외부 하중에 따른 세그먼트 라이닝 변형과 보강용 내부 강재 라이닝의 거동 특성

이경주,송기일 사단법인 한국터널지하공간학회 2024 한국터널지하공간학회논문집 Vol.26 No.3

쉴드TBM 터널에서 단면 부족이나 큰 변형이 세그먼트 라이닝의 안정성에 우려될 경우 터널 외부에 지반 그라우팅으로 보강하거나 터널 내부에 강판 보강, 링 빔 보강, Inner double layer lining으로 보강하는 경우가 있다. 또한, 기존의 쉴드 TBM 터널의 해석은 세그먼트라이닝의 분절 특성을 고려하지 않는 연속체의 강성일체법으로 해석되어왔다. 본 연구는 내부 강재 라이닝으로 보강한 double layer 보강 단면에 대해 보강 메커니즘을 연구하였다. 본 연구는 세그먼트 라이닝에 대한 모델링을 개선하여 세그먼트 라이닝의 분절 특성을 고려한 분절체 모델링(BJM)을 적용하였고 이를 통해 세그먼트 라이닝의 변형 특성을 반영한 double layer 보강 단면을 해석하였다. 연구 결과 기존 콘크리트 세그먼트 라이닝은 하중을 일정부분 분담하는 역할이 아닌 터널 주변 지반을 보강한 것과 같은 역할을 하였다. 일반적으로, 세그먼트 라이닝의 분절을 고려한 BJM 모델과 분절을 고려하지 않는 강성일체법 모두 하중을 받은 라이닝의 변형 형상과 응력 분포가 유사하게 나타났다. 그러나 하중의 강도가 임계치를 넘는 경우 변형의 양상에 차이가 있으며 변형 특성을 보다 면밀히 검토할 수 있는 것으로 나타났다. If there are concerns about the stability of segment lining due to section deficiency or large deformation in shield TBM tunnel, reinforcement can be done through ground grouting outside the tunnel or by using steel plate reinforcement, ring beam reinforcement, or inner double layer lining inside the tunnel. Traditional analyses of shield TBM tunnels have been conducted using a continuum method that does not consider the segmented nature of segment lining. This study investigates the reinforcement mechanism for double layer reinforced sections with internal steel linings. By improving the modeling of segment lining, this study applies Break-joint mode (BJM), which considers the segmented characteristics of segment lining, to analyze the deformation characteristics of double layer reinforced sections. The results indicate that the existing concrete segment lining functioned similarly to ground reinforcement around the tunnel, rather than distribution the load. In general, both the BJM model considering the segmentation of segment lining and the continuum rigid method were similar deformation shapes and stress distributions of the lining under load. However, in termsof deformation, when the load strength exceeded the threshold, the deformation patterns of the two models differed.

쉴드터널 세그먼트 라이닝의 최신 기술동향과 핵심 설계항목의 통계 분석

장수호(Soo-Ho Chang),이규필(Gyu-Phil Lee),최순욱(Soon-Wook Choi),배규진(Gyu-Jin Bae) 한국암반공학회 2011 터널과지하공간 Vol.21 No.6

세그먼트 라이닝은 쉴드터널에서 공사 중의 안정성을 확보하고 영구적인 터널 라이닝으로 사용되는 중요한 구조체이다. 더욱이 세그먼트 라이닝은 쉴드터널의 공사비에서 가장 큰 비중을 차지하기 때문에, 세그먼트의 경제성 향상을 위한 기술적인 개선 노력들이 이루어지고 있다. 따라서 본 연구에서는 경제적인 세그먼트 라이닝의 시공을 위한 고성능 세그먼트의 최신 개발 동향을 조사 및 분석하여 세그먼트의 기술개발 방향을 제시하고자 하였다. 또한 설계단계에서 세그먼트의 주요 설계사항들을 개략적으로 추정하는데 활용하기 위하여, 전 세계 2,100여개 세그먼트 자료들을 조사하고 이를 기반으로 세그먼트 라이닝 외경, 세그먼트 주요 형상치수 및 세그먼트 재질들에 대한 통계분석을 실시하였다. Segment lining is a key permanent lining structure to maintain the shield tunnel stability in shield tunnel operation. Moreover, segment lining generally accounts for the largest proportion in the shield tunnel construction costs. As a result, technical improvements to increase its economic feasibility have been actively carried out. This study aims to propose the development directions of high-performance segments from their recent cutting technologies. In addition, based on over 2,100 world-widely collected segment design data, a series of statistical analyses of segment key design parameters such as thickness, width and the number of divisions as well as segment materials were carried out to approximately estimate them in a design stage.

이음부 강성계수가 세그먼트 설계에 미치는 영향

최우용,박종덕,이석원,Choi, Woo-Yong,Park, Jong-Deok,Lee, Seok-Won 한국터널지하공간학회 2014 한국터널지하공간학회논문집 Vol.16 No.1

쉴드 TBM 터널의 라이닝은 세그먼트로 구성되므로, 각각의 세그먼트가 서로 연결되면서 세그먼트 이음부를 발생시킨다. 세그먼트 이음부는 쉴드 TBM 설계에 있어 강성계수로 적용되어지는데, 세그먼트 이음부 강성계수는 그 결정 방법에 따라 결과 값이 현저한 차이를 보인다. 따라서 서로 다른 강성계수를 설계에 적용하였을 경우 그 결과가 어떻게 다른지에 대한 검토가 필요하다. 본 연구에서는 세그먼트 이음부 강성계수를 이론식을 통해 결정한 후 일정한 범위를 선정하였다. 그 범위 내에서 강성계수를 변화해가며 터널 단면 수치해석을 실시하여 세그먼트 라이닝 부재력을 도출하였고, 이에 강도설계법을 적용하여 세그먼트 라이닝 안정성 검토를 실시하였다. 그 결과 세그먼트 이음부 강성계수는 세그먼트 라이닝 설계에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. The lining of shield TBM tunnel is composed of segments, therefore segment joints are induced by connecting each segment. Segment joint is considered as joint stiffness in the design of TBM tunnel. Depending on the choice among the different stiffness equations, the joint stiffness values determined can be varied largely. Therefore, the influence of joint stiffness value on the design of segment lining should be verified. In this study, the joint stiffness values were determined firstly by using various equations and total change boundary was justified. Within the change boundary determined, the member forces were calculated by changing the joint stiffness through the numerical analysis and consequently the stability of segment lining was investigated by applying nominal strength. The results showed that the segment joint stiffness did not affect the design of segment lining largely.

쉴드터널의 사다리꼴 세그먼트라이닝 배열방법 개선에 대한 연구

김정현,강경진,Kim, Jung-Hyun,Kang, Kyung-Jin 한국터널지하공간학회 2007 한국터널지하공간학회논문집 Vol.9 No.1

본 연구는 쉴드터널 공사시 사용되는 사다리꼴 세그먼트라이닝의 배열방법에 관한 것이다. 사다리꼴 세그먼트라이닝은 공장에서 기제작된 Taper를 가진 콘크리트 세그먼트를 터널내에 반입과 동시에 조립하므로써 형성되는데, 이렇게 형성된 사다리꼴 세그먼트라이닝은 회전조립시 Taper량의 계산에 의하여 단 한가지 타입으로 다양한 터널노선에 맞는 배열을 가능하게 하므로 세그먼트에 의한 터널시공시 가장 효율적인 공법이라 할 수 있다. 본 연구는 사다리꼴 세그먼트라이닝의 설계제원 및 터널 노선의 선형(직선 혹은 곡선)의 조건을 분석하여 터널선형에 맞는 배열방법을 고안하고 실제 터널내에서 작업자가 활용할 수 있는 컴퓨터 프로그램을 제작하여 자동으로 배열순서를 결정하는 원리에 대하여 설명하고자 한다.또한,가변하는 실제 터널내에서 작업자가 세그먼트라이닝의 배치상태를 측정한 값이 컴퓨터 프로그램에서 계산된 결과와 상이할 때 작업자는 측정한 데이터를 컴퓨터 프로그램에 입력하여 프로그램의 계산상태를 실제 세그먼트 조립상태로 일치시킨 후, 다음 세그먼트라이닝의 배열자료로 사용하여 연속된 작업이 되도록 하는 방법을 제공하는 것이 본 연구의 기술적 요지이다. This study is about an arrangement method of trapezoidal pre-cast segment lining that can be applied in shield tunnel construction. Trapezoidal segment lining is formed by assembling tapered pre-cast concrete segments taking advantage of the tapered shape of pre-cast segments upon delivery on site. By calculating tapering of the segments manufactured in single type and rotating the segments when putting them together, a variety of tunnel alignments can be arranged in the most efficient way. Once the design criteria and tunnel alignment (straight or curved) is analyzed, the sequence of assembling trapezoidal segments in compliance with tunnel alignment will be computed. On site an operator can utilize the softwareto automatically determine sequential arrangement of trapezoidal segments. When the actual arrangement of segmental lining is different from the computed output, the operator can input the actually measured values to coincide the computerized calculation with the real status of assembly. Then the adjustment will be the basis of subsequent arrangement of segments, thus the continuity of work can be guaranteed.

복층터널에서 중간슬래브와 측압계수에 따른 세그먼트 라이닝의 거동분석

이호성(Ho Seong Lee),문현구(Hyun Koo Moon) 한국암반공학회 2016 터널과지하공간 Vol.26 No.3

대심도 지하 네트워크 구축을 위한 대심도 복층터널의 계획 시 세그먼트 라이닝의 거동을 주요 구조물인 중간슬래브와 측압계수(K)에 따라 검토하였다. 연구를 위하여 세그먼트 라이닝 해석법을 검토하였고, 대심도 복층터널에 적합한 해석 모델을 결정하였다. 또한 연직하중에 대해 검토하였고, 중간슬래브 하중은 슬래브 자중인 정하중과 차량에 의한 활하중을 고려하였다. 연구결과 중간슬래브 하중 적용에 따른 단면력은 터널 하부에 주로 발생하였고 휨모멘트의 크기에 가장 큰 영향을 미쳤다. 또한 휨모멘트 작용 방향의 변화가 큰 변수로 나타났고, 중간슬래브 하중 적용에 따른 단면력의 크기는 비교적 일정하여, 단면력의 발생이 가장 작은 측압계수 1.00에서 세그먼트 라이닝에 미치는 영향이 제일 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 본 연구의 결과로 복층터널의 슬라브와 측압계수(K)의 영향에 의한 세그먼트 라이닝의 거동을 파악하여 합리적이고 경제적인 복층터널 구조물 설계의 방향을 제시할 수 있을 것이다. We analyzed the behavior of the lining segments considering the middle slab and lateral pressure coefficients when planning the construction of a duplex tunnel for the underground network. Reviewed segment lining analysis for research, the analytical model was determined for duplex tunnel. Also reviewed the vertical load, and a load of middle slab is considered the static load and the live load by vehicles. Section force by middle slabs a load applied was mainly generated in the lower tunnel had the greatest effect on the bending moment. In addition, the bending moment acting direction changes appeared with a large variable, and the section force according to the load applied to the middle slab is relatively constant and the effect on the segment lining from the smallest section force of the lateral pressure coefficient of 1.00 was found to occur appears most significantly. As a result of this research to identify the behavior of the slab and the segment lining by the effect of the lateral pressure coefficient(K) of the duplex tunnel will be able to present a method of the duplex tunnel structure is reasonable and economical design.

계측 데이터 역해석을 통한 쉴드 TBM 터널 세그먼트의 작용하중 평가

이규필,장수호,배규진,최순욱,안창윤 사단법인 한국터널지하공간학회 2017 한국터널지하공간학회논문집 Vol.19 No.6

To design segment lining, loads such as self weight, vertical load, horizontal load, ground reaction, water pressure, backfill grouting pressure et al. have to be considered. Earth pressure and water pressure are the major factor to design segment lining such as concrete strength, segment thickness and amount of rebar et al. To analysis earth pressure and water pressure acting on segment lining, filed monitoring and back analysis are performed in this study. 세그먼트 라이닝 설계시 고려하는 하중은 자중, 연직하중, 수평하중, 지반반력, 수압, 뒤채움 주입압, 부력 등이 있으며, 이 가운데 토압과 수압은 세그먼트 라이닝 설계시 콘크리트 강도, 세그먼트 라이닝의 두께 및 철근량 등을 결정하는데 가장 큰 영향을 미치는주요 인자이다. 따라서 본 연구에서는 쉴드터널 시공단계별 계측결과를 토대로 세그먼트 라이닝에 발생하는 휨모멘트 계산하였으며, 이를 역해석 결과와 비교분석을 통하여 세그먼트 라이닝에 작용하는 토압 등을 분석하였다.

쉴드 터널 세그먼트 라이닝 설계에서 빔-스프링 구조 모델이 단면력에 미치는 영향

김홍문,김현수,심경미,안성율,Kim, Hong-moon,Kim, Hyun-su,Shim, Kyung-mi,Ahn, Sung-youll 한국터널지하공간학회 2017 한국터널지하공간학회논문집 Vol.19 No.2

쉴드터널의 세그먼트 라이닝 단면 설계는 일반적으로 빔-스프링 모델을 사용하여 이루어지며, 산정되는 단면력은 모델구성요소인 작용하중, 지반반력계수, 세그먼트 조인트 위치 및 강성 등의 영향을 받는다. 국내 쉴드터널 세그먼트라이닝의 설계는 해외에서 사용되고 있는 구조해석 모델과 이음부 강성을 주로 이용하고 있으며, 기존 설계에서 사용하고 있는 구조해석 모델이나 조인트 강성을 적합여부 검토 없이 관행적으로 사용해오고 있다. 본 연구에서는 쉴드터널 세그먼트 라이닝의 부재력을 산정하기 위해 필요한 지반반력계수, 모델링 방법 등 빔-스프링 모델의 기본 구성요소들에 대한 비교 검토를 통하여 세그먼트 라이닝 설계법을 구성하는 기본 요소들의 적용방법을 제안하였다. The segment lining design for shield tunnel is generally carried out by using the beam-spring model and the induced member forces from the model are strongly influenced by the components of the model such as imposed load, coefficient of subgrade reaction, location of segment joint and its stiffness. The structural models and stiffness of its connection part found used in abroad design cases is usually obtained as it is for the domestic design of segment of shield tunnel. Those models and stiffness in existing design cases are conventionally applied to a new tunnel design without any suitability review for the project. In this study, the application method of base components of the model such as the coefficient of subgrade reaction and modelling method to the segment lining design was suggested by carrying out the comparative study of the base elements for the member forces estimation of segment lining of shield tunnel.

쉴드 터널 세그먼트 라이닝의 부재력 산정법 비교연구

유충식,전훈민,Yoo, Chung-Sik,Jeon, Hun-Min 한국터널지하공간학회 2012 한국터널지하공간학회논문집 Vol.14 No.3

본 논문에서는 쉴드 터널 세그먼트 라이닝의 부재력을 산정하는 방법에 대한 비교연구를 다루었다. 현재 쉴드 터널 라이닝의 부재력 산정에는 이론해에 근거한 산정식을 적용하고 있다. 쉴드 터널 시공 시 사용되는 콘크리트 세그먼트는 동일한 강성으로 이루어진 구조물이 아닌 이음부를 가지는 구조물이므로 모든 요소를 고려하여야 하나 현재의 설계 실무에서는 세그먼트라이닝의 구조해석 모델이나 설계하중 및 세그먼트 이음부의 영향 등에 대한 정확한 검증 없이 과거의 국내외의 설계 자료를 관행적으로 적용해왔다. 따라서 본 연구에서는 국내외에서 현재 사용하고 있는 쉴드 터널 세그먼트 해석 및 설계 모델 중 관용계산방법과 Duddeck & Erdmann 모델을 이론식으로 해석을 수행하여 비교 하였고 수치해석에 의한 설계모델 중 보-스프링 모델과 연속체모델의 해석을 수행하여 상호 비교를 통해 세그먼트 라이닝의 설계에 적합한 구조모델을 검토하였다. The segment lining which consists of segments and joints are main component of shield tunnel. There are a number of methods that are being used in design which compute the sectional forces of a ring of segment lining. The traditional design methods which do not consider the effect of joints have been commonly used for design procedure without a specific verification of structural analysis. This paper presents the result of a comparative study for analytical and numerical models of the shield tunnel segment lining. For the traditional methods, the elastic equation method and the Duddeck & Erdmann method were considered. The ring-beam and the continuum analysis model were also considered as the numerical model.

프리캐스트 세그먼트 라이닝과 현장 타설 콘크리트 라이닝의 내구성 비교

이규필 한국지반환경공학회 2023 한국지반환경공학회논문집 Vol.24 No.12

터널 콘크리트 라이닝은 현장 타설을 통한 시공법이 가장 일반적이나 현장 타설 콘크리트 라이닝은 시공성 및 품질관리의 문제점을 갖고 있으며, 이러한 문제점을 해결하기 위한 프리캐스트 세그먼트 라이닝이 활용되고 있다. 일반적으로 프리캐스트 세그먼트 라이닝은 향상된 내구성 및 이로 인하여 보수·보강 등 유지관리가 용이한 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 프리캐스트 세그먼트 또는 현장타설 철근콘크리트로 시공된 22개소 터널 라이닝의 내구성을 비교·분석하였다. Cast-in-place concrete lining is commonly used in tunnel lining, but cast-in-place concrete lining has problems with construction and quality control. Precast segment lining is being used to solve these problems. In general, precast segment lining is known to have improved durability and easy maintenance such as rehabilitation of structures. This study compared the durability of 22 tunnel linings constructed with precast segments or cast-in-place reinforced concrete.

수치해석을 이용한 세그먼트라이닝의 수리거동과 누수제어 연구

신종호,신용석,박동인,채성은,최규훈,Shin, Jong-Ho,Shin, Yong-Suk,Pam, Dong-In,Chae, Sung-Elm,Choi, Kyu-Hoon 한국터널지하공간학회 2009 한국터널지하공간학회논문집 Vol.11 No.2

쉴드 터널의 세그먼트라이닝은 일반적으로 배수시스템을 채용한 재래식 터널과 달리, 비배수 방식을 채택하여 건설된다. 하지만 비배수 터널로 건설된 경우 시간의 경과에 따른 열화의 진행으로 누수가 증가하여, 장기적으로는 설계시 적용된 비배수 개념이 유지되지 않는다. 세그먼트 터널에서 이음부는 변위와 누수가 주로 빌생되는 부분으로, 특히 누수는 이음부를 통하여 일어나는 경우가 대부분이다 이에 본 논문에서는 전력구 터널을 모델로 선정하여 라이닝 이음부의 열화로 인한 누수가 터널의 세그만트 라이닝에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 라이닝 전반열화 조건과 이음부의 전반 열화 및 국부 열화 조건으로 설정하여 수치해석을 수행하였으며, 라이닝 이음부의 열화로 인한 누수가 기준량 초과 시 그라우트 주입구를 이용하여 재주입시 누수제어가 가능한지 여부를 수치해석을 통하여 조사하였다. 해석결과 세그먼트 라이닝 및 이음부의 누수로 인한 터널과 지반 간 수리 상호작용 메커니즘을 알 수 있었으며, 시공 중 라이닝 투수성 품질관리, 운영 중 누수관라의 기준을 설정하는데 활용할 수 있음을 확인하였다. It has been repeatedly reported that a drainage system of a drained tunnel is deteriorated. And consequently the water pressure on the lining increases with time. However, little research on the watertight tunnel was found in the literatures. According to field measurements, leakage of the undrained tunnel has increased with time, which is completely opposite to the behavior of the drained tunnel. It is evident that the hydraulic deterioration of the tunnel lining changes the water pressure on the lining and the amount of leakage, thus the design coneept in terms of groundwater is not maintained tightly throughout the life time of the tunnel. The Segment lining is generally constructed as watertight. However, it is frequently reported that the leakage in the segment tunnel increases with time. It is also reported that the leakage is generally concentrated at the joints of the segments. In this study structural and hydraulic interaetion of the segment lining due to the hydraulic deterioration of the segments and the joints is investigated using the numerical modeling method. An electric utility tunnel below groundwater table is considered for the analyses. The effects of hydraulic deterioration of the segment lining are identified in terms of ground loading, water pressure and lining behavior. A remedial grouting measure for leakage is also numerically simulated, and its appropriateness is evaluated.