywords : Tunnel, Pipe roof foundation, Particle Image velocimetry analysis, Model test 한국지반신소재학회논문집 제16권 4호 2017년 12월 pp. 177 ∼ 190
J. Korean Geosynthetics Society Vol.16 No.4 December. 2017 pp. 177 ~ 190
DOI: https://doi.org/10.12814/jkgss.2017.16.4.177 ISSN: 2508-2876(Print) ISSN: 2287-9528(Online)
Received 4 Dec. 2017, Revised 22 Dec. 2017, Accepted 22 Dec. 2017
*Corresponding author
Tel: +82-31-290-7537; Fax: +82-31-290-7549 E-mail address: [email protected] (C.-S. Yoo)
공사구간의 평면도와 단면도를 보여주고 있는데 보이는 바와 같이 OO역 통과구간은 기본계획시 2-Arch 터널이 기존 교량 하부를 통과하도록 계획되었으나 설계과정에서 터널 굴착으로 인한 지반변위 제어의 필요성으로 인해 2-Arch 터널의 대안으로서 PRS 공법이 고려되었으며 이 에 대한 실험적 검토의 필요성이 대두되었다.
2-Arch 터널이나 PRS 공법은 시공과정이 복잡하고 단 면이 큰 특징이 있어 시공에 따른 주변지반 거동에 미치는 영향이 클 수 있으나 관련된 연구는 많지 않은 실정이다.
특히, 본 연구에서 다루는 시공조건과 같이 2-Arch 터널 혹은 PRS 시공이 상부 파일기초로 지지되는 교량의 안정 성에 미치는 영향에 관한 연구는 거의 찾아 볼 수 없는 실정이다. 관련 국내 연구로서 Kim and Park(2003)은 수치 해석적 접근을 통해 2-Arch 터널의 거동 양상에 대한 고찰 을 수행한 바 있으며 Lee(2007)는 2-Arch 터널 굴착에 따 른 지반내의 거동에 관한 연구를 수행하였다. 한편, Kim and Lee(2009) 는 2-Arch 터널 시공시 중앙벽체에 작용하 는 하중에 관한 연구를 수행한 바 있으며 이후 Yoo et al.
(2009) 은 2-Arch 터널의 변위 거동 및 지반침하 발생 메커 니즘을 심도 있게 고찰한 바 있다. 본 연구대상 터널 시공 조건과 같이 도심지역에서 기존 구조물 하부에 터널을 시 공할 경우 기존 구조물의 파일과 터널간의 영향이 생길 수 있으며 이에 따른 터널 굴착에 악영향을 미칠 수 있게 되 는데 상부 구조물이 존재하는 조건에서의 2-Arch 터널 굴 착에 대한 연구는 미미하다. 한편, 파일기초 하부에 시공 되는 터널과 파일기초와의 상호작용 연구로서 Yang et al.
(2009) 및 Yoo (2013)에서는 터널시공과 인접한 파일 간 의 상호작용에 관한 연구를 수행한 바 있으나 본 연구에서 다루고자하는 2-Arch 터널과 상부 파일기초 교량의 상호 작용과 같은 조건에 대한 모형실험에 대한 연구와 PRS 구
조물 시공시 주변 지반에 미치는 영향에 대한 연구는 전무 한 실정이다. 국외 또한 Chen et al.(1999), Lee and Ng (2005), Lee and Jacobsz(2006), Cheng et al.(2007), Lee and Chiang(2007) 등의 연구가 수행된 바 있으나 이들 연 구 모두 이상적인 시공조건에서 터널굴착이 파일기초에 미치는 영향에 초점을 두고 수행하여 그 결과 또한 제한적 인 내용을 제공하고 있다.
본 연구에서는 실제 굴착과정에 대한 상세모사가 가능 한 모형실험을 통해 2-Arch 터널, PRS 구조물의 파일기초 교량과의 상호작용에 대한 고찰을 시도하였다. 이를 위해 모형실험에서는 각각의 터널형식에 상사법을 적용하여 모 형구조물을 구축하고 시공과정을 모사하여 실험을 실시함 으로써 기존 파일기초 교량에 미치는 영향터널 굴착시 발 생하는 지반 변위가 파일기초에 미치는 영향 고찰에 주안 점을 두었다. 이때 PIV 분석 기법을 이용하여 터널 시공으 로 인한 지반 거동 메커니즘에 대한 고찰을 시도하였다.
다양한 계측을 통해 터널구조물과 기존 파일기초 교량간 의 상호작호에 대한 비교 연구를 수행하였다.
2. 현장 조건
Fig. 1 은 본 연구에서 검토한 2-Arch 터널의 횡단면도 와 교량기초 단면을 보여주고 있다. 각 지층의 물성은 Table 1 과 같으며 보이는 바와 같이 터널 막장은 풍화토와 풍화암을 관통하도록 계획되어 있다. 단면도에서와 같이 터널의 토피고는 17.3m이며 교량 파일기초와 터널 천단 의 이격거리는 약 1.0m로 계획되었다.
Fig. 2 는 2-Arch 터널 단면을 보여주고 있다. 터널의 총 폭은 21.192m이며 중앙터널 굴착 후 중앙기둥 설치, 이후 좌･우측 터널이 굴착되는 순서로 계획되었으며 지보재로
GL-00.0(m)
GL-02.8
GL-05.8
GL-11.0 Fill
Alluvial
Weathered Soil
Weathered Rock
Fig. 1. Schematics of 2-Arch tunnel construction
는 두께 200mm의 강섬유 보강 숏크리트(SFRS) 및 길이 4m 종･횡간격 1.0m, 직경 25mm의 록볼트가 설치되도록 되어 있다.
2-Arch 터널 시공시 발생할 수 있는 지반변위가 기존 파일 기초 교량에 미치는 영향에 대한 우려가 대두되어 대 안으로서 PRS 공법이 검토되었다. PRS 공법은 두께 14mm 직경 914mm의 강관을 선 압입하여 쉘구조를 형성함으로 써 터널굴착으로 인한 변위를 최소화하는데 초점을 맞춘 공법으로서 Fig. 3은 채택된 단면을 보여주고 있다.
3. 축소모형실험 3.1 개요
축소모형실험에서는 2-Arch 터널과 PRS 공법이 상부 파일기초 교량에 미치는 영향을 고찰하는데 그 목적을 두 었다. 이를 위해 모형실험에서는 1/40의 상사비를 적용하 여 실험 모형을 제작하였으며 이때 상사비는 본 기관에서 보유한 토조의 크기에 맞추어 터널의 크기가 최대로 제작 이 되었을 시 모형 터널의 상･하좌우로부터 영향을 최대 한 안 받는 크기를 고려하여 결정하였다.
실험에서는 터널 굴착이 교량 기초말뚝에 미치는 영향 도 평가에 주안점을 두었으며 터널에 직접적인 영향을 미 치게 될 것으로 예상되는 교각 두 기만을 모사하여 실험을 수행하였다. 한편, 실험조건에 대한 단순화를 위해 실제 현장 지반조건에 있어 터널 하부를 제외한 전체 지반을 풍 화토로 가정하고 수행하였으며 터널의 하부는 경암이 위 치하는 것으로 단순화 하였다. 한편, 본 연구에서는 굴착 및 숏크리트 타설 과정을 단순화 하여 굴착과 동시에 숏크 리트 라이닝이 타설되는 것으로 가정하였다. 따라서 본 실
Table 1. Geotechnical properties of groundLayer unit weight
(kN/m3) cohesion
(kPa) Internal friction angle
(deg.) Young’s modulus
(kPa) Poisson’s ratio
fill 17 5 25 10000 0.34
alluvial 1710 30 20000 0.36
weathered soil 18 30 30 30000 0.32
weathered rock 20 50 32 100000 0.31
Fig. 2. Cross section of 2-Arch tunnel (initial design)
Φ914.4(t=14.0mm)강강강강 H-300x300x10x15
Fig. 3. Cross section of Pipe Roof Structure (alternative design)
험에서 도출되는 결과는 무지보 굴착으로 발생하는 변위 에 대한 고려가 생략되었다고 간주하여야 한다.
3.2 모형토조
본 연구에서는 Fig. 4(a)에서와 같이 1800mm×350mm×
1200mm( 폭×깊이×높이)의 모형토조를 사용하였다. 전면 부에는 30mm 두께의 투명한 아크릴판으로 제작되었으며 또한 하중재하로 인한 전면 아크릴판의 변형을 방지하기 위해 네 개의 철제 프레임으로 구속하여 전면판의 배부름 을 방지하였다. 한편, 모형토조의 측면과 후면 부는 철제 프레임으로 제작했다.
터널 굴착은 모형터널 하부에 Fig. 4(b)와 같이 특수 제 작한 800mm×350mm×250mm(폭×깊이×높이)의 제원을 갖 는 굴착박스를 설치하여 굴착박스 하단부 개방 시 터널내 부의 지반이 터널 아래로 배출하도록 터널굴착 효과를 모 사하였다. 이때 2-Arch 터널의 좌측과 우측의 터널에 대한 굴착을 순차적으로 모사하기 위해 좌우측의 박스를 각각 개방할 수 있도록 제작하였다.
3.3 상사법칙에 근거한 모형 터널 및 교량 교각
3.3.1 상사법칙 기본 이론
현장 혹은 실대형 실험을 이용한 연구는 소요 시간과 경제적 부담이 크기 때문에 많은 공학적인 실험에는 원형 (Prototype) 을 적절히 축소시켜 만든 모형(Model)에 대한 실험을 통하여 원형의 각종 현상을 관찰하는 축소 모형실 험 기법이 사용된다.
모형실험에서 도출된 물리량 사이의 관계는 이론적으 로 분명히 나타낼 수는 없기 때문에 이는 각종 역학적인 현상에 대한 답을 제공하지는 않는다. 즉 모형실험은 원형 을 기하학적으로 축소하여 수여되는 것이므로 하중이나 응력 중 여러 가지 물리량 사이의 관계가 이론적으로 불분 명하다. 그러므로 차원해석법(dimension analysis)을 이용 하여 물리량으로 구성되는 무차원 변형량 사이의 관계를 사전에 수립하여 실험을 계획하고 수행하여야 한다.
공학적인 문제에서는 Table 2와 같이 중력[F]을 1차원 으로 하는 FLT 또는 물리변수의 차원을 나타내기 위한 질 량[M] 길이[L] 및 시간[T]을 기본단위로 하는 MLT 계를 사용하여 각각 물리간의 관계를 정의할 수 있다. 모형실험 결과를 원형으로 전이해석하게 되는 경우 상사성을 가지 1800mm
350mm
1200mm
(a) model test box (b) excavation simulation box
Fig. 4. Model test box and excavation simulation box
Table 2. Similitude law relations
Physical variance FLT MLT Physical variance FLT MLT
Length L L Speed LT-1 LT-1
Time T T Acceleration LT-2 LT-2
Mass FL-1T2 M Gravitational
acceleration LT-2 LT-2
Weight F MLT-2 Pressure FL-2 ML-1T2
Force F MLT-2 Density FL4T2 ML-3
도록 축소해야 하여, 축소된 물리량과의 관계는 다음과 같다.
기하학적 축소율은 식 (1)과 같이 원형과 모형의 대응길 이의 축소율로 이와 관련되는 물리량은 길이(L), 면적(A), 체적(V)이며, 원형과 모형간의 대응 길이는 모든 방향에 대하여 일정하여야 한다.
길 이 :
면 적 :
체 적 :
(1)
시간에 대한 축소율은 현장의 중력가속도(g
p) 와 모형실 험의 중력가속도(g
m) 가 동일하므로 이 관계로부터 식 (2) 와 같이 시간에 대한축소율을 결정할 수 있다.
(2)
밀도와 질량에 대한 축소율에서는 밀도는 단위체적당 질량을 나타내므로 밀도에 대한 축소율 (
) 로부터 식 (3) 과 같이 관계를 정의 할 수 있다.
(3)
한편, 하중과 응력에 대한 축소율은 식 (4) 및 (5)와 같다.
(4)
(5)
3.3.2 구성요소 제작
본 연구에서 채택한 1/40의 상사비 적용에 따른 원형에 따른 모형 축소율을 Table 3에 요약하였다.
1) 터널 숏크리트 라이닝 및 PRS 구조체
터널구조물에 대한 제원과 상사율을 고려하여 모형터 널의 숏크리트 라이닝 및 PRS의 제원을 산정하였다. 모형 터널 라이닝과 PRS는 S41(탄성계수: 196MPa) 강철판을 사용하였으며 아래 식 (6)을 이용하여 상대 강성비를 산정 하였다.
×
×
(6)
여기서
: 상대 강성비
: 지반의 탄성계수
: 라이닝의 탄성계수
: 라이터널의 반경
: 라이닝의 단위길이당 단면 2차 모멘트
모형실험에 사용할 지반(조밀한 모래)과 현장 지반조건 ( 탄성계수 320MPa) 및 현장 터널 숏크리트 라이닝(두께 200mm) 을 고려하여 검토한 결과 상대강성비는 2.85로 산 정되었으며 이에 따른 S41 강철판 사용시 모형 숏크리트 라이닝의 두께는 1.1mm로 결정되었다.
Fig. 5 는 1/40의 상사비를 적용한 모형터널 및 PRS의 제원을 보여 주고 있다. Fig. 5(a)에서와 같이 2-Arch 터널 의 경우 내부 중앙기둥은 터널라이닝과 같은 재질인 S41 강철판을 이용하여 2mm 두께로 단면은 2cm×2cm×20cm ( 폭, 넓이, 높이)로 제작하였으며 PRS 구조체의 경우 직격 2.25mm, 두게 0.5mm 강관을 사용 하였다(Fig. 5(b)).
2) 교각 및 파일
모형 교각 및 파일은 OO공사현장의 기존 본선 기초에 대한 하중과 기초말뚝의 제원을 고려하여 제작하였다. 이 때 상부의 기초저판은 MC 나일론의 고강도 플라스틱으로 제작하였으며 하부의 말뚝은 알루미늄으로 제작하여 상부
Table 3. Applied reduced model scale
Variable Reduced scale factor Variance Reduced scale factor
Geometric 0.025 Mass 1.56 × 10-5
Time 0.16 Load 1.52 × 10-7
Density 1 Stress 2.44 × 10-4
의 기초저판과 결합이 가능하도록 제작하였다. Fig. 6은 본 실험에서 사용된 모형 기초말뚝의 제원을 나타내고 있다.
3.4 모형 지반
모형실험을 수행하는데 있어 모형 지반은 모래를 이용 하여 조성하였다. 사용 모래의 입도 특성 및 단위중량, 모 형지반의 전단강도 정수는 아래 Table 4에 제시되어 있으 며 통일분류법(USCS) 에 근거할 때 SP로 분류된다. 모형 지반은 강사법을 이용하여 낙하 높이를 조정하는 방법으 로 상대밀도 70%가 되도록 조성하였다.
3.5 계측
3.5.1 사용 계측 장비
본 실험에서는 터널굴착에 따라 발생하는 원지반 이완
이 교각기초에 미치는 영향을 파악하고자 터널 라이닝 변 위 및 응력, 파일기초 변위 등을 계측항목으로 선정하였으 며 이와 아울러 사진 이미지 분석 기법인 PIV 기법을 사용 하여 모형지반 조성 후 굴착에 따르는 지반의 변위계측은 수행하였다. 또한 터널굴착에 따른 파일 기초의 변위는 기 초말뚝 상부에 LVDT(Linear Variable Displacement Trans- ducer) 를 부착하여 측정하였으며 실험중 모형 지반의 응 력변화를 측정하기 위해 토압계를 설치하였다. 한편, 터널 라이닝에 스트레인 게이지(Strain Gauge)를 부착하여 터 널굴착에 따르는 라이닝의 변형율도 측정이 가능하게 하 였다. 시험 단계에서 발생한 데이터는 Tokyo Sokki Kenkyujo 사의 TDS-303을 사용하여 컴퓨터에 자동 저장되도록 하 였다. 각각의 계측기는 캘리브레이션을 통하여 측정값을 정규화 시켰으며 이를 토대로한 정규화된 실험 데이터를 TDS-303 을 통하여 실험중 자동으로 기록이 가능하게 세 팅하였다.
22.5cm 54cm
0.11cm
(a) model 2-Arch tunnel lining (b) model PRS
Fig. 5. Geometry of model tunnel structures
(a) geometry (b) photo
Fig. 6. Pile foundation model
Table 4. Physical and mechanical properties of sand Gradation Max. unit weight
m ax
Min unit weight
m i n Cohesion
Int. Friction angle
deg
= 0.13
= 13.1
= 1.13
16 13 0 35
3.5.2 PIV 기법을 이용한 지반변위 측정
실험중에는 GeoPIV(White et al. 2003)을 이용한 사진 이미지 분석 기법(PIV, Particle Image Velocimetry)을 이 용하여 터널내부의 지반의 변위를 추적할 수 있도록 하였 으며 이를 토대로 지반의 움직임의 크기에 따른 Contour 를 작성하여 지반의 위치별 변위의 크기를 시각화가 가능 하게 만들었다. GeoPIV는 White et al.(2003)이 개발한 PIV 전용 프로그램으로서 실험 수행과정에서 카메라로 쵤영된 이미지를 분석하여 지반의 입자의 움직임을 파악 하고 이에 따른 변위를 Matlab(2012) 프로그램을 이용해 계산하여 벡터로 나타내게 된다. 구체적인 적용 방법은 다 음과 같다.
PIV 기술은 본래 순간 촬영된 사진의 씨(Seed) 입자의 움직임을 파악하는데 이용했으나 White et al.(2003)은 지 반 입자를 씨(Seed)로 간주하여 지반의 변위를 파악이 가 능하게 했다. 처음엔 지반의 사진을 변위 벡터로 나뉘어진 여러 그리드로 Test Patch를 생성하게 된다(Fig. 7(a)). 그 후 2번째 사진에서 처음에 생성된 Test Patch를 각 patch
의 Search Path 위치에서(Fig. 7(b)) 자동 상관(auto correlation) 함수를 이용하여 가장 동일한 씨(seed)에 대한 위치를 찾 아 기존의 Test Patch에서 위치와 비교하여
방향의 벡터로 나타나게 된다.
PIV 를 이용한 지반 변위 분석 방법은 다음과 같다. Fig.
8 은 PIV의 캘리브레이션을 위해서 찍은 사진을 보여주고 있는데 Fig. 8(a)은 하부 트랩도어 개방전 사진을 Fig. 8(b) 은 개방후 사진을 보여주고 있다. 보이는 바와 같이 트랩 도어 개방에 따른 지반 변위는 각각의 사진을 각각 비교하 여 입자의 움직임을 PIV 분석 프로그램에서 파악하게 된 다. 이때 PIV로 측정된 변위 값과 육안으로 표시목을 확인 한 변위값을 비교 측정하여 PIV 내에서 나타나는 변위 값 에 대한 수정 계수값을 계산한 후 PIV 측정값을 역 정규화 하여 캘리브레이션을 수행하였다.
한편, Fig. 9에서는 PIV 분석을 통한 따른 지반의 변위 를 벡터 추출과정을 나타내고 있는데 변위벡터는 각 벡터 의 방향과 크기로 지반의 움직임을 나타내며 PIV 상의 데 이터를 토대로 이를 컨투어 형태로 나타낼 수 있다.
(a) first picture (b) second picture
Fig. 7. Pictures of subject ground
(a) before opening of trap door (b) after opening of trap door Fig. 8. Calibration of PIV using trap door test
3.6 실험 방법
모형실험에서는 모형실험 셋업의 제한적 상황으로 인 해 2-Arch 터널 및 PRS 시공과정을 단순화하였다. 즉, 2-Arch 터널의 경우 중앙터널의 시공과정은 생략하고 중 앙기둥이 설치된 상황에서 좌우 터널 굴착에 대한 모델링 을 실시하였다. 한편, 숏크리트 라인닝을 모사하는 철제 라이닝 또한 사전에 설치된 상태에서 터널 굴착을 수행하 여 무지보 굴착 후 숏크리트 라이닝이 설치되는 실제 상황 대비 모형실험의 굴착 모델링 과정은 변위를 다소 과소평 가할 수 있는 여지가 있다고 할 수 있다. 다만 현장에서 굴착단면 안정화를 위해 포폴링이나 PRS 공법이 적용될 시 사전 변위 억제효과가 있기 때문에 본 실험과정은 현장 상황에서 크게 벗어나지 않을 것으로 판단된다. 한편, PRS 터널 또한 내부 강관 추진체와 내부 지보재는 굴착과 동시 에 설치되는 것으로 단순화 시켰다. 2-Arch 터널에 대한 구체적인 모형실험과정은 다음과 같다.
1) 굴착박스 토조 중앙부 위치 선정 후 설치 및 벽돌을 이용한 굴착박스 좌우 공간 폐쇄
2) 스트레인게이지가 설치된 터널 라이닝 거치 및 터널 내 LVDT 설치
3) 터널내부를 포함하여 터널 라이닝 상부 5cm까지 모 래 채움
4) 터널 직상부 위치에 3조의 토압계 설치 후 파일 기초 2/3 위치 높이까지 강사
5) 압입을 통한 모형 파일기초 설치
6) 가 강사를 통한 모형지반 완성 및 파일기초 및 원지 반 지표면에 LVDT 설치
7) 파일기초 상부에 유압셀을 이용하여 소요하중 재하 (1.4kN).
8) 좌측 굴착박스 개방을 통한 터널 좌측 터널 굴착 9) 우측 굴착박스 개방을 통한 터널 우측 터널 굴착
Fig. 10 은 2-Arch 터널 실험조건에서 전체 굴착이 완료 됨 시점의 사진을 보여주고 있다.
3.7 실험 조건
실험에서는 터널이 기존 교량하부를 예각으로 굴착되
Fig. 9. Procedure of ground displacement extractionFig. 10. Completion of 2-Arch tunnel excavation
는 상황을 고려하여 터널위치 대비 교량 위치를 변수로 하 여 각각 두 조건에 대한 실험을 수행하였다. 위 Table 5에서 와 같이 2-Arch 터널의 경우 터널 중앙벽체와 좌측 교각 중심간 거리(i. e.,
) 를
,
에 대 한 실험을 수행하였으며 PRS의 경우 이와 유사한 조건인
의 조건에 대한 실험을 수행하였다.
4. 결과 분석
모형 실험결과는 2-Arch 터널 혹은 PRS 굴착이 상부 교량기초와 주변 지반에 미치는 영향을 분석에 주안점을 두고 분석하였다. 아래 절에서는 분석 내용을 기술하였다.
4.1 2-Arch 터널 굴착 조건
Fig. 11 은 2-Arch 터널 실험조건에 대한 세팅을 사진으 로 보여주고 있다. 보이는 바와 같이 2-Arch 터널 실험조 건에서 Case-A는 터널 중앙벽체 중심이 우측 교각으로 치 우쳐 있는 조건이며 Case-B는 중앙벽체가 두 교각의 중앙 에 위치하는 조건이다.
4.1.1 Case-A
Fig. 12 는 시공중 계측된 굴착단계별 터널 라이닝 및 상 부 교각(파일)의 침하발생 추이 곡선을 보여주고 있다. 먼 저 터널 라이닝 천단 침하를 나타내고 있는 Fig. 12(a)에서 는 좌측터널 굴착 후 우측터널을 굴착하는 시공순서로 인 해 좌측터널의 천단침하가 30% 크게 발생하는 경향(i.e., 4.3mm vs. 3.4mm) 을 관찰할 수 있다. 반면 교각의 침하량 을 나타내는 Fig. 12(b)에서는 우측 교각의 침하량이 30%
이상 크게 발생하는 것으로 나타났는데 이는 우측교각이 우측터널 직상부에 위치함에 따른 것으로 이해 할 수 있 다. 이러한 경향은 기존 교량하부에 2-Arch 터널 굴착시 최대 터널 천단 침하 발생 지점과 최대 교각 침하 발생지 점이 다를 수 있음을 의미하는 것으로서 계측관리시 이러 한 경향을 반영할 필요가 있을 것으로 판단된다.
Fig. 13 에서는 좌우측 터널 라이닝에 설치된 스트레인 게이지 측정결과를 시공과정에 따라 보여주고 있다. 전반 적으로 좌측터널에는 원주방향 인장변형률이 최대 5%가 량이 발생하는 반면 우측터널에서는 1% 정도만 발생하는 것으로 나타나 터널 라이닝 천단침하 경향에서와 같이 시
Table 5. Test casesTest configuration Tunnel Case H
(mm) c
(mm) eL
(mm) eR
(mm)
2-Arch
A
433 23
300 130
B 200 200
PRS C 430 26 300 130
(a) Case-A (b) Case-B
Fig. 11. 2-Arch tunnel test setups
공중에는 좌측터널 라이닝의 변형이 현저히 크게 발생하 는 것으로 검토되었다. 한편, 최대 변형률 발생지점은 두 터널 공히 중앙벽체에 인접한 부분에서 발생하는 것으로 검토되어 현장 시공시 이부분에 대해 숏크리트 응력에 관 한 계측관리가 중점적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
Fig. 14 는 실험과정에서 단계별로 촬영한 영상을 PIV 기법을 이용하여 분석한 결과를 변위벡터 및 칸투어의 형 태로 보여주고 있다. 먼저 Fig. 14(a)는 좌측터널 굴착에 따른 결과를 보여주고 있는데 보이는 바와 같이 좌측터널 굴착에 따라 좌측터널 직상부 구간에서의 침하가 집중적
으로 발생하는 경향을 보여주고 있으며 이후 우측터널 굴 착시(Fig. 14(b)) 좌측터널에 추가 침하가 발생하여 최종 적으로 좌측터널 천단부에 침하가 현저히 크게 발생하는 것으로 검토되었다. 이러한 경향은 터널내부에 LVDT를 설치하여 측정한 결과와 잘 일치하는 결과로서 PIV는 지 반거동 분석에 유용하게 사용될 수 있는 것으로 검토되었다.
4.1.2 Case-B
터널 중앙벽체 중심과 두 교각의 중심이 일치하는 시공 조건인 Case-B에 대한 결과가 Figs. 15와 16에 제시되어
(a) tunnel crown settlement (b) pier settlement
Fig. 12. Time history of tunnel and pier settlement (Case-A)
(a) left tunnel lining (b) right tunnel lining
Fig. 13. Time history of tunnel lining strain development (Case-B)
있다. Fig. 15(a)에서는 터널 시공중 좌우측 터널 천단침하 발생 시간 이력을 나타내고 있는데 보이는 바와 같이 좌측 터널 굴착으로 좌측터널에서 최대 6.0mm 정도의 천단침 하가 발생한 후 우측터널 굴착으로 약 0.5mm의 추가 침하 가 발생하여 총 6.5mm의 천단침하가 발생하는 경향을 보 여주고 있으며 우측터널의 경우 6.0mm의 정도의 천단침 하가 발생하는 것으로 검토되었다. 이는 중앙벽체 시공이 후에도 우측터널 굴착으로 인해 좌측터널에 추가 변위가 발생할 수 있음을 의미하며 따라서 중앙벽체의 정밀시공
이 좌측터널의 안정성에 매우 중요한 의미를 가짐을 의미 한다고 하겠다. 한편, 교각(파일) 침하량을 보여주고 있는 Fig. 15(b) 에는 좌우측 교각 공히 약 5mm 내외의 동일한 침하가 발생하는 경향을 관찰할 수 있다.
이러한 결과를 터널 중심이 두 교각의 중심에 어느 정도 이격되어 시공되는 Case-A의 결과와 비교할 경우 터널 천 단변위 및 교각의 침하량 공히 터널이 교각의 중앙하부에 시공되는 Case-B가 Case-A보다 25%정도 크게 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 기존 교량의 안정성 측면
(a) left tunnel excavation(b) right tunnel excavation
Fig. 14. 2-Arch tunnelling induced ground deformation using PIV
(a) tunnel crown settlement (b) pier settlement
Fig. 15. Time history of tunnel and pier settlement (Case-B)
에서는 터널이 두 교각 직하부에 시공되는 경우가 더 불리 함을 의미하는 것으로서 도심지 터널 굴착시 상부교량과 터널의 상대적 위치가 매우 중요한 파라메타임을 의미한 다고 하겠다.
시공중 좌우측 터널 라이닝에 설치된 스트레인 게이지 로부터 측정된 터널 라이닝 변형률 시간 이력곡선이 Fig. 16 에 제시되어 있다. 좌･우측 터널 라이닝에서는 각각 3.1%, 2.7% 의 인장변형률이 발생하는 것으로 나타나 좌･우측 터널의 변형정도가 거의 유사한 것으로 나타나 LVDT에 의한 터널 천단침하 측정 결과와 유사한 경향을 보이는 것 으로 검토되었으나 최대값의 경우 Case-A와 비교할 때 20% 작은 값이 발생하는 것으로 나타났다. 한편, 최대 인 장변형률 발생지점은 좌우측 터널 공히 어깨부에서 발생 하는 것으로 나타났는데 이러한 경향은 상부 중앙벽체 인 접부에서 최대 인장변형률이 발생하는 Case-A와 다소 상 이한 것으로서 터널 라이닝의 최대 인장변형률 발생 지점
또한 터널과 교각의 상대적 위치에 따라 달라질 수 있다는 점을 시사 한다고 하겠다.
4.2 PRS 터널 굴착 조건
Fig. 17 은 2-Arch 터널의 대안설계로 검토된 PRS 터널 실험 세팅(Case-C)을 보여주고 있다. 2-Arch 터널과 마찬 가지로 PRS 구조물 아래에 설치된 굴착 박스를 개방하는 방법으로 터널 굴착을 시뮬레이션 하였다. 한편, Table 5 에서 제시한 바와 같이 교각과 터널의 상대적 위치와 관련 한 실험조건은 Case-A와 동일하다.
Fig. 18 에서는 PRS 구조물 중앙부 침하와 교각 침하를 터널 굴착 과정에 따른 시간이력을 보여주고 있다. 제시된 결과와 같이 PRS 구조물 및 두 교각의 최대 침하량은 각 각 3.0mm와 2.0mm 정도로 측정되어 2-Arch 터널 보다 구조물 및 지반 변위제어에 효율적인 것으로 검토되었다.
한편, Figs. 19(a)와 19(b)에서는 각각 PRS 구조물 중앙 부에 설치된 스트레인 게이지로 측정한 인장변형률과 좌 우측 교각 직하부에 설치한 토압계로부터 측정된 토압의 굴착과정에 따른 시간이력을 보여주고 있다. 먼저 Fig.
19(a) 에서 관찰할 수 있는 바와 같이 PRS 구조물의 인장 변형률은 1.3%정도를 보이는 것으로 검토되었는데 이는 Case-A 와 Case-B의 실험조건에서 측정된 인장변형률에 비해 약 50%이상 작게 나타났는데 이는 PRS 구조물의 강 성이 2-Arch 터널 구조보다 우월함에 따른 것으로 판단된 다. 한편 두 교각 직하부에 위치한 토압계로 측정된 토압 의 경우 비록 노이즈는 있으나 시공과정에 따른 토압의 변
(a) left tunnel lining (b) right tunnel lining
Fig. 16. Time history of tunnel lining strain development (Case-B).
Fig. 17. PRS tunnel test setup (Case-C)
화가 그다지 뚜렷하지 않음을 알 수 있는데 이는 PRS 구 조물의 강성이 커서 지반거동이 최소화되었기 때문으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 운영중인 교량하부에 근접 시공되는 지 하철 정거장 터널의 형식에 대한 비교분석을 위해 수행된 모형실험 결과를 제시하였다. 모형실험에서는 실제현장에 대해 상사비를 적용하여 각각의 터널 형식에 대한 터널 구 조물 및 교량에 대해 축소 모형을 제작하고 시공과정을 모
사하는 실험을 수행하였다. 실험결과 파이프 추진 공법 (PRS) 이 2-Arch 터널 시공법에 비해 주변지반에 미치는 영향 및 교량의 침하에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 것으로 검토되었다. 실험결과는 다음과 같이 요약된다.
(1) 2-Arch 터널이 두 교각 중앙부와 다소 이격되어 시공 되는 경우 터널의 최대 침하는 선 굴착되는 터널에서 발생하며 터널 직상부에 위치한 교각에서 침하가 크게 발생하는 것으로 검토되어 기존 교량하부에 2-Arch 터널 굴착시 최대 터널 천단 침하 발생 지점과 최대 교각 침하 발생지점이 다를 수 있음을 의미하는 것으
(a) settlement at PRS center (b) pier settlement
Fig. 18. Time history of tunnel and pier settlement (Case-C)
(a) left tunnel lining (b) right tunnel lining
Fig. 19. Time history of PRS strain and earth pressure development (Case-C)
로서 계측관리시 이러한 경향을 반영할 필요가 있을 것으로 판단된다.
(2) 2-Arch 터널이 두 교각 중앙부와 다소 이격되어 시공 되는 경우 좌우측 터널 공히 중앙벽체에 인접한 부분 에서 발생하는 것으로 검토되었으며 선 굴착 되는 터 널 라이닝의 인장변형률이 현저히 크게 발생하는 것으 로 검토되었다.
(3) 2-Arch 터널이 두 교각 중앙부를 관통하는 경우가 이 격되어 시공하는 경우에 비해 터널 및 교각 변위가 25% 정도 크게 발생하는 것으로 나타나 기존 교량의 안정성 측면에서는 터널이 두 교각 직하부에 시공되 는 경우가 불리한 것으로 검토되었다.
(4) PRS 터널이 적용되는 경우에 대한 실험결과 터널 구 조물 및 교각변위, 구조물 인장변형률이 2-Arch 터널 시공 조건보다 현저 작게 발생하는 것으로 나타났다.
이는 PRS 구조체의 구조적 강성이 2-Arch 터널에 비 해 높음에 기인하는 것으로서 기존 교량의 변위 억제 가 주요 착안사항일 경우 PRS 공법이 유용하게 적용 될 수 있는 검토되었다.
Acknowledgement
This research was supported by a grant (Project number:
13SCIP-B066321-01 (Development of Key Subsea Tunnelling Technology)) from the Infrastructure and Transportation Technology Promotion Research Program funded by the Ministry of Land, Infrastructure, and Transport of the Korean government.
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