프리캐스트 아치형 개착식 터널의 역학적 거동에 관한 수치해석

황재홍,Hwang, Jae-Hong 한국터널지하공간학회 2009 한국터널지하공간학회논문집 Vol.11 No.3

아치형 개착식 터널은 종래의 박스형 개착식 터널과 비교하여 외력에 따른 축력으로 지지하는 형식이므로 보다 얇은 부재로 시공이 가능하고, 구조물 특성상 적절한 변형에 의하여 지반반력을 기대할 수 있어 역학적으로 우수한 구조물로서 최근 프리캐스트화되어 그 시공실적이 증가하고 있는 추세이다. 그러나 프리캐스트 아치형 개착식 터널은 굴착식 터널 및 박스형 개착식 터널 등과 시공방법과 형상이 상이하여 구조물 주변 지반응력 거동이 다르며, 이는 터널구조물 단면설계시에 반영 되어야만 하는 중요한 사항이다. 따라서 본 연구에서는 프리캐스트 아치형 개착식 터널의 시공과정을 고려하여 유한요소해석을 실시하여, 지반과 구조물간 상호작용을 고려한 아치형 개착식 터널의 역학적 거동에 대하여 검토하였다. The thickness of the material can be thinned because arch cut-and-cover tunnel has the support mechanism by the axial force, and the ground reaction force due moderate deformation can be expected thereby making it be dynamically advantageous, therefore the arch cut-and-cover tunnel has become more widely used. An important characteristic of the arch cut-and-cover tunnel is that the thickness of the material can be thinned because precast arch type has the support mechanism by the axial force. However, there is a different stress state surrounding the structures between normally excavated tunnels and cut-and-cover tunnels, it should be considered at designing. Therefore, finite element method was carried out to examine the mechanical behavior of the precast arch cut-and-cover tunnel considering construction procedure.

리브 보강 프리캐스트 터널 Liner의 역학적 거동 특성

이규필,이성원,신휴성,황재홍,Lee, Gyu-Phil,Lee, Sung-Won,Shiin, Hyu-Soung,Hwang, Jae-Hong 한국터널지하공간학회 2008 한국터널지하공간학회논문집 Vol.10 No.3

콘크리트 현장타설 개착식 터널구조물의 문제점을 해결하기 위하여, 시공성 및 품질관리 등 측면에서 유리한 프리캐스트 세그먼트를 이용한 개착식 터널구조물의 시공이 가장 효과적인 대안이라 할 수 있다. 그러나 프리캐스트 세그먼트를 이용한 개착식 터널구조물의 설계 및 시공은 고성토 또는 광폭터널 조건에서는 시공성 및 구조적 안정성 등과 같은 단점 때문에 그 활용이 제한적이다. 따라서, 본 연구에서는 프리캐스트 세그먼트를 이용한 개착식 터널구조물의 구조적 안정성 및 시공성 향상을 위하여, 리브 보강 프리캐스트 아치를 이용한 개착시 터널구조물을 개발하였으며, 대형 정적하중재하 실험을 통하여 리브보강에 의한 프리캐스트 아치 터널구조물의 역학적 거동 특성을 분석하였다 프리캐스트 세그먼트의 리브 보강 효과로 천단부에 균열이 발생하는 하중은 약 1.7배, 구조물의 극한하중은 약 3.3배 증가하는 등 리브 보강효과를 통하여 프리캐스트 세그먼트를 이용한 개착식 터널구조물의 구조적 안정성을 크게 향상시켰다. Due to the limitation of construction efficiency and structural safety, the application of the high covering and wide width tunnels was limited prior to the introduction of precast cut and cover tunnels. Therefore, a cut and cover tunnel structure with rib reinforcement is proposed to mechanically improve the safety on condition of high covering and wide width tunnel. In this study, large-scale experiments are carried out to examine the mechanical behavior of the cut and cover tunnel structure with rib reinforcement under static load condition. Based on the results obtained from this study, the ultimate load of tunnel structure increases to about 3.3 times by rib reinforcement. Consequently, safety of tunnel structure increases compared to non-installed cases due to confining crown part by rib reinforcement.

개착식 터널의 뒤채움재로 EPS블럭의 내진 성능 평가를 위한 진동대 시험

김낙영,이용준,이승호,정형식,Kim, Nag-Young,Lee, Yong-Jun,Lee, Seung-Ho,Chung, Hyung-Sik 한국터널지하공간학회 2002 터널기술 Vol.4 No.4

최근 들어 전세계적으로 지진발생빈도가 높아지고 있고 개착식 터널과 같이 설치 심도가 낮고 개착한 부분 즉, 구조물 인접 주변을 뒤채움해야 하는 지중구조물의 경우 지진동에 의한 피해가 상당히 발생하는 것으로 보고되고 있다. 우리나라의 경우도 1990년대 이후 꾸준히 지진발생빈도가 증가하는 경향을 나타내고 있지만 지중구조물에 대한 내진설계기준에 대한 연구가 부족한 편이다. 따라서, 본 연구에서는 지진동 발생시 개착식 터널 주변 뒤채움 및 상부 성토재료 특성에 따라 터널에 미치는 동적거동을 분석하기 위하여 토사와 경량재료인 EPS블럭을 적용, 각각의 대하여 뒤채움 경사별 및 성토고에 따른 진동대 시험을 수행하여 개착식 터널의 내진성능 효율성 분석하였다. 지진동에 의한 발생 변형율 및 터널에 발생되는 휨응력 분석결과 EPS블럭과 같은 경량재료를 혼용하는 것이 내진성능을 향상시키는데 효과적인 것으로 분석되었다. World widely, the occurrences of earthquakes have been increased recently. Speculating from cases of earthquakes in the world, it is reported that damages have been made underground structures like cut-and-cover tunnels, especially on the upper of tunnel with a shallow depth and the backfilled area adjacently by earthquakes. Earthquakes have a tendency to increase recently in Korea but it is deficient in seismic design criteria. In this study, Shaking table test on both soil and EPS blocks was performed to analyze the efficiency of the seismic performance of the cut-and-cover tunnels according to characteristic of backfill materials and embanking material. It turned out to be effective in improving the seismic performance according to analysis of strain and bending stress of tunnel by earthquakes.

반개착식 터널 공법의 기준 제안을 위한 수치해석적 연구

노병국(Byoung-Kuk Roh),박종관(Jong Kwan Park),백승규(Seung Kyu Baek) 한국철도학회 2013 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2013 No.5

터널 갱구부와 저토피 구간에 대하여 원지반의 훼손을 최소화할 수 있는 환경 친화적인 반개착식 터널공법을 적용한 연구 및 시공사례가 증가하고 있으나, 하중조합 및 아치콘크리트의 단면 등 반개착식 터널공법에 대한 별도의 적용 기준이 없는 실정이므로 과다한 설계가 되고 있다. 본 연구에서는 수치해석적 검토를 수행하여 반개착식 터널공법의 설계 기준을 제안하고자 한다. 설계에 영향을 줄 수 있는 요인인 지반조건, 터널 상부 지층 두께, 상부지반의 경사각도, 아치콘크리트의 두께 등을 변화시키며, 수치해석을 실시하였다. 수치해석 결과들에 대한 각 영향인자들의 상관관계 분석을 실시하여, 합리적이고 경제적이며, 안전한 아치콘크리트의 제원을 제안하여 반개착식 터널공법의 기준을 제시하고자 하였다. Research techniques applied to the tunnel and construction of environmentally friendly semi-cut and cover tunnel portal and shallow section of the foundation can minimize corruption and a growing number of cases, but the load combinations and the cross-section of the concrete arch and half cut & cover tunnel method not apply for separate standards, so the design has become excessive. In this study, semi cut & cover tunnel design process of a review numerical criteria are proposed. Of factors that can affect the design, numerical analysis was conducted by varying the inclination of the upper soil, ground conditions, tunnel upper strata thickness, the thickness of the concrete arch. The numerical results, the correlation analysis of influence factors for each of the rational, economical, and safe specifications of concrete arch semi cut & cover tunnels of the proposed criteria were proposed.

개착식 철도 터널 구조물의 기존 지진취약도 모델 적합성 평가

양승훈,곽동엽 사단법인 한국터널지하공간학회 2022 한국터널지하공간학회논문집 Vol.24 No.1

A weighted linear combination of seismic fragility models previously developed for cut-and-cover railway tunnels was presented and the appropriateness of the combined model was evaluated. The seismic fragility function is expressed in the form of a cumulative probability function of the lognormal distribution based on the peak ground acceleration. The model uncertainty can be reduced by combining models independently developed. Equal weight is applied to four models. The new seismic fragility function was developed for each damage level by determining the median and standard deviation, which are model metrics. Comparing fragility curves developed for other bored tunnels, cut-and-cover tunnels for high-speed railway system have a similar level of fragility. We postulated that this is due to the high seismic design standard for high-speed railway tunnel. 본 연구에서는 기존에 개발된 개착식 철도 터널의 지진취약도 모델들을 가중 조합하여 새로운 모델을 제시하고 제시한 모델의 적정성을 평가하였다. 지진취약도 함수의 형태는 최대지반가속도의 대수정규분포형태로, 누적확률분포로 표현된다. 독립적으로 개발된 각 모델을 선형 가중 조합하는 것으로 모델의 불확실성을 줄일 수 있기에 4개의 모델에 대하여 25%씩 동등하게 선형가중을 부여하였다. 조합된 지진취약도 곡선에 최대 지반가속도에 대한 피해발생확률을 이용하여 지진취약도 곡선의 중앙값과 표준편차를 결정하여 새로운 지진취약도 함수를 개발하였다. 개발된 지진취약도 함수의 적합성을 평가하기 위하여 다양한 터널의 지진취약도 곡선과 비교 분석을 진행하였다. 개발된 곡선은 상대적으로 지진피해에 안전한 굴착식 터널의 지진취약도 함수와 비슷한 취약도를 갖는 것으로 나타나는데, 대상 터널은 국내 고속철도 개착식 터널로 높은 내진설계 기준에 의해 기인하는 것으로 판단된다.

비탄성 지진 해석을 통한 박스 터널의 손상 상태 및 손상 지수 규명

박두희,이태형,김한섭,박정선,Park, Duhee,Lee, Tae-Hyung,Kim, Hansup,Park, Jeong-Seon 한국터널지하공간학회 2016 한국터널지하공간학회논문집 Vol.18 No.2

성능기반 설계에서 구조물의 안정성은 손상 상태와 이를 수치화한 손상 지수에 의해 평가한다. 지상 구조물에 대해서는 이들이 비교적 명확하게 정의되어 있으나 지중 구조물에 대한 연구 수행 사례는 매우 제한적이다. 본 연구에서는 국내 지하철 시스템에 널리 사용되는 박스형 개착식 터널에 작용하는 지진하중에 의한 손상 상태와 손상 지수를 일련의 비탄성 프레임 해석을 통하여 규명하였다. 터널의 3 단계 손상 상태는 구조물에 발생한 소성 힌지의 수에 의해 정의하였다. 손상 지수는 터널 구조 부재의 탄성 모멘트와 항복 모멘트의 비로 정의하여 탄성 해석만으로도 비탄성 거동과 파괴 메커니즘의 모사가 가능하도록 하였다. 또한 손상 지수를 자유장 전단 변형률의 함수로도 제시하였다. 전단 변형률은 1 차원 지반응답해석으로 쉽게 계산할 수 있으므로 이를 이용하여 간편하게 박스형 터널의 초기 내진 안정성 평가가 가능할 것으로 판단된다. 보다 일반적이고 보편적인 적용성 확보를 위해서는 추후 포괄적인 해석을 수행하여 다양한 형태의 터널과 지반에서의 전단 변형률 분포와 불확실성에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다. 본 연구에서 제시된 터널 내진설계를 위한 손상 상태, 손상 지수, 그리고 전단파 속도 및 전단변형률 간의 상호관계 플래트폼은 새로운 아이디어를 담고 있으며 추후 설계에 널리 활용될 수 있을 것으로 판단된다. In a performance-based design, the structural safety is estimated from pre-defined damage states and corresponding damage indices. Both damage states and damage indices are well defined for above-ground structures, but very limited studies have been performed on underground structures. In this study, we define the damage states and damage indices of a cut-and-cover box tunnel which is one of typical structures used in metro systems, under a seismic excitation from a series of inelastic frame analyses. Three damage states are defined in terms of the number of plastic hinges that develop within the structure. The damage index is defined as the ratio of the elastic moment to the yield moment. Through use of the proposed index, the inelastic behavior and failure mechanism of box tunnels can be simulated and predicted through elastic analysis. In addition, the damage indices are linked to free-field shear strains. Because the free-field shear strain can be easily calculated from a 1D site response analysis, the proposed method can be readily used in practice. Further studies are needed to determine the range of shear strains and associated uncertainties for various types of tunnels and site profiles. However, the inter-linked platform of damage state - damage index - shear wave velocity - shear strain provides a novel approach for estimating the inelastic response of tunnels, and can be widely used in practice for seismic designs.

프리캐스트 터널 Liner의 리브보강 형상변화에 따른 역학적 거동 특성

이규필,이성원,황재홍,Lee, Gyu-Phil,Lee, Seong-Won,Hwang, Jae-Hong 한국터널지하공간학회 2009 한국터널지하공간학회논문집 Vol.11 No.3

프리캐스트 세그먼트를 이용한 개착식 터널구조물의 설계 및 시공은 고성토 또는 광폭터널 조건에서는 시공성 및 구조적 안정성 등과 같은 단점 때문에 그 활용이 제한적이다. 따라서 시공성 및 품질관리 등 측면에서 유리한 프리캐스트 세그먼트를 이용한 개착식 터널구조물의 시공이 가장 효과적인 대안이라 할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 수치해석기법을 이용하여 기존 3분절 리브 보강형 프리캐스트 세그먼트를 이용한 터널구조물 시공기술의 문제점 분석하였으며, 대형 정적하 중재하 실험을 통하여 개선된 리브 보강형 프리캐스트 세그먼트 구조물의 역학적 거동 특성을 분석하였다. 개선된 러브 보강형 프리캐스트 세그먼트 구조물의 극한하중은 기존 리브 보강 프리캐스트 세그먼트 구조물 대비 리브 보강단면은 55% 감소하였으나, 구조적 성능은 약 3% 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 리브 보강에 의한 터널구조물 내공단면 축소를 최소화 및 구조물의 하중지지 효과를 크게 향상된 것으로 나타났다. Due to the limitation of construction efficiency and structural safety, the application of the high covering and wide width tunnels was limited prior to the introduction of precast rut and cover tunnels. Therefore, a cut and cover tunnel structure with rib reinforcement is proposed to mechanically improve the safety on condition of high covering and wide width tunnel. Therefore, a technical problem that can provide a response similar to the actual filling conditions is analyzed by the finite element analyses, moreover, the mechanical behaviour of developed rib-reinforced precast tunnel liner through a large-sized model test will be investigated. The ultimate load of the developed rib-reinforced precast tunnel liner shows a 3% reduction compared to existing rib-reinforced precast tunnel liner, especially, the section of rib-reinforcement decreased to 55% compared to it of existing. Therefore, the stability of tunnel structure can be significantly improved through the developed rib-reinforced precast segment.

반개착식 터널 공법에 관한 수치 해석적 연구

노병국,박종관,백승규,Roh, Byoung-Kuk,Park, Jong-Kwan,Baek, Seung-Kyu 한국터널지하공간학회 2013 한국터널지하공간학회논문집 Vol.15 No.2

최근 터널 갱구부와 저토피 구간에 대한 환경 친화적인 터널공법에 대한 관심이 증가하고 있다. 콘크리트 슬래브를 이용한 반개착식 터널공법을 적용한 연구 및 시공사례가 증가하고 있으나, 하중조합 및 아치콘크리트의 단면에 대한 별도의 적용 기준이 없다. 따라서 본 연구에서는 반개착식 공법에 대한 기준을 제시하기 위하여 지반조건과, 터널 상부 지층 두께, 되메움 두께, 상부지반 지표면의 경사 각도를 변화시키는 등의 다양한 조건들에 대하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과들을 회귀분석법으로 분석하고, 유도된 회귀 분석식을 분류하고 정리하여 합리적이고, 경제적이며, 안전한 반개착식 터널 굴착 공법의 기준을 제안하고자 하였다. Recently there has been increased interest for the portal and shallow tunnel for an eco-friendly tunneling method. Semi cut & cover tunnel excavation techniques applied to concrete slab and construction and a growing number of cases, but there is no load combinations and arch concrete cross section for the applicable standards. Therefore, in this study, ground conditions and tunnel overburden thickness, thickness of backfill, overburden surface slope angle changes to a variety of conditions in order to propose standards for the semi cut & cover method was performed numerical analysis. Regression analysis method to the analysis of the results of numerical analysis, and linear regression equations derived to classify and organize a rational, economical, and safe semi cut & cover tunneling method based proposed.

개착시 터널의 뒤채움재로 EPS블럭의 내진 성능 평가를 위 한 진동대 시험

김낙영,이용준,이승호,정형식 사단법인 한국터널지하공간학회 2002 한국터널지하공간학회논문집 Vol.4 No.4

최근 들어 전세계적으로 지진발생빈도가 높아지고 있고 개착식 터널과 같이 설치 심도가 낮고 개착한 부분 즉, 구조물 인접 주변을 뒤채움해야 하는 지중구조물의 경우 지진동에 의한 피해가 상당히 발생하는 것으로 보고 되고 있다. 우리나라의 경우도 1990년대 이후 꾸준히 지진발생빈도가 증가하는 경향을 나타내고 있지만 지중구조물에 대한 내진설계기준에 대한 연구가 부족한 편이다. 따라서, 본 연구에서는 지진동 발생시 개착식 터널 주변 뒤채움 및 상부 성토재료 특성에 따라 터널에 미치는 동적거동을 분석하기 위하여 토사와 경량재료인 EPS블럭을 적용, 각각의 대하여 뒤채움 경사별 및 성토고에 따른 진동대 시험을 수행하여 개착식 터널의 내진성능 효율성 분석하였다. 지진동에 의한 발생 변형율 및 터널에 발생되는 휨응력 분석결과 EPS블럭과 같은 경량재료를 혼용하는 것이 내진성능을 향상시키는데 효과적인 것으로 분석되었다. World widely, the occurrences of earthquakes have been increased recently. Speculating from cases of earthquakes in the world, it is reported that damages have been made underground structures like cut-and-cover tunnels, especially on the upper of tunnel with a shallow depth and the backfilled area adjacently by earthquakes. Earthquakes have a tendency to increase recently in Korea but it is deficient in seismic design criteria. In this study, Shaking table test on both soil and EPS blocks was performed to analyze the efficiency of the seismic performance of the cut-and-cover tunnels according to characteristic of backfill materials and embanking material. It turned out to be effective in improving the seismic performance according to analysis of strain and bending stress of tunnel by earthquakes.

개착식 터널 프리캐스트 아치 구조물의 변형거동 연구

김학준,이규필,임철원 사단법인 한국터널지하공간학회 2019 한국터널지하공간학회논문집 Vol.21 No.1

최근 개착식 터널공법으로 널리 사용되고 있는 프리캐스트 라이닝 아치 구조물에 대하여 현장 계측과 수치해석 결과를비교하여 3힌지 프리캐스트 아치 구조물의 거동을 분석하였다. 현장 계측결과, 천단부에서 가장 큰 연직변위가 측정되었으며 초기에는 상방향으로 변위가 발생하다가 뒤채움 흙이 천단부보다 높아지면서 하방향으로 변위가 발생하였다. 천단부는 최종적으로 원 위치로부터 상방향 19 mm에서 변위가 수렴하였다. 측벽부 최대 수평변위 지점에서의 수평변위는 아치상단까지 뒤채움시 터널 내측으로 발생하여 두 지점간의 수평거리가 줄어들다가, 상부 성토가 진행될수록 수평변위는 감소하여 원래 위치로 이동하였다. 프리캐스트 아치구조물에 대한 변위 분석결과, 지반-구조물의 상호작용을잘 관찰할 수 있었으며 따라서 기존의 강성구조물과 비교하여 경제적인 설계가 가능할 것으로 기대된다. Duncan 모델을사용한 유한요소 해석결과를 현장 변위 계측값과 변위 형상 등과 비교하면 유사한 결과를 나타내었다. 수치해석 결과에의한 측벽부의 수평토압계수는 터널 좌측부는 0.4, 우측부는 0.7에서 수렴하여, 편토압이 발생하는 현장상황 및 현장 변위 계측 결과와도 일치하였다 The behavior of the 3 hinged precast arch structure was investigated by comparing field measurements with numerical analyses performed for precast lining arch structures, which are widely used for the open-cut tunnel. According to the field measurements, the maximum vertical displacement occurred at the crown with upward displacements during the backfilling up to the crown of the arch and downward displacements at the backfill height above the crown. The final crown displacement was 19 mm upward from the original position. The horizontal displacement at the sidewall, which had a maximum horizontal displacement, occurred inward of the arch when compacting the backfill up to the crown and returned to the original position after completing the backfill construction. According to the analysis of displacement measurements, economical design is expected to be possible for precast arch structures compared to rigid concrete structures due to ground-structure interactions. Duncan model gave good results for the estimation of displacements and deformed shape of the tunnel according to the numerical analyses comparing with field measurements. The earth pressure coefficients calculated from the numerical analyses were 0.4 and 0.7 for the left and the right side of the tunnel respectively, which are agreed well with the eccentric load acting on the tunnel due to topographical condition and actual field measurements.