강섬유 보강 쉴드 TBM 세그먼트의 역학적 특성 및 적용성에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

쉴드 TBM공법에서 세그먼트는 운용중 안정성을 확보하는 주요한 구조체로서, 공사비 측면에서 약 30~40 %의 비율을 차지하고 있다. 국내의 경우 쉴드 TBM세그먼트는 콘크리트 및 철근으로 제작된 세그먼트(RC 세그먼트) 사용이 주를 이룬다. 그러나 쉴드 TBM 공법이 많이 사용되는 유럽, 미국 등에서는 강섬유(Steel Fiber)가 보강된 콘크리트(SFRC) 세그먼트로서 강섬유만으로 보강된 세그 먼트(Full SFRC 세그먼트) 또는 철근과 강섬유가 혼합 보강된 세그먼트(Hybrid SFRC 세그먼트)의 사용이 증가되고 있다. 이는 강섬유로 보강된 세그먼트가 가지고 있는 구조적 장점을 활용한다는 측면 외에도 경제적인 터널건설이라는 목적과 맥을 같이 하고 있다.
외국의 경우 강섬유 혼입량에 따른 SFRC의 연성거동 차이에 초점을 맞춘 관련 연구가 주로 진행되었으나, 본 논문에서는 강섬유 혼입량에 따른 연성거동 차이에 대한 분석 뿐만 아니라 철근보강(RC 세그먼트), 철근과 강섬유가 동시 보강된 Hybrid SFRC 세그먼트, 강섬유만으로 보강된 Full SFRC 세그먼트의 파괴하중, 연성비등의 특성 평가와 함께 지층조건, 터널 심도조건 등에 따른 세그먼트 보강방법별 적용성을 분석하므로서 보강방법별 적용 효율성을 연구하였다.
본 논문에서는 SFRC의 특성을 평가하기 위한 첫 번째 단계로서 콘크리트 강도, 강섬유 형상비 및 혼입량을 변수하여 600(길이)×150(폭)×150(높이) mm 규격으로 총 58개의 실험체를 제작하였다. RILEM에서 제시하고 있는 3점 지지방식의 휨실험을 통해 실험체별 파괴양상, 분산도, 하중-변위 특성을 포함하여 SFRC의 주요 특성인 잔류인장강도 및 휨인성을 분석하였다. 콘크리트 강도 및 혼입량이 증가될수록 최대저항하중 및 잔류강도가 증가됨을 확인하였고, 휨인성의 경우 강섬유 혼입량 40 kg/m3에서는 20 kg/m3 대비 최대 74 %가 증가됨을 확인하였다.
쉴드 TBM 세그먼트는 완전 원형 구조물임에 따라 3점 지지방식의 하중재하방식은 세그먼트의 실제적인 하중-저항 특성과 다르게 된다. 이를 보완하기 위해서 실규모 파괴 실험관련 연구가 다수 진행되어 왔으며, 본 논문에서도 굴착 외경 4,200 mm인 쉴드 TBM에 적용되는 길이 2,403(길이)×200(두께)×900(폭) mm 세그먼트를 이용한 실규모 파괴시험을 기존 RC 세그먼트, Hybrid SFRC 및 Full SFRC 세그먼트 대상으로 수행하였다.
RC 세그먼트의 경우 철근인장강도를 증대시키면서 철근량을 축소하는 경우 최대 저항하중 38.1 %, 철근인장응력 33.8 %의 저감효과를 얻을 수 있었으며, Hybrid SFRC 세그먼트 최대하중 33.8 %, 인장응력 38.6 %가 저감되어(재하하중 50 kN 기준) 철근량 축소에 따른 경제성 확보가 가능하다는 것을 확인하였다.
Full SFRC 세그먼트의 경우 철근이 보강된 RC 또는 Hybrid SFRC 세그먼트 보다 작은 파괴하중을 보이나, 축력이 우세하게 작용하는 조건에서는 적용성이 우수한 형식이 됨을 확인하였다.
쉴드 TBM 터널이 시공되는 지층조건 및 심도를 매개변수로 한 총 12 Cases의 수치해석을 통하여 강섬유 보강 세그먼트의 적용성을 평가하였다. 해석결과 중, 모멘트와 축력이 동시에 큰 경우, 모멘트는 작으나 축력이 큰 경우, 모멘트는 크나 축력이 작은 경우, 모멘트와 축력이 모두 작은 값을 보이는 경우를 대표 Case로 하여 RILEM 코드 및 EC2 코드를 이용한 RC, Hybrid SFRC, Full SFRC 세그먼트의 철근량 또는 강섬유 혼입량을 분석하였다.
점토층 시공조건에서는 Full SFRC 세그먼트 적용은 불가하나, Hybrid SFRC 세그먼트 적용시 철근량 축소가 가능하며, 이외의 지층조건에서는 철근이 보강되지 않은 Full SFRC 세그먼트 적용이 가능함을 확인하였다. 즉, 기존의 국내 쉴드 TBM 세그먼트에서 대부분 적용하고 있는 RC 세그먼트 형식은 강섬유를 보강하는 Hybrid SFRC 또는 Full SFRC 세그먼트로 계획함으로서 세그먼트의 경제성 및 내구성 향상에 기여할 수 있음을 알 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 내용 및 범위 2
• 제 2 장 이론적 배경 5
• 2.1 개 요 5
• 2.2 SFRC 세그먼트 특성 9
• 2.3 SFRC 연속체 모델 및 해외 설계기준 고찰 18
• 2.4 SFRC 실규모 파괴실험 및 인장성능 평가실험 35
• 2.5 세그먼트 거동해석 모델 48
• 제 3 장 SFRC 인장성능 평가 53
• 3.1 개 요 53
• 3.2 재하방법 및 변위․변형률 측정 53
• 3.3 실험변수 및 실험체 제원 55
• 3.4 실험결과 및 분석 59
• 3.5 요약 및 고찰 85
• 제 4 장 세그먼트 실규모 파괴실험 87
• 4.1 개 요 87
• 4.2 실험장비 및 계측 90
• 4.3 실험체 제작 91
• 4.4 실험체별 균열 및 파괴특성 96
• 4.5 요약 및 고찰 103
• 제 5 장 2-Ring Beam Model 수치해석에 의한 세그먼트 보강방법별 적용성 분석 105
• 5.1 개 요 105
• 5.2 해석 입력정수 선정 106
• 5.3 검토코드 선정 및 철근, 강섬유 보강량 검토조건 113
• 5.4 해석 Case별 단면력 산정결과 116
• 5.5 대표 Case별 최적 보강방법 및 보강량 선정 119
• 5.6 요약 및 고찰 129
• 제 6 장 결론 및 향후 연구제안 130
• 부록 A 실험체 파괴형상 및 파괴모드 145
• 부록 B 실험체내 강섬유 분산도 평가 쉬트 157
• ABSTRACT 171

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