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      비대칭 근접 병렬터널 암반필러의 안전율 평가에 관한 연구 = A study on the safety factor estimation of the rock pillar in asymmetric twin tunnels

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      https://www.riss.kr/link?id=T14467043

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      국문 초록 (Abstract)

      국문요약

      최근 지하암반 내에 공동을 굴착할 때 암반 내 응력과 작용응력과의 비가 1.0에 가깝게 떨어진 지점 즉, 공동중심에서 반경의 3배 이상에서는 공동의 응력에 끼치는 영향을 거의 볼 수 없다하여 병렬터널 굴착시 암반필러의 이격거리를 터널직경(D)의 1.5배 이상으로 이격하여 설계 및 시공하는 경우가 많다.
      하지만 근래에는 도심지내 자동차 증가로 인해 교통의 지·정체 구간을 해소하고자 지하도로를 건설하는 사례가 증가하고 있으며, 이때 터널 굴착시 굴착공법의 발달로 인해 병렬터널 시공시 터널 간 이격거리가 1.5D 이하로 시공되고 있는 경우가 많아지고 있지만 아직까지 근접병렬터널의 암반필러에 대한 이격거리를 정량적으로 충분히 제시하고 있지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구는 지반 내 근접병렬터널 굴착시 암반필러의 이격거리에 대한 필러부의 안정성을 밝히기 위하여 3차원 유한요소 수치해석방법으로 안정성을 평가하여 안전율 도표를 제시하였다.
      암반필러의 안정성 평가는 지반 내 암반상태와 토피고 및 측압계수의 변화에 따른 지하 대단면 확폭터널 내 주행차선 2차로와 비대칭 분기차선 1차로에 대한 암반필러부의 거동을 평가한 결과 다음과 같다.
      첫째로 각 암반등급에 대하여 측압계수 변화에 따른 안전율 증가비율을 검토한 결과 (0.5)대비 (1.0)은 10%~20%, (2.0)은 18%~20%로 그 증분이 일정하게 나타나 측압계수가 증가할수록 안전율이 증가하였다. 둘째로 각 암반등급과 측압계수에 대해 토피고의 변화에 따른 암반특성 거동에 대해 평가한 결과 암반필러의 이격거리는 측압계수와 토피고가 커질수록 암반필러의 이격거리가 작아지고, 토피고와 암반등급이 커질수록 암반필러의 이격거리는 증가하는 양상을 보였다. 셋째로 근접병렬터널 암반필러의 안정성 평가시 토피고 1.0D에 대해 Peck과 Matsuda방법에 의한 경험식이 수치해석결과에 비해 암반등급 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ은 15%~ 30% 필러폭이 증가하는 양상을 보인 반면에 토피고 1.0D에서 불량한 암반등급 Ⅳ, Ⅴ와 토피고 3.0D, 5.0D에서는 필러폭이 41% 이상 증가하여 경험식 적용에는 문제가 있는 것으로 평가되었다.
      이와 같은 결과로부터 본 연구는 확폭터널 내 비대칭 분기부 암반필러에 대해 상기와 같은 기하학적 조건 및 매개변수 변화에 따른 근접 병렬터널 암반필러의 거동특성을 안전율 도표로 제안하였다. 이 도표는 설계 및 시공 초기단계에서 근접 병렬터널 내 비대칭 분기부 설치시 암반필러의 이격거리에 대한 암반필러의 안정성검토 및 보강방안 적용여부 등에 대해 폭넓게 적용이 가능하리라 판단된다.
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      국문요약 최근 지하암반 내에 공동을 굴착할 때 암반 내 응력과 작용응력과의 비가 1.0에 가깝게 떨어진 지점 즉, 공동중심에서 반경의 3배 이상에서는 공동의 응력에 끼치는 영향을 거의 ...

      국문요약

      최근 지하암반 내에 공동을 굴착할 때 암반 내 응력과 작용응력과의 비가 1.0에 가깝게 떨어진 지점 즉, 공동중심에서 반경의 3배 이상에서는 공동의 응력에 끼치는 영향을 거의 볼 수 없다하여 병렬터널 굴착시 암반필러의 이격거리를 터널직경(D)의 1.5배 이상으로 이격하여 설계 및 시공하는 경우가 많다.
      하지만 근래에는 도심지내 자동차 증가로 인해 교통의 지·정체 구간을 해소하고자 지하도로를 건설하는 사례가 증가하고 있으며, 이때 터널 굴착시 굴착공법의 발달로 인해 병렬터널 시공시 터널 간 이격거리가 1.5D 이하로 시공되고 있는 경우가 많아지고 있지만 아직까지 근접병렬터널의 암반필러에 대한 이격거리를 정량적으로 충분히 제시하고 있지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구는 지반 내 근접병렬터널 굴착시 암반필러의 이격거리에 대한 필러부의 안정성을 밝히기 위하여 3차원 유한요소 수치해석방법으로 안정성을 평가하여 안전율 도표를 제시하였다.
      암반필러의 안정성 평가는 지반 내 암반상태와 토피고 및 측압계수의 변화에 따른 지하 대단면 확폭터널 내 주행차선 2차로와 비대칭 분기차선 1차로에 대한 암반필러부의 거동을 평가한 결과 다음과 같다.
      첫째로 각 암반등급에 대하여 측압계수 변화에 따른 안전율 증가비율을 검토한 결과 (0.5)대비 (1.0)은 10%~20%, (2.0)은 18%~20%로 그 증분이 일정하게 나타나 측압계수가 증가할수록 안전율이 증가하였다. 둘째로 각 암반등급과 측압계수에 대해 토피고의 변화에 따른 암반특성 거동에 대해 평가한 결과 암반필러의 이격거리는 측압계수와 토피고가 커질수록 암반필러의 이격거리가 작아지고, 토피고와 암반등급이 커질수록 암반필러의 이격거리는 증가하는 양상을 보였다. 셋째로 근접병렬터널 암반필러의 안정성 평가시 토피고 1.0D에 대해 Peck과 Matsuda방법에 의한 경험식이 수치해석결과에 비해 암반등급 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ은 15%~ 30% 필러폭이 증가하는 양상을 보인 반면에 토피고 1.0D에서 불량한 암반등급 Ⅳ, Ⅴ와 토피고 3.0D, 5.0D에서는 필러폭이 41% 이상 증가하여 경험식 적용에는 문제가 있는 것으로 평가되었다.
      이와 같은 결과로부터 본 연구는 확폭터널 내 비대칭 분기부 암반필러에 대해 상기와 같은 기하학적 조건 및 매개변수 변화에 따른 근접 병렬터널 암반필러의 거동특성을 안전율 도표로 제안하였다. 이 도표는 설계 및 시공 초기단계에서 근접 병렬터널 내 비대칭 분기부 설치시 암반필러의 이격거리에 대한 암반필러의 안정성검토 및 보강방안 적용여부 등에 대해 폭넓게 적용이 가능하리라 판단된다.

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      다국어 초록 (Multilingual Abstract)

      A Study on the Estimation of Safety Factor of the Rock Pillar Between Asymmetric Twin Tunnels

      LEE, CHOUL-KYU

      Department of Civil and Environmental Engineering
      Graduate School of DaeJin University
      (Adviced by Professor Lee, Kang-Il)


      ABSTRACT


      Recently, when excavating the cavity in underground rock, the impact on the stress of the cavity is hardly observed at the point(r=3a) where the ratio of the stress in the rock and the working stress is close to 1.0. Therefore, when the twin tunnels are excavated, the spacing distance of the rock pillars are often more than one and half times the diameter of the tunnel.
      However, in recent years, construction of underpass road in order to solve the traffic congestion in urban area are being built more and more. And the spacing distance is often less than 1.5D due to the development of tunnel excavation system during tunnel construction. But the spacing distance to rock pillars of twin tunnel is not quantitatively presented. Therefore, this study carry out 3D finite element-based method to clarify the stability of pillar part to the spacing distance of the rock pillar during twin excavation in the ground. And the table of safety factor is presented.
      Stability assessment of rock pillar is the results which evaluate the behavior of the rock pillar for driving two lane and asymmetric lane in underground widening tunnel, according to the change of rock condition, soil depth and the change of lateral pressure coefficient. And that results are as follows.
      First, The results of reviewing increase of the safety factor according to the change of the lateral pressure coefficient for each rock type are as follows. (1.0) compared to (0.5) is 10%~20%. and (2.0) compared to (0.5) is 18~20%. So the rate of increase is constant. In other words the more lateral pressure coefficient increases, the more safety factor increases.
      Second, As a result of evaluating rock behavior according to the change of soil depth for rock type and lateral pressure coefficient, the distance of rock pillar decreases as the lateral pressure coefficient and soil depth increase. On the other hand, the distance of rock pillar increases as soil depth and rock type increase.
      Third, in case of evaluation of stability for rock pillar, rock type Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ at the soil depth 1.0D increase the pillar width by 15~30% compared with the numerical results by the Peck & Matsuda Method. When the soil depth is 1.0D, the rock type Ⅳ, Ⅴ are poor. But when the soil depth is 3.0D and 5.0D, the pillar width increases by 41% or more. Therefore, it is considered that there is a problem in applying the empirical formula.
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      A Study on the Estimation of Safety Factor of the Rock Pillar Between Asymmetric Twin Tunnels LEE, CHOUL-KYU Department of Civil and Environmental Engineering Graduate School of DaeJin University (Adviced by Professor Lee, Kang-Il) ABSTRACT Re...

      A Study on the Estimation of Safety Factor of the Rock Pillar Between Asymmetric Twin Tunnels

      LEE, CHOUL-KYU

      Department of Civil and Environmental Engineering
      Graduate School of DaeJin University
      (Adviced by Professor Lee, Kang-Il)


      ABSTRACT


      Recently, when excavating the cavity in underground rock, the impact on the stress of the cavity is hardly observed at the point(r=3a) where the ratio of the stress in the rock and the working stress is close to 1.0. Therefore, when the twin tunnels are excavated, the spacing distance of the rock pillars are often more than one and half times the diameter of the tunnel.
      However, in recent years, construction of underpass road in order to solve the traffic congestion in urban area are being built more and more. And the spacing distance is often less than 1.5D due to the development of tunnel excavation system during tunnel construction. But the spacing distance to rock pillars of twin tunnel is not quantitatively presented. Therefore, this study carry out 3D finite element-based method to clarify the stability of pillar part to the spacing distance of the rock pillar during twin excavation in the ground. And the table of safety factor is presented.
      Stability assessment of rock pillar is the results which evaluate the behavior of the rock pillar for driving two lane and asymmetric lane in underground widening tunnel, according to the change of rock condition, soil depth and the change of lateral pressure coefficient. And that results are as follows.
      First, The results of reviewing increase of the safety factor according to the change of the lateral pressure coefficient for each rock type are as follows. (1.0) compared to (0.5) is 10%~20%. and (2.0) compared to (0.5) is 18~20%. So the rate of increase is constant. In other words the more lateral pressure coefficient increases, the more safety factor increases.
      Second, As a result of evaluating rock behavior according to the change of soil depth for rock type and lateral pressure coefficient, the distance of rock pillar decreases as the lateral pressure coefficient and soil depth increase. On the other hand, the distance of rock pillar increases as soil depth and rock type increase.
      Third, in case of evaluation of stability for rock pillar, rock type Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ at the soil depth 1.0D increase the pillar width by 15~30% compared with the numerical results by the Peck & Matsuda Method. When the soil depth is 1.0D, the rock type Ⅳ, Ⅴ are poor. But when the soil depth is 3.0D and 5.0D, the pillar width increases by 41% or more. Therefore, it is considered that there is a problem in applying the empirical formula.

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      목차 (Table of Contents)

      • 목 차
      • 국문요약 ⅰ
      • 목 차 ⅱ
      • List of Table ⅴ
      • 목 차
      • 국문요약 ⅰ
      • 목 차 ⅱ
      • List of Table ⅴ
      • List of Figure ⅶ
      • 기호설명 ⅻ
      • 제 1 장 서 론 1
      • 1.1 연구목적 1
      • 1.2 연구동향 3
      • 1.3 연구방법 6
      • 제 2 장 암반의 파괴기준 8
      • 2.1 개요 8
      • 2.2 지하공동 주변의 응력-변형상태 8
      • 2.2.1 초기응력 8
      • 2.2.2 단일 공동의 주변응력 11
      • 2.2.3 원형 공동의 주변응력 13
      • 2.2.4 병렬터널의 필러부의 주변응력 17
      • 2.2.5 터널 굴진에 따른 내공변위 양상 20
      • 2.3 암석과 암반의 파괴기준 21
      • 2.3.1 Mohr-Coulomb의 파괴기준 22
      • 2.3.2 Hoek-Brown의 파괴기준 24
      • 2.4 암반필러의 안정성 평가방법 29
      • 2.4.1 안정성 평가방법 29
      • 2.4.2 Peck 방법 30
      • 2.4.3 Matsuda 방법 33
      • 2.4.4 지류론 35
      • 2.4.5 수치해석에 의한 정밀검토 방법 39
      • 2.5 분기부 및 근접 병렬터널 설치사례 42
      • 2.5.1 국내사례 42
      • 2.5.2 해외사례 44
      • 제 3 장 터널의 수치해석 45
      • 3.1 개요 45
      • 3.2 터널에 대한 수치해석법 46
      • 3.2.1 터널에 적용 가능한 수치해석법 46
      • 3.2.2 2차원 요소의 공식화 46
      • 3.2.3 3차원 요소의 공식화 53
      • 3.3 암반필러의 수치해석에 적용된 기하학적 조건 58
      • 3.3.1 터널 내 분기방법 58
      • 3.3.2 암반필러의 이격거리 60
      • 3.3.3 토피고 60
      • 3.3.4 암반등급 61
      • 3.4 수치해석 모델링 61
      • 3.4.1 수치해석 프로그램 61
      • 3.4.2 수치해석 단면 62
      • 3.4.3 수치해석 경계조건 68
      • 3.4.4 수치해석 방법 70
      • 3.4.5 수치해석에 적용된 지반물성 값 71
      • 3.4.6 기준안전율 적용 72
      • 제 4 장 경험식에 의한 암반필러의 안전율 평가 75
      • 4.1 개요 75
      • 4.2 Peck 방법에 의한 안전율 평가 75
      • 4.3 Matsuda 방법에 의한 안전율 평가 80
      • 4.4 지류론에 의한 안전율 평가 84
      • 4.5 경험식을 이용한 암반필러의 안전율 종합평가 89
      • 제 5 장 수치해석 기법을 이용한 암반필러의 안전율 평가 94
      • 5.1 개요 94
      • 5.2 암반필러부 수치해석 대상 위치검토 95
      • 5.3 측압계수 변화에 따른 암반필러부 거동 평가 95
      • 5.3.1 암반등급이 Ⅰ인 경우 97
      • 5.3.2 암반등급이 Ⅱ인 경우 100
      • 5.3.3 암반등급이 Ⅲ인 경우 102
      • 5.3.4 암반등급이 Ⅳ인 경우 105
      • 5.3.5 암반등급이 Ⅴ인 경우 107
      • 5.4 토피고 변화에 따른 암반필러부 거동 평가 110
      • 5.4.1 측압계수가 0.5인 경우 110
      • 5.4.2 측압계수가 1.0인 경우 114
      • 5.4.3 측압계수가 2.0인 경우 118
      • 5.5 암반 등급별 안전율 도표제안 122
      • 5.6 경험식과 수치해석에 의한 비교평가 130
      • 제 6 장 결 론 132
      • 참고문헌 134
      • ABSTRACT 139
      • 감사의 글 141
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      참고문헌 (Reference)

      1. 암반역학의 원리, 이인모, , 2005

      2. 터널의 지반공학적 원리, 이인모, 새론, , 2004

      3. 터널 분기부 암반 필라의 거동 연구, 이강일, 이철규, 강재기, 한국토목 섬유학회논문집, 제14권 2호, pp.81∼88, , 2015

      4. 병설터널 굴착에 따른 변형거동 특성, 박송자, 경북대학교대학원 박사학 위 논문, , 2010

      5. TBM에 의한 도심지 지하도로의 건설 사례, 김창용, 장수호, 한국지반공학회, 한국지반 공학회지, Vol. 25, No. 11, pp.8~19, , 2009

      6. 산악지 쌍굴 수로터널 해석에 대한 고찰, 백영식, 임수빈, 김홍택, 한국 지반공학회 봄학술발표회 논문집, pp.21~26, , 1993

      7. 초근접 병설터널의 암반 필라 거동 평가, 김원범, 전남대학교 대학원, 전남대학교대학원 박 사학위 논문, , 2011

      8. 도로터널 분기부 암반 필라의 안정성 평가, 강재기, 전남대학교대학원 박사학위 논문, , 2011

      9. 쌍굴터널의 거동에 관한 3차원 유한요소 해석, 유충식, 이호, 윤효석, 한국지반공학회 가을학술발표회 논문집, pp.151~160, , 1997

      10. “연약 암반층에 굴착된 터널의 안전율 평가”, 배규진, 유광호, Bae, Gyu-Jin, You, Kwang-Ho, 박연준, Park, Yeon-Jun, 한국터널지하공간학회, 대한 터널협회 논문집, Vol. 2, No. 3, pp.47~57, , 2000

      1. 암반역학의 원리, 이인모, , 2005

      2. 터널의 지반공학적 원리, 이인모, 새론, , 2004

      3. 터널 분기부 암반 필라의 거동 연구, 이강일, 이철규, 강재기, 한국토목 섬유학회논문집, 제14권 2호, pp.81∼88, , 2015

      4. 병설터널 굴착에 따른 변형거동 특성, 박송자, 경북대학교대학원 박사학 위 논문, , 2010

      5. TBM에 의한 도심지 지하도로의 건설 사례, 김창용, 장수호, 한국지반공학회, 한국지반 공학회지, Vol. 25, No. 11, pp.8~19, , 2009

      6. 산악지 쌍굴 수로터널 해석에 대한 고찰, 백영식, 임수빈, 김홍택, 한국 지반공학회 봄학술발표회 논문집, pp.21~26, , 1993

      7. 초근접 병설터널의 암반 필라 거동 평가, 김원범, 전남대학교 대학원, 전남대학교대학원 박 사학위 논문, , 2011

      8. 도로터널 분기부 암반 필라의 안정성 평가, 강재기, 전남대학교대학원 박사학위 논문, , 2011

      9. 쌍굴터널의 거동에 관한 3차원 유한요소 해석, 유충식, 이호, 윤효석, 한국지반공학회 가을학술발표회 논문집, pp.151~160, , 1997

      10. “연약 암반층에 굴착된 터널의 안전율 평가”, 배규진, 유광호, Bae, Gyu-Jin, You, Kwang-Ho, 박연준, Park, Yeon-Jun, 한국터널지하공간학회, 대한 터널협회 논문집, Vol. 2, No. 3, pp.47~57, , 2000

      11. 병설터널 시공에 따른 필라의 안정성 평가기법, 김승욱, 김철준, 이응기, 황정순, 한국농공학회 지반분과위원회 학술세미나 논문집, pp.75~88, , 2005

      12. 축소모형실험에 의한 병설터널 필라의 거동특성, 장부식, 김홍택, 윤배식, 황정순, 대한토목학회, 대한토목학회 정기학술대회 논문집, pp.1577~1580, , 2006

      13. 근접 병설터널 필라의 거동특성 평가에 관한 연구, 장부식, 홍익대학교 대학원 박사학위 논문, , 2006

      14. 근접병설터널의 안정성 평가를 위한 모형실험 연구, 김평기, 김종우, 한국암반공학회, 한 국암반공학회지, Vol. 23, No. 2, pp.130~140, , 2013

      15. 쌍굴터널 굴진에 따른 주변지반의 거동과 간섭효과, 김학문, 한국암반공학회, 한국암반공 학회지, Vol.7, pp.136~142, , 1997

      16. 축소모형실험을 통한 근접터널의 거동에 관한 연구, 안현호, 한국지반공학회, 건국대학교 대학원 석사학위 논문, , 2008

      17. 병설터널 굴착에 따른 필라의 안정성 평가기법 제시, 이응기, 황정순, 박석호, 이홍규, 대한토목학회, 대한토목학회 정기학술대회 논문집, pp.5575~5578, , 2005

      18. 입자유동해석(PFC)을 통한 근접터널 거동에 관한 연구, 서병욱, 건국대 학교대학원 석사학위 논문, , 2008

      19. 근접터널 암반 필라의 안정성 평가 및 보강방법에 관한 연구, 정용진, 이승호, 신성호, 송한찬, 한국암반공학회, 한국암반공학회 특별 심포지엄, pp.1~15, , 2007

      20. 터널 굴착시 고려해야 할 주변암반의 매개변수와 진행성 파괴, 백영식, 이제우, 임수빈, 이성민, 한국지반공학회 창립10주년기념 및 가을학술발표회 논문집, pp.231~234, , 1994

      21. 지하 채굴적이 지표 구조물의 안정성에 미치는 영향에 관한 실험 연구, 김종우, 전석원, 서영호, 한국암반공학회지, Vol. 14, No. 1, pp.43~53, , 2004

      22. 암반 필라를 포함한 비대칭 근접 병설터널의 안정성 평 가에 관한 연구, 김영근, 김도식, 사단법인 한국터널지하공간학회, 한국터널공학회지, Vol.9, No.4, pp 387~401, , 2007

      23. 병설터널 필라부의 텐션볼트 보강에 따 른 동특성 및 보강효과에 관한 연구, 강세구, 정상훈, 안경철, 김양운, 대한토목학회 정기 학술대회 논문집, pp.2947~2950, , 2007

      24. Mohr-Coulomb 파괴접근도 방법을 이용한 비 대칭 분기부 암반필라의 안정성 평가, 이철규, 이강일, 강재기, 한국지반신소재학회논문집, 제15권 4호, pp.17∼23, , 2016

      25. 병설터널 필라부의 텐션볼트 보강에 따 른 동특성 및 보강효과에 관한 연구(Ⅱ), 강세구, 정상훈, 김양운, 안경철, 대한토목학회 정기 학술대회 논문집, pp.4103~4106, , 2008

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