수평하중을 받는 단일 말뚝 하부 터널굴착 시 말뚝-터널 수평이격거리에 따른 말뚝 및 인접 지반 거동

안호연,오동욱,이용주,Ahn, Ho-Yeon,Oh, Dong-Wook,Lee, Yong-Joo 한국터널지하공간학회 2017 한국터널지하공간학회논문집 Vol.19 No.5

최근, 도심지에 초고층 아파트, 롯데월드타워와 같은 초고층빌딩의 수가 증가하면서 말뚝기초에 작용하는 풍하중, 지진하중, 토압 등 수평하중의 중요성이 높아지고 있다. 또한 도심지의 지상공간이 포화되면서 발생하는 다양한 문제를 해결하기 위하여 지하공간 개발은 유용한 해결책으로 언급되고 있다. 따라서 도심지 지하공간 개발에서 터널굴착에 대한 수직하중과 수평하중을 받는 말뚝의 거동, 지하공간의 개발을 모사하는 터널굴착과 관련된 연구는 많은 연구자들에 의해 수행되고 있다. 하지만, 수직하중과 수평하중을 받는 말뚝과 터널굴착으로 야기되는 상호거동에 관한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 따라서, 본 연구에서는 도심지의 상황을 반영하여 수직하중과 수평하중을 받는 기존 구조물 하부에 터널을 굴착함으로써 야기되는 말뚝의 거동을 실내모형시험, 근거리사진계측 및 수치해석을 통해 비교 및 분석하였다. 말뚝과 터널의 수평이격거리(0.0D, 1.0D, 2.0D: D = 터널직경)와 허용수평하중의 크기($0.34P_{ah}$, $0.67P_{ah}$, $P_{ah}$)에 따라 총 9 CASES로 분류하여 터널굴착에 따른 말뚝의 축력과 거동을 관찰하였다. 그 결과 말뚝과 터널의 수평이격거리가 가까울수록 말뚝은 터널 굴착의 영향을 크게 받는 것을 알 수 있었고 수평이격거리가 멀어질수록 터널굴착의 영향보다는 허용수평하중의 영향을 더 크게 받는 것을 알 수 있었다. 또한, 수평이격거리가 증가하고 허용수평하중의 크기가 증가할수록($P_{ah}$) 말뚝 축력의 변화양상이 크게 발생하는 것을 알 수 있었다. Recently, as the number of high-rise building and earthquake occurrence are increasing, it is more important to consider horizontal load such as wind and seismic loads, earth pressure, for the pile foundation. Also, development of underground space in urban areas is more demanded to meet various problem induced by growing population. Many studies on pile subjected to horizontal load have been conducted by many researchers. However, research regarding interactive behavior on pile subjected to horizontal load with tunnel are rare, so far. In this study, therefore, study on the behaviors of ground and horizontal and vertical loads applied to single pile was carried out using laboratory model test and numerical analysis. The pile axial force and ground deformation were investigated according to offset between pile and tunnel (0.0D, 1.0D, 2.0D: D = tunnel diameter). At the same time, close range photogrammetry was used to measure displacement of underground due to tunnelling during laboratory model test. The results from numerical analysis were compared to that from laboratory model test.

복층터널 분기구 확폭구간 굴착에 따른 안정성 영향

나유성,김윤희,이강일,김용성,김범주 사단법인 한국터널지하공간학회 2020 한국터널지하공간학회논문집 Vol.22 No.4

The divergence section of a double-deck tunnel can be divided into a ‘wideningpre-divergence section’, a large cross-section with a cap shape and a ‘post-divergencesection’ where the separation between the main and the branch tunnel is made. Sincethe cross-section of the widening pre-divergence section is considerably larger thanthat of the post-divergence section, the influence of excavation due to the differentsizes and shapes in the cross-section should be considered in the examination of thetunnel stability. In this study, the effect of the preceding excavation, that is theexcavation of the widening pre-divergence section, on excavation stability of thepost-divergence section was examined by varying the excavation methods and benchlengths through 3D finite element analysis. The results showed that although theeffects of the excavation methods and the bench lengths are not significant on thevariation of principal stresses, the preceding excavation causes a relatively largevariation on the stresses which may have an impact on the stability of thepost-divergence section from the comparison of Stress-Strength Ratio (SSR) betweenthe cases with and without the consideration of the preceding excavation effect by 2Dfinite element analysis. 복층터널의 분기구간은 터널 형상이 모자 모양의 대단면 구간인 ‘분기 전 확폭구간’과 본선과 분기터널 간 이격이 생기는 ‘분기 후 구간’으로 나눌 수 있으며, 분기 전 확폭구간의 터널 단면이 분기 후 구간의 단면에 비해 매우 크기 때문에 이러한 차이에 따른 굴착 영향이 분기구의 전체적인 굴착 안정성 검토 시 고려되어야 한다. 본 연구에서는 암반에서 시공되는 NATM 방식의 2차로 대심도(40 m) 본선 복층터널에서 1차로 단층터널로 분기가 되는 조건을 대상으로 3차원 유한요소해석을 통해 분기 전 확폭구간 굴착(선행굴착) 시 굴착공법과 벤치길이 변화에 따라 선행굴착이 분기 후 구간의 굴착 안정성에 미치는 영향을 검토하였다. 그 결과, 굴착공법과 벤치길이 변화에 따른 차이는 상대적으로 작은 편이었으나,2차원 수치해석에 의한 선행굴착을 고려하지 않은 경우와 강도응력비 비교를 통해 선행굴착이 분기 후 구간의 굴착 안정성에 영향을 미칠 정도로 큰 응력의 변화를 유발함을 확인하였다.

죽령터널에서의 TBM 굴착속도 및 커터수명 평가연구

박철환(Chul-Whan Park),신중호(Joong-Ho Synn),박연준(Yeon-Jun Park),전석원(Seok-Won Jeon),안형준(Hyung-Jun An) 한국암반공학회 2005 터널과지하공간 Vol.15 No.5

중앙고속도로의 죽령터널에서 상하행선 두개의 터널은 발파에 의한 굴착에 앞서 전단면터널 굴착장비로 선행 굴착되었다. 두 대의 TBM 시공은 약 1년간 수행되었으며 총 연장은 7.3 ㎞이다. 상하행선에서 순굴착속도는 각각 2.3 m/h 및 2.0 m/h 으로 분석되었으며, 가동률은 각각 31.4% 및 33.3%로 분석되었다. 하행선에서 커터의 부피수명은 200~280 ㎥/c이고, 길이수명은 약 400 m/set로 평가되었는데 이는 노르웨이의 메로케르 수로터널현장에서 얻어진 크기와 유사하다. 지보설계 및 TSP 측정을 통하여 얻어진 현지 암반특성에서 경암일수록 순굴착속도가 작아지는데 이는 과거의 여러 연구에서 분석된 경향과 같다. 이러한 평가연구는 TBM 굴착의 계획과 시공단계에서 원활한 굴착작업을 수행하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다. Jook-Ryung roadway tunnel was constructed by drill-blast after pilot tunnelling by 2 TBMs. This report analyzes the data for TBM performance in the total length of 7.3 ㎞ for the two pilot tunnels. Net penetration rates were recorded as high as 2.3 m/h and 2.0 m/h for the two different directions while degrees of operation were 31.4% and 33.3%, respectively. The cutter lives for No.2 tunnel were evaluated 200~280 ㎥/c and around 400 m/set as high as for Mer ker 10 ㎞ tunnel in Norway. The relationship between net penetration rate and characteristics of rock mass which were obtained by RMR and TSP measurement, coincides with the prior studies. This kind of evaluation is expected to be used to design TBM tunnelling and to help to perform the TBM operation effectively

말뚝의 횡방향 이격거리를 고려한 터널굴착이 인접 단독말뚝 및 군말뚝에 미치는 영향에 대한 연구

전영진,김성희,이철주,Jeon, Young-Jin,Kim, Sung-Hee,Lee, Cheol-Ju 한국터널지하공간학회 2015 한국터널지하공간학회논문집 Vol.17 No.6

본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 실시하여 말뚝에 인접한 터널시공으로 인한 말뚝의 거동을 터널로부터 말뚝선단의 횡방향 이격거리를 고려하여 분석하였다. 단독말뚝 및 간격 2.5d인 $5{\times}5$ 군말뚝을 고려하였다. 여기서 d는 말뚝의 직경을 의미한다. 수치해석에서는 순수하게 터널굴착(tunnelling-induced) 으로 인해 유발된 말뚝침하, 전단응력, 상대변위, 축력분포, 겉보기안전율 및 터널굴착 영향권을 고찰하였다. 말뚝이 터널굴착으로 인한 지반침하 영향권 내부에 존재할 경우 말뚝두부의 침하는 Greenfield 조건의 지표면 침하보다 최대 대략 111% 크게 산정되었고, 군말뚝의 경우 단독말뚝과 비교하여 말뚝침하가 크고 축력이 작게 나타났는데 이는 군말뚝내의 말뚝이 인접지반과 함께 블록(block)의 형태로 거동하는 것으로 분석되었다. 또한 말뚝의 상부에서는 상향의 마찰 저항력이 발생하고 말뚝의 하부에서는 하향의 마찰 저항력이 발생하여 순수하게 터널굴착(tunnelling-induced)으로 인해 말뚝에는 인장력을 발생시켰다. 한편 말뚝이 영향권 외부에 존재할 경우 말뚝에는 tunnelling-induced 압축력이 발생하였다. 수치해석을 통해 분석된 하중-침하 관계로부터 말뚝의 겉보기안전율을 계산한 결과 터널굴착 이전에 비해 대략 45% 감소된 것으로 나타났다. 따라서 이는 말뚝의 사용성에 심각한 문제를 유발시킬 수 있는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 지반침하 영향권에 따른 단독말뚝 및 군말뚝의 거동을 심도 있게 고찰하였다. In the present work, a number of three-dimensional (3D) parametric numerical analyses have been carried out to study the influence of tunnelling on the behaviour of adjacent piles considering the transverse distance of the pile tip from the tunnel. Single piles and $5{\times}5$ piles inside a group with a spacing of 2.5d were considered, where d is the pile diameter. In the numerical modelling, several key issues, such as the tunnelling-induced pile settlements, the interface shear stresses, the relative shear displacements, the axial pile forces, the apparent factors of safety and zone of influence have been rigorously analysed. It has been found that when the piles are inside the influence zone, the pile head settlements are increased up to about 111% compared to those computed from the Greenfield condition. Larger pile settlements and smaller axial pile forces are induced on the piles inside the pile groups than those computed from the single piles since the piles responded as a block with the surrounding ground. Also tensile pile forces are induced associated with the upward resisting skin friction at the upper part of pile and the downward acting skin friction at the lower part of pile. On the contrary, when the piles were outside the influence zone, tunnelling-induced compressive pile forces developed. Based on computed load and displacement relation of the pile, the apparent factor of safety of the piles was reduced up to about 45%. Therefore the serviceability of the piles may be substantially reduced. The pile behaviour, when considering the single piles and the pile groups with regards to the influence zone, has been analysed by considering the key features in great details.

터널 정거장 형상에 따른 군말뚝 하부 굴착 시 지반거동 연구

공석민,오동욱,이종현,이용주,Kong, Suk-Min,Oh, Dong-Wook,Lee, Jong-Hyen,Lee, Yong-Joo 한국터널지하공간학회 2018 한국터널지하공간학회논문집 Vol.20 No.1

Tunnels are widely used for special purposes including roads, railways and culvert for power transmission, etc. Its cross-section shape is determined by uses, ground condition, environmental or economic factor. Many papers with respect to behaviours of adjacent ground and existing structure tunnelling-induced have been published by many researchers, but tunnel cross-section have rarely been considered. A collapse of tunnel causes vaster human and property damage than structures on the ground. Thus, it is very important to understand and analyse the relationship between behavoiurs of ground and cross-section type of tunnel. In this study, the behaviour of ground due to tunnel excavation for underground station below the grouped pile supported existing structure was analysed through laboratory model test using a trap-door device. Not only two cross-section types, 2-arch and box, as station for tunnel, but also, offset between tunnel and grouped pile centre (0.1B, 0.25B, 0.4B) are considered as variable of this study. In order to measure underground deformation tunnelling-induced, Close Range Photogrammetry technique was applied with laboratory model test, and results are compared to numerical analysis. 터널은 도로, 철도, 지하철과 같은 교통의 통로이자 수로, 전력구, 비축기지와 같은 특수목적을 위해 널리 활용되고 있으며, 터널의 사용 목적, 주변 지반조건 및 경제성에 따라 다양한 터널 형상으로 시공되고 있다. 이에 대해 기존 터널과 주변지반 및 구조물에 관한 연구는 꾸준하게 발표되었으나 단일 형상에 대해 터널굴착 시 주변 지반과 구조물의 거동을 분석한 연구들이 대다수이다. 터널의 붕괴사고는 지상 구조물의 붕괴사고 보다 막대한 인적, 물적 손실을 가져오기 때문에 터널 굴착 및 주변지반의 거동을 관측하고 분석하는 작업은 매우 중요하며, 단일 형상이 아닌 다양한 터널 형상에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구는 trapdoor장치를 이용한 실내 모형시험을 통해 군말뚝 하부에 터널 정거장 굴착 시 주변지반의 거동을 측정하였다. 이때 터널 정거장 형상의 단면을 arch와 box 형태로 제작하였으며, 각 터널 정거장 형상 별 0.1B, 0.25B, 0.4B로 터널과 군말뚝 간 이격거리를 다르게 하여 다양한 조건에서의 지반거동을 분석하였다. 또한, 근거리 사진계측 및 이미지프로세싱 기법을 통해 지반의 거동을 관측하였으며, 유한요소 수치해석을 통해 실내 모형시험, 근거리 사진계측의 결과와 비교 분석하였다.

절리암반에서 2-Arch 터널의 필라하중과 지반변위

이상덕,Lee, Sang-Duk 한국터널지하공간학회 2007 한국터널지하공간학회논문집 Vol.9 No.1

절리가 존재하는 암반에서 2-Arch 터널을 굴착할 때 절리방향과 굴착단계에 따른 필라하중의 변화를 실험적으로 연구하였다. 이를 위해, 대형 모형 실험기(폭 3.3m, 높이 3.0m, 길이 0.45m)에 1/10 크기의 2-Arch 모형터널을 갖는 다양한 각도의 절리를 포함한 지반을 조성하고, 실제 시공과정을 따라 굴착하면서 터널굴착으로 인한 터널 주변지반의 변형을 측정하고, 굴착단계에 따라 필라에 작용하는 하중을 측정하였다. 계측된 데이터로부터 2-Arch 터널의 굴착에 따른 거동을 분석한 결과 절리의 각도에 따라 굴착단계별로 터널 주변지반의 변형 및 필라에 작용하는 하중이 크게 영향을 받는 것을 확인하였다. Loads on the pillar and ground deformation in 2-arch tunnel, which is excavated in the rock mass with regular discontinuities, depending on the dips of discontinuities and the construction sequences were experimentally studied. Large scale model tests in the biaxial test facility were performed. Tested model (width 3.3m, height 3.0m, and length 0.45m) for 2-arch tunnel in 1/10 scale were built with various dips. Test results show that discontinuities have greate affects on the behavior of the 2-arch tunnel, especially on the pillar loads and ground deformation.

기계굴착에서 굴착속도의 발전경향분석

박철환(Chulwhan Park),박찬(Chan Park),천대성(Dae-Sung Cheon),신중호(Joong-Ho Synn) 한국암반공학회 2007 터널과지하공간 Vol.17 No.3

노르웨이는 계곡이나 피요르드와 같은 굴곡이 심한 지형 때문에 터널이 많이 건설되었으며, 그 가운데 지난 30년 동안 59개의 터널이 전단면 기계굴착으로 완성되었다. 이러한 기계굴착 경험을 통하여 예측기법이 개발되고 발전되었으며 마침내 국립공과대학인 NTNU에서 예측법이 체계화되었다. 본 보고는 TBM 굴착자료가 알려진 14개의 노르웨이 터널과 4개의 국내의 터널에서 순굴착속도와 굴진속도를 분석하여, 이들의 발전경향을 연구한 것이다. 이 기간동안 노르웨이에서는 디스크 커터의 직경을 증대시키고 배열을 최적화하여 순굴착속도와 굴진속도를 두배 정도로 증진시켰다. 국내에서도 1980년부터 1990대까지 15년 동안 TBM의 굴진속도는 노르웨이에 비하여 작은 크기이지만 뚜렷이 증가하는 경향을 보였다. 이러한 작은 속도는 암반의 특성에도 기인하지만 17 인치보다 작은 직경의 디스크 커터를 사용한데 크게 기인된 것으로 판단된다. 향후 국내의 전단면 기계굴착에서 장비와 기술의 개선을 이루고, 특히 17 또는 19 인치의 디스크 커터를 사용한다면 순굴착속도와 굴진속도를 향상시킬 수 있을 것으로 예측된다. Because of Norwegian topography as valleys and fjords, a large number of tunnels has been built and 59 of them have been excavated by TBM for last 30 years. Prognosis technology has been developed and improved through lots of TBM experiences, and the NTNU prediction model has been completed. This paper focuses the improvement of net penetration rate and advance rate in 14 Norwegian and 4 Koran TBM tunnelling sites of which data were reported. Through this period, net penetration rate as well as advance rate were increased to double with the improvement of disc cutter size and cutter arrangement in Norway. These rates in Korea were also increased for 15 years even though the rates were lower compared to Norwegian. It is estimated that these low rates were mainly caused by using disc cutters less than 17 inch diameter. It is expected that net penetration rate and advance rate can be increased by improvement of machine and tunnelling technology, especially by using 17 or 19 inch of the disc cutter size in the Korean full face mechanical tunnelling site.

터널굴착시 3차원 레이저스캐너에 의한 내공단면 측량에 관한 연구

김인섭(Kim In Seop),임수봉(Lim Soo Bong) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 D Vol.27 No.4D

NATM 터널 공사 시 굴착 과정에서 여굴과 미굴이 빈번히 발생된다. 여굴은 라이닝 콘크리트의 수량 증가를 발생시키고, 미굴은 추가 굴착 비용의 발생 등을 초래하여 공사비 증가의 주된 요인으로 작용하므로 이를 개선하기 위해서는 매 공정에 맞추어 주기적인 적기 측량을 통한 내공단면 관리가 필요하다. 그러나 공사중인 터널에서는 연속적인 굴착작업으로 인해 측량시간이 많이 소요되는 기존의 토탈스테이션에 의한 방법으로는 내공단면측량의 적기 수행에 어려움이 많은 실정이다. 본 연구에서는 기존의 토탈스테이션에 의한 내공 단면측량과 달리 신속한 적기측량이 가능한 레이저스캐닝 기법을 적용하였다. 3차원 레이저스캐너를 이용하여 터널 굴착면의 3차원 좌표를 높은 밀도로 신속히 관측하고 터널의 선형과 타입별 단면 치수를 중첩하여 각 단면에서의 굴착오차를 정밀 추출함으로써 후속발파를 위한 천공자료 제공, 터널의 중심선오차량 파악, 숏크리트 및 라이닝 콘크리트의 정확한 수량 산출 등에 적용할 수 있는 굴착면 관리기법을 제시하였다. Periodic and timely surveying of section profiles for each procedures in constructing tunnel is required for improper excavation brings excessive cost. Generally over excavation brings additional volume of lining concrete, and under excavation needs repetition of section profiling. However timely section profiling is often missed due to continuous excavation work in constructing tunnel in the use of total station which requires long time to survey. In this study laser tunnel scanning technic is adapted for timely surveying during construction to compare to existing surveying method using a total station. Tunnel profiling surveying with a laser scanning provides accurate three dimensional coordinates with high density in a short time and extracts excavation error in every section in tunnel inner surface, which helps to provide basic data for next explosion, positioning error of tunnel center and volume of shotcrete and lining concrete, etc.

한국의 대심도 암반 굴착 위험도 산정을 위한 인자 분석

임명혁(Myeong Hyeok Ihm),이하나(Hana Lee) 한국암반공학회 2021 터널과지하공간 Vol.31 No.4

한국의 대심도 (>40m 깊이) 터널 공사 시에 터널 붕괴 사고가 종종 일어나고 있으며, 도심지 지하공간의 얕은 심도에 인공적으로 조성된 지반에는 자연 공동뿐만 아니라 상수도관, 하수도관, 전력구 및 지하철 건설로 인한 인위적인 공동들이 복잡하게 분포되어 있다. 대심도 터널 굴착을 위해서는 이러한 다공질의 특성을 보이는 다양한 지반의 특성 및 지질구조가 지반의 안전에 미치는 영향을 이해하여야 한다. 본 연구는 국내외 사례를 바탕으로 한국의 대심도 굴착에서 암반의 위험 산정을 위한 위험 인자를 분석하였다. 연구결과, 대심도 터널 굴착시 지반의 안정성에 영향을 주는 총 7개의 카테고리들과 총 38개의 인자들이 도출되었다. 가중치가 상대적으로 높은 인자들은 단층 및 단층점토, 차응력, 암종, 지하수 및 머드 유입, 암석의 일축압축강도, 터널 단면의 크기, 터널 상부 암반의 두께, 카르스트 및 계곡지형, 습곡, 석회암의 협재, 지하수위 변동, 터널 심도, 암맥, RQD, 절리 특성, 이방성, 암반파열(rockburst) 등으로 나타났다. Tunnel collapse often occurs during deep underground tunneling (> 40 m depth) in South Korea. Natural cavities as well as water supply pipes, sewer pipes, electric power cables, artificial cavities created by subway construction are complexly distributed in the artificial ground in the shallow depths of the urban area. For deep tunnel excavation, it is necessary to understand the properties of the ground which is characterized by porous elements and various geological structures, and their influence on the stability of the ground. This study analyzed geological factors for risk assessment in deep excavation in South Korea based on domestic and overseas case study. As a result, a total of 7 categories and 38 factors were derived. Factors with high weights were fault and fault clay, differential stress, rock type, groundwater and mud inrush, uniaxial compressive strength, cross-sectional area of tunnel, overburden thickness, karst and valley terrain, fold, limestone alternation, fluctuation of groundwater table, tunnel depth, dyke, RQD, joint characteristics, anisotropy, rockburst and so forth.

소일시멘트 복토후 터널굴착에 대한 사례 연구

신일재(Il-Jae Shin),강준호(Jun-Ho Kang),서영호(Young-Ho Suh) 한국암반공학회 2005 터널과지하공간 Vol.15 No.5

NATM 터널을 굴착하기에 토피가 너무 낮은 경우에는 보통 개착터널공법이 적용된다. 그러나 토피가 매우 낮거나 없는 계곡부에서 개착터널을 시공하기 위해서는 추가적인 두 곳의 갱구 형성과 복토가 이루어질때까지 임시 사면에 대한 유지관리가 필요하다. 이런 경우에는 복토를 통해 토피를 확보한 후 터널을 굴착하는 방안이 유효하다. 이 연구는 터널 굴착이전에 소일시멘트로 복토한 후 굴착작업이 이루어진 대만고속철도 C240 현장에 대한 사례 연구이다. 소일시멘트의 포틀랜드 시멘트 함유량은 2∼4%이고, 1회 복토층의 두께는 130∼250㎜ 범위가 되도록 시공하였다. 터널 굴착에 따른 소일시멘트 사면 및 터널내 최종 구조물인 콘크리트 라이닝에 대한 수치해석을 통해 안정성을 평가하였다. In case the overburden of a tunnel is too low to adopt NATM, cut and cover method generally can be chosen as alternative. However, in tunneling some area with very low or no overburden between two mountains, the cut and cover method requires additional construction of a couple of tunnel portals and the maintenance of portal slopes until backfilling is completed. As a solution for this problem, increasing the tunnel overburden by raising the ground level can be effective. This paper presents the case study for tunneling at C240 site in Taiwan High Speed Railway(THSR) in which soil-cement filling method was used for pre-banking before tunnel excavation. Cement content of filling material was 2~4% and thickness of filling a round was 130~250 ㎜. The stability evaluation for the soil-cement slope and concrete lining of low cover tunnel was conducted by numerical analysis.