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NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

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Page 1: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

공 학 석 사 학 논 문

NATM 터널 일방향 역 착에 따른 터널거동 및

안정 에 한 연

2008년 8월

부경 학교 산업 학원

토목공학과

노 수 동

공 학 사 학 위 논 문

NATM 터널 일방향 역 착에 따른 터널거동 및

안정 에 한 연

The study on the tunnel behavior and stability by

an unidirectional inverse excavation

of NATM tunnel

지도교수 이

이 논문을 공학석사 학 청구논문으로 제출함

2008년 8월

부경 학교 산업 학원

토목공학과

노 수 동

노수동의 공학석사 학 논문을 인 함

2008년 8월 27일

주 심 공 학 박 사 정 두 회 (인)

원 공 학 박 사 김 수 용 (인)

원 농 학 박 사 이 (인)

- iii -

목 차

Ⅰ 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

11 연구의 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

12 연구의 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

13 연구의 범 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

14 연구의 방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

Ⅱ 이론 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21 NATM 공법개요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

22 NATM 공법특징 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

23 NATM 터 의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

231 터 천단부의 지반침하 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

232 터 주변의 지반변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

233 터 막장면 아칭효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

25 문헌연구 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

Ⅲ 자료수집 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

31 자료수집분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

311 주변 지형 지질 황 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

312 설계 황(양방향정굴착) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

313 변경시공계획(일방향역굴착) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

32 일방향역굴착 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

321 터 갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

322 일방향역굴착 시공사례분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

- iv -

Ⅳ 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

41 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

411 수치해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

412 분석결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

42 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

421 천단침하에 한 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

422 지보재응력에 한 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

423 갱구비탈면 변 에 한 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

424 진동 소음 분석 결과 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

Ⅴ 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

참 고 문 헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

- v -

표 목 차

lt표 3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

lt표 3-2gt 갱구부 굴착 계획 지보패턴 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

lt표 3-3gt 갱구부 변경 굴착 계획 지보패턴 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

lt표 3-4gt 터 갱구부 굴착 방향에 따른 특징 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 17

lt표 3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

lt표 3-6gt 일방향 터 막장 붕락 개요도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

lt표 4-1gt 수치해석 기법의 종류 특징 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

lt표 4-2gt 해석범 의 제시 사례 용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

lt표 4-3gt 설계 지반 정수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

lt표 4-4gt 강 다단 그라우 보강 역 용 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

lt표 4-5gt 지보재의 특성치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-6gt 크리트 허용 응력middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-7gt 락볼트 허용축력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-8gt 양방향 굴착시 용패턴 보조공법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

lt표 4-9gt 일방향 굴착 시 용패턴 보조공법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

lt표 4-10gt 시공단계별 천단침하량 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

lt표 4-11gt 일방향 굴착과 양방향 굴착시 진동 소음 측정 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

- vi -

그 림 목 차

lt그림 1-1gt 일방향역굴착연구 Flow Chart middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

lt그림 2-1gt 터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

lt그림 4-1gt 수치 해석의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

lt그림 4-2gt MIDASGTS 해석모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

lt그림 4-3gt 로그램 해석 순서도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

lt그림 4-4gt 강 다단 그라우 보강 개념도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

lt그림 4-5gt 양방향 굴착 해석 순서middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

lt그림 4-6gt 일방향 굴착 해석 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

lt그림 4-7gt 양방향 굴착시 천단변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

lt그림 4-8gt 일방향 굴착시 천단변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 4-9gt 일방향 굴착시 천단변 ( 장실측치) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 4-10gt 크리트 응력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

lt그림 4-11gt 락볼트 축력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

lt그림 4-12gt 갱구 비탈면 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- vii -

The study on the tunnel behavior and stability by

an unidirectional inverse excavation

of NATM tunnel

Su-Dong Roh

Department of Civil Engineering Graduate School of Industry

Pukyong National University

Abstract

In a tunnel excavation work the inside of tunnel is excavated by a

bidirectional excavation using a ground stability and longitudinal

arching effect of a tunnel but recently an unidirectional excavation is

tried to reduce a public grievance and promote effective excavation

But construction cases and study products about the unidirectional

excavation is insufficient

Therefore this research investigated theoretically a stability of the

unidirectional inverse excavation As a result of the three dimensional

numerical analysis in the unidirectional inverse excavation and

bidirectional excavation a crown settlement is similar in the two

conditions that is caused by a ground reinforcement effect using an

umbrella arch method

- viii -

A bending compressive stress of the shotcrete and an axial force of

the rock bolt was shown secure a tunnel stability because a stress of

the shotcrete and rock bolt is within allowable value in all two

methods

An infinitesimal ahead displacement of portal slopes that is in the

limits of stability in general is generated by a tunnel excavation in all

two methods In this research a noise reduction effect of about 15dB

in the unidirectional inverse excavation process shows less than those

of bidirectional method

Keyword

unidirectional inverse excavation bidirectional excavation arching effect

three dimensional numerical analysis stability

- 1 -

Ⅰ 서 론

11 연구의 배경

최근 들어 사회기반시설의 확충에 따라 일반도로 고속도로 일반철

도 고속철도 지하철 도시철도 력구 통신구 공동구 지하 장

시설 등 지하공간개발이 격히 증가되고 있다

이러한 지하공간개발은 국토가 제한되어 있는 국내실정을 고려 할 때

효율 인 국토의 이용에 한 필연 요구이며 그와 더불어 민원 환경

에 한 극 이고 기술 인 책이 요구되고 있다 따라서 용지의 효율

인 이용 환경 훼손 최소화 그리고 경제 인 노선계획 경 과의 조화

등을 해 차 터 의 비 이 커지고 있다

이러한 터 에서는 지반의 안정과 터 의 종방향 아칭효과를 이용하여

양방향 통이 이루어지고 있지만 발 에 의한 암 버력 비산 등은 인 부

의 도로 차량과 민가 등 보안물건에 진동 소음으로 인한 민원이 발

생하며 이와 같은 발 공해로 제기되는 민원들은 공사 수행에 막 한

향을 미친다

이러한 이유에 의해 불가피하게 터 의 한쪽 방향으로 일방향 굴착이

시도되고 있으나 아직은 다수의 사례를 찾기 어렵고 자료축 도 부족한

실정으로 이에 한 연구가 실한 실정이다

- 2 -

12 연구의 목

NATM에서는 지반 자체의 강도를 고려하여 터 내부에서 통시키

는 양방향 통이 주로 수행된다 그러나 터 내부에서 막장을 통시키

고자 하는 경우 굴진방향 반 편 갱구부에서 다시 굴착을 실시해야 하므

로 장상황에 따라 다르기는 하지만 터 굴착 시에 발생되는 소음과 진

동에 의해 커다란 민원의 발생 요인이 된다

따라서 본 연구의 목 은 일방향역굴착에 한 비해석과 장의 실

제 계측치를 비교분석하여 일방향역굴착에서의 효과 인 설계 시공을

한 신뢰성 있는 지반 공학 기 자료를 축 하는 데 있다

13 연구의 범

본 연구의 구성은 총 5장으로 구성되어 있다 제1장은 서론으로 연구의

배경 목 연구의 범 방법 연구의 구성으로 되어있다 제2장은

NATM 터 의 이론 배경 문헌연구로 구성하 다 제3장에서는 사례

장의 자료수집 일방향 역굴착의 특성 사례연구를 정리하고 제4장

에서는 수치해석을 하고 진동 소음에 하여 고찰하 으며 제5장에서

는 연구결과를 정리하여 결론으로 요약하 다

14 연구 방법

터 갱구부에 하여 양방향 굴착(정굴착) 일방향굴착(역굴착)에 따

른 시공단계별 3차원 수치해석을 수행하여 터 주변 지반 터 의 거

동특성 분석과 갱구부 지보패턴의 지보재 부재력을 검토하여 장에서의

- 3 -

실제 계측치와 비교 분석하고 터 굴착시 발생되는 소음 진동의 일

방향 굴착과 양방향 굴착의 장 계측값를 비교 분석하여 일방향 굴착의

진동 소음 감효과를 악 하고 일방향 굴착시 수치해석값과 장계측값

을 비교분석 한다

lt그림1-1gt일방향역굴착연구 Flow Chart

양방향 굴착 일방향 역굴착 시공 단계

연구 상

장자료

3차원

치해

일방향역

굴착

사례분

3차원 치

양방향

굴착과

결과

장계측

진동소

∙지보재 부재력 검토

∙터널주변 지반 거동분

∙터널 거동분

∙양방향 굴착과 지보재 부재력 연구

∙터널 주변 지반 거동 특 연구

∙터널 거동 특 연구

∙ 해

결과 분

∙일방향 역굴

착소 감

효과분

- 4 -

Ⅱ 이론 배경

21 NATM 공법 개요

NATM(New Austrian Tunneling Method)은 오스트리아의 Rabcewicz

가 처음으로 실행한 암반 터 시공법이다 NATM의 요 이론은 암반

이 스스로 지니고 있는 자체 원지반의 지지력을 이용하도록 락볼트로 고

정한 후 크리트 등의 지보재로 보강하여 지반을 안정시킨 후 터 굴착

을 계속하는 시공성이 우수한 굴착방식이다 우리나라에는 1980년 지하

철 건설에 활용되기 시작하여 개착이 어려운 터 공사에 시공되고 있다

NATM 공법은 터 이 단 괴에 기인한다는 이론에서 정립된 공법

으로서 암반의 역학 성질을 이용하여 굴착된 원 지반에 비교 얇은 콘

크리트 라이닝을 설치하므로써 기존의 터 에 비하여 경제 이고 안 성

있는 터 을 구축하는 공법이다

2차 이후 Shotcrete 공법이 성행 되면서 굴착면에 용이하게

Shotcrete 를 타설하게 되므로써 NATM 공법이 한층 더 발 하게 되었

NATM 공법은 터 굴착 후 기에 1차 지보재(Shotcrete)를 타설하여

원지반 암반의 거동을 조기에 정착시키고 Rock bolt를 설치하여 주변지반

이완 방지 암반간의 합효과 등을 기 하며 설치된 계측기의 계측결

과를 분석하여 2차 지보재의 설치 등을 단하면서 경제 이고 안정된 터

을 설치하는 공법이다

- 5 -

22 NATM 공법 특징

NATM 공법의 특징으로는 지질의 변화에 응하기 쉽고 팽창성 지반

토사 지반 암반에서도 시공이 가능하며 지질이 복잡하게 변화하는 장

터 에서도 즉시 변경이 가능하다

한 계측결과에 의하여 지보의 규모를 결정하므로 경제 인 시공이 가능

하고 Shotcrete Rock bolt 등의 1차 지보재에 따라 변형이 안정된 후 2차

라이닝을 타설하므로 라이닝의 두께를 최소화 할 수 있다

특히 NATM 공법은 다른 터 시공법과 비교하면 내구성이 좋고 경제

이며 터 의 선형에 계없이 시공 가능한 특징을 가지고 있다

23 NATM 터 의 특성

231 터 천단부의 지반침하

터 굴착은 어떠한 상황에도 외 없이 지반이완을 가져와 터 주변지

반의 단변형을 유발시키고 소성 역을 확장시키게 된다 이러한 향들

은 터 이 굴진됨에 따라 지 을 거쳐서 차 지표면까지 달되어 지표

면 변 의 형태로 나타난다 터 굴착에 따른 주변지반의 변 는 3차원

으로 발생하기 때문에 수직방향의 침하와 함께 수평변 도 일어나게 된

다 그러나 지반거동에 직 향을 수 있는 가설 구조물이 터 주

변에 치하고 있거나 지표면의 경사가 심한 경우 는 터 단면 좌우

측의 지반조건이 크게 상이한 경우 특수한 경우를 제외하게 되면 터

상부 지반 터 심선이 지나는 지 에서의 지반변 는 수직방향의 침

하형태로 발생하는 것이 보편 이다

- 6 -

232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 2: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

공 학 사 학 위 논 문

NATM 터널 일방향 역 착에 따른 터널거동 및

안정 에 한 연

The study on the tunnel behavior and stability by

an unidirectional inverse excavation

of NATM tunnel

지도교수 이

이 논문을 공학석사 학 청구논문으로 제출함

2008년 8월

부경 학교 산업 학원

토목공학과

노 수 동

노수동의 공학석사 학 논문을 인 함

2008년 8월 27일

주 심 공 학 박 사 정 두 회 (인)

원 공 학 박 사 김 수 용 (인)

원 농 학 박 사 이 (인)

- iii -

목 차

Ⅰ 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

11 연구의 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

12 연구의 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

13 연구의 범 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

14 연구의 방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

Ⅱ 이론 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21 NATM 공법개요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

22 NATM 공법특징 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

23 NATM 터 의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

231 터 천단부의 지반침하 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

232 터 주변의 지반변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

233 터 막장면 아칭효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

25 문헌연구 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

Ⅲ 자료수집 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

31 자료수집분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

311 주변 지형 지질 황 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

312 설계 황(양방향정굴착) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

313 변경시공계획(일방향역굴착) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

32 일방향역굴착 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

321 터 갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

322 일방향역굴착 시공사례분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

- iv -

Ⅳ 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

41 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

411 수치해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

412 분석결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

42 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

421 천단침하에 한 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

422 지보재응력에 한 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

423 갱구비탈면 변 에 한 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

424 진동 소음 분석 결과 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

Ⅴ 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

참 고 문 헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

- v -

표 목 차

lt표 3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

lt표 3-2gt 갱구부 굴착 계획 지보패턴 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

lt표 3-3gt 갱구부 변경 굴착 계획 지보패턴 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

lt표 3-4gt 터 갱구부 굴착 방향에 따른 특징 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 17

lt표 3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

lt표 3-6gt 일방향 터 막장 붕락 개요도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

lt표 4-1gt 수치해석 기법의 종류 특징 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

lt표 4-2gt 해석범 의 제시 사례 용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

lt표 4-3gt 설계 지반 정수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

lt표 4-4gt 강 다단 그라우 보강 역 용 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

lt표 4-5gt 지보재의 특성치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-6gt 크리트 허용 응력middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-7gt 락볼트 허용축력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-8gt 양방향 굴착시 용패턴 보조공법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

lt표 4-9gt 일방향 굴착 시 용패턴 보조공법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

lt표 4-10gt 시공단계별 천단침하량 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

lt표 4-11gt 일방향 굴착과 양방향 굴착시 진동 소음 측정 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

- vi -

그 림 목 차

lt그림 1-1gt 일방향역굴착연구 Flow Chart middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

lt그림 2-1gt 터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

lt그림 4-1gt 수치 해석의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

lt그림 4-2gt MIDASGTS 해석모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

lt그림 4-3gt 로그램 해석 순서도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

lt그림 4-4gt 강 다단 그라우 보강 개념도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

lt그림 4-5gt 양방향 굴착 해석 순서middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

lt그림 4-6gt 일방향 굴착 해석 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

lt그림 4-7gt 양방향 굴착시 천단변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

lt그림 4-8gt 일방향 굴착시 천단변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 4-9gt 일방향 굴착시 천단변 ( 장실측치) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 4-10gt 크리트 응력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

lt그림 4-11gt 락볼트 축력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

lt그림 4-12gt 갱구 비탈면 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- vii -

The study on the tunnel behavior and stability by

an unidirectional inverse excavation

of NATM tunnel

Su-Dong Roh

Department of Civil Engineering Graduate School of Industry

Pukyong National University

Abstract

In a tunnel excavation work the inside of tunnel is excavated by a

bidirectional excavation using a ground stability and longitudinal

arching effect of a tunnel but recently an unidirectional excavation is

tried to reduce a public grievance and promote effective excavation

But construction cases and study products about the unidirectional

excavation is insufficient

Therefore this research investigated theoretically a stability of the

unidirectional inverse excavation As a result of the three dimensional

numerical analysis in the unidirectional inverse excavation and

bidirectional excavation a crown settlement is similar in the two

conditions that is caused by a ground reinforcement effect using an

umbrella arch method

- viii -

A bending compressive stress of the shotcrete and an axial force of

the rock bolt was shown secure a tunnel stability because a stress of

the shotcrete and rock bolt is within allowable value in all two

methods

An infinitesimal ahead displacement of portal slopes that is in the

limits of stability in general is generated by a tunnel excavation in all

two methods In this research a noise reduction effect of about 15dB

in the unidirectional inverse excavation process shows less than those

of bidirectional method

Keyword

unidirectional inverse excavation bidirectional excavation arching effect

three dimensional numerical analysis stability

- 1 -

Ⅰ 서 론

11 연구의 배경

최근 들어 사회기반시설의 확충에 따라 일반도로 고속도로 일반철

도 고속철도 지하철 도시철도 력구 통신구 공동구 지하 장

시설 등 지하공간개발이 격히 증가되고 있다

이러한 지하공간개발은 국토가 제한되어 있는 국내실정을 고려 할 때

효율 인 국토의 이용에 한 필연 요구이며 그와 더불어 민원 환경

에 한 극 이고 기술 인 책이 요구되고 있다 따라서 용지의 효율

인 이용 환경 훼손 최소화 그리고 경제 인 노선계획 경 과의 조화

등을 해 차 터 의 비 이 커지고 있다

이러한 터 에서는 지반의 안정과 터 의 종방향 아칭효과를 이용하여

양방향 통이 이루어지고 있지만 발 에 의한 암 버력 비산 등은 인 부

의 도로 차량과 민가 등 보안물건에 진동 소음으로 인한 민원이 발

생하며 이와 같은 발 공해로 제기되는 민원들은 공사 수행에 막 한

향을 미친다

이러한 이유에 의해 불가피하게 터 의 한쪽 방향으로 일방향 굴착이

시도되고 있으나 아직은 다수의 사례를 찾기 어렵고 자료축 도 부족한

실정으로 이에 한 연구가 실한 실정이다

- 2 -

12 연구의 목

NATM에서는 지반 자체의 강도를 고려하여 터 내부에서 통시키

는 양방향 통이 주로 수행된다 그러나 터 내부에서 막장을 통시키

고자 하는 경우 굴진방향 반 편 갱구부에서 다시 굴착을 실시해야 하므

로 장상황에 따라 다르기는 하지만 터 굴착 시에 발생되는 소음과 진

동에 의해 커다란 민원의 발생 요인이 된다

따라서 본 연구의 목 은 일방향역굴착에 한 비해석과 장의 실

제 계측치를 비교분석하여 일방향역굴착에서의 효과 인 설계 시공을

한 신뢰성 있는 지반 공학 기 자료를 축 하는 데 있다

13 연구의 범

본 연구의 구성은 총 5장으로 구성되어 있다 제1장은 서론으로 연구의

배경 목 연구의 범 방법 연구의 구성으로 되어있다 제2장은

NATM 터 의 이론 배경 문헌연구로 구성하 다 제3장에서는 사례

장의 자료수집 일방향 역굴착의 특성 사례연구를 정리하고 제4장

에서는 수치해석을 하고 진동 소음에 하여 고찰하 으며 제5장에서

는 연구결과를 정리하여 결론으로 요약하 다

14 연구 방법

터 갱구부에 하여 양방향 굴착(정굴착) 일방향굴착(역굴착)에 따

른 시공단계별 3차원 수치해석을 수행하여 터 주변 지반 터 의 거

동특성 분석과 갱구부 지보패턴의 지보재 부재력을 검토하여 장에서의

- 3 -

실제 계측치와 비교 분석하고 터 굴착시 발생되는 소음 진동의 일

방향 굴착과 양방향 굴착의 장 계측값를 비교 분석하여 일방향 굴착의

진동 소음 감효과를 악 하고 일방향 굴착시 수치해석값과 장계측값

을 비교분석 한다

lt그림1-1gt일방향역굴착연구 Flow Chart

양방향 굴착 일방향 역굴착 시공 단계

연구 상

장자료

3차원

치해

일방향역

굴착

사례분

3차원 치

양방향

굴착과

결과

장계측

진동소

∙지보재 부재력 검토

∙터널주변 지반 거동분

∙터널 거동분

∙양방향 굴착과 지보재 부재력 연구

∙터널 주변 지반 거동 특 연구

∙터널 거동 특 연구

∙ 해

결과 분

∙일방향 역굴

착소 감

효과분

- 4 -

Ⅱ 이론 배경

21 NATM 공법 개요

NATM(New Austrian Tunneling Method)은 오스트리아의 Rabcewicz

가 처음으로 실행한 암반 터 시공법이다 NATM의 요 이론은 암반

이 스스로 지니고 있는 자체 원지반의 지지력을 이용하도록 락볼트로 고

정한 후 크리트 등의 지보재로 보강하여 지반을 안정시킨 후 터 굴착

을 계속하는 시공성이 우수한 굴착방식이다 우리나라에는 1980년 지하

철 건설에 활용되기 시작하여 개착이 어려운 터 공사에 시공되고 있다

NATM 공법은 터 이 단 괴에 기인한다는 이론에서 정립된 공법

으로서 암반의 역학 성질을 이용하여 굴착된 원 지반에 비교 얇은 콘

크리트 라이닝을 설치하므로써 기존의 터 에 비하여 경제 이고 안 성

있는 터 을 구축하는 공법이다

2차 이후 Shotcrete 공법이 성행 되면서 굴착면에 용이하게

Shotcrete 를 타설하게 되므로써 NATM 공법이 한층 더 발 하게 되었

NATM 공법은 터 굴착 후 기에 1차 지보재(Shotcrete)를 타설하여

원지반 암반의 거동을 조기에 정착시키고 Rock bolt를 설치하여 주변지반

이완 방지 암반간의 합효과 등을 기 하며 설치된 계측기의 계측결

과를 분석하여 2차 지보재의 설치 등을 단하면서 경제 이고 안정된 터

을 설치하는 공법이다

- 5 -

22 NATM 공법 특징

NATM 공법의 특징으로는 지질의 변화에 응하기 쉽고 팽창성 지반

토사 지반 암반에서도 시공이 가능하며 지질이 복잡하게 변화하는 장

터 에서도 즉시 변경이 가능하다

한 계측결과에 의하여 지보의 규모를 결정하므로 경제 인 시공이 가능

하고 Shotcrete Rock bolt 등의 1차 지보재에 따라 변형이 안정된 후 2차

라이닝을 타설하므로 라이닝의 두께를 최소화 할 수 있다

특히 NATM 공법은 다른 터 시공법과 비교하면 내구성이 좋고 경제

이며 터 의 선형에 계없이 시공 가능한 특징을 가지고 있다

23 NATM 터 의 특성

231 터 천단부의 지반침하

터 굴착은 어떠한 상황에도 외 없이 지반이완을 가져와 터 주변지

반의 단변형을 유발시키고 소성 역을 확장시키게 된다 이러한 향들

은 터 이 굴진됨에 따라 지 을 거쳐서 차 지표면까지 달되어 지표

면 변 의 형태로 나타난다 터 굴착에 따른 주변지반의 변 는 3차원

으로 발생하기 때문에 수직방향의 침하와 함께 수평변 도 일어나게 된

다 그러나 지반거동에 직 향을 수 있는 가설 구조물이 터 주

변에 치하고 있거나 지표면의 경사가 심한 경우 는 터 단면 좌우

측의 지반조건이 크게 상이한 경우 특수한 경우를 제외하게 되면 터

상부 지반 터 심선이 지나는 지 에서의 지반변 는 수직방향의 침

하형태로 발생하는 것이 보편 이다

- 6 -

232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 3: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

노수동의 공학석사 학 논문을 인 함

2008년 8월 27일

주 심 공 학 박 사 정 두 회 (인)

원 공 학 박 사 김 수 용 (인)

원 농 학 박 사 이 (인)

- iii -

목 차

Ⅰ 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

11 연구의 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

12 연구의 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

13 연구의 범 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

14 연구의 방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

Ⅱ 이론 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21 NATM 공법개요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

22 NATM 공법특징 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

23 NATM 터 의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

231 터 천단부의 지반침하 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

232 터 주변의 지반변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

233 터 막장면 아칭효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

25 문헌연구 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

Ⅲ 자료수집 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

31 자료수집분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

311 주변 지형 지질 황 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

312 설계 황(양방향정굴착) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

313 변경시공계획(일방향역굴착) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

32 일방향역굴착 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

321 터 갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

322 일방향역굴착 시공사례분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

- iv -

Ⅳ 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

41 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

411 수치해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

412 분석결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

42 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

421 천단침하에 한 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

422 지보재응력에 한 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

423 갱구비탈면 변 에 한 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

424 진동 소음 분석 결과 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

Ⅴ 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

참 고 문 헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

- v -

표 목 차

lt표 3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

lt표 3-2gt 갱구부 굴착 계획 지보패턴 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

lt표 3-3gt 갱구부 변경 굴착 계획 지보패턴 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

lt표 3-4gt 터 갱구부 굴착 방향에 따른 특징 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 17

lt표 3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

lt표 3-6gt 일방향 터 막장 붕락 개요도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

lt표 4-1gt 수치해석 기법의 종류 특징 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

lt표 4-2gt 해석범 의 제시 사례 용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

lt표 4-3gt 설계 지반 정수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

lt표 4-4gt 강 다단 그라우 보강 역 용 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

lt표 4-5gt 지보재의 특성치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-6gt 크리트 허용 응력middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-7gt 락볼트 허용축력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-8gt 양방향 굴착시 용패턴 보조공법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

lt표 4-9gt 일방향 굴착 시 용패턴 보조공법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

lt표 4-10gt 시공단계별 천단침하량 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

lt표 4-11gt 일방향 굴착과 양방향 굴착시 진동 소음 측정 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

- vi -

그 림 목 차

lt그림 1-1gt 일방향역굴착연구 Flow Chart middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

lt그림 2-1gt 터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

lt그림 4-1gt 수치 해석의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

lt그림 4-2gt MIDASGTS 해석모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

lt그림 4-3gt 로그램 해석 순서도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

lt그림 4-4gt 강 다단 그라우 보강 개념도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

lt그림 4-5gt 양방향 굴착 해석 순서middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

lt그림 4-6gt 일방향 굴착 해석 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

lt그림 4-7gt 양방향 굴착시 천단변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

lt그림 4-8gt 일방향 굴착시 천단변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 4-9gt 일방향 굴착시 천단변 ( 장실측치) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 4-10gt 크리트 응력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

lt그림 4-11gt 락볼트 축력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

lt그림 4-12gt 갱구 비탈면 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- vii -

The study on the tunnel behavior and stability by

an unidirectional inverse excavation

of NATM tunnel

Su-Dong Roh

Department of Civil Engineering Graduate School of Industry

Pukyong National University

Abstract

In a tunnel excavation work the inside of tunnel is excavated by a

bidirectional excavation using a ground stability and longitudinal

arching effect of a tunnel but recently an unidirectional excavation is

tried to reduce a public grievance and promote effective excavation

But construction cases and study products about the unidirectional

excavation is insufficient

Therefore this research investigated theoretically a stability of the

unidirectional inverse excavation As a result of the three dimensional

numerical analysis in the unidirectional inverse excavation and

bidirectional excavation a crown settlement is similar in the two

conditions that is caused by a ground reinforcement effect using an

umbrella arch method

- viii -

A bending compressive stress of the shotcrete and an axial force of

the rock bolt was shown secure a tunnel stability because a stress of

the shotcrete and rock bolt is within allowable value in all two

methods

An infinitesimal ahead displacement of portal slopes that is in the

limits of stability in general is generated by a tunnel excavation in all

two methods In this research a noise reduction effect of about 15dB

in the unidirectional inverse excavation process shows less than those

of bidirectional method

Keyword

unidirectional inverse excavation bidirectional excavation arching effect

three dimensional numerical analysis stability

- 1 -

Ⅰ 서 론

11 연구의 배경

최근 들어 사회기반시설의 확충에 따라 일반도로 고속도로 일반철

도 고속철도 지하철 도시철도 력구 통신구 공동구 지하 장

시설 등 지하공간개발이 격히 증가되고 있다

이러한 지하공간개발은 국토가 제한되어 있는 국내실정을 고려 할 때

효율 인 국토의 이용에 한 필연 요구이며 그와 더불어 민원 환경

에 한 극 이고 기술 인 책이 요구되고 있다 따라서 용지의 효율

인 이용 환경 훼손 최소화 그리고 경제 인 노선계획 경 과의 조화

등을 해 차 터 의 비 이 커지고 있다

이러한 터 에서는 지반의 안정과 터 의 종방향 아칭효과를 이용하여

양방향 통이 이루어지고 있지만 발 에 의한 암 버력 비산 등은 인 부

의 도로 차량과 민가 등 보안물건에 진동 소음으로 인한 민원이 발

생하며 이와 같은 발 공해로 제기되는 민원들은 공사 수행에 막 한

향을 미친다

이러한 이유에 의해 불가피하게 터 의 한쪽 방향으로 일방향 굴착이

시도되고 있으나 아직은 다수의 사례를 찾기 어렵고 자료축 도 부족한

실정으로 이에 한 연구가 실한 실정이다

- 2 -

12 연구의 목

NATM에서는 지반 자체의 강도를 고려하여 터 내부에서 통시키

는 양방향 통이 주로 수행된다 그러나 터 내부에서 막장을 통시키

고자 하는 경우 굴진방향 반 편 갱구부에서 다시 굴착을 실시해야 하므

로 장상황에 따라 다르기는 하지만 터 굴착 시에 발생되는 소음과 진

동에 의해 커다란 민원의 발생 요인이 된다

따라서 본 연구의 목 은 일방향역굴착에 한 비해석과 장의 실

제 계측치를 비교분석하여 일방향역굴착에서의 효과 인 설계 시공을

한 신뢰성 있는 지반 공학 기 자료를 축 하는 데 있다

13 연구의 범

본 연구의 구성은 총 5장으로 구성되어 있다 제1장은 서론으로 연구의

배경 목 연구의 범 방법 연구의 구성으로 되어있다 제2장은

NATM 터 의 이론 배경 문헌연구로 구성하 다 제3장에서는 사례

장의 자료수집 일방향 역굴착의 특성 사례연구를 정리하고 제4장

에서는 수치해석을 하고 진동 소음에 하여 고찰하 으며 제5장에서

는 연구결과를 정리하여 결론으로 요약하 다

14 연구 방법

터 갱구부에 하여 양방향 굴착(정굴착) 일방향굴착(역굴착)에 따

른 시공단계별 3차원 수치해석을 수행하여 터 주변 지반 터 의 거

동특성 분석과 갱구부 지보패턴의 지보재 부재력을 검토하여 장에서의

- 3 -

실제 계측치와 비교 분석하고 터 굴착시 발생되는 소음 진동의 일

방향 굴착과 양방향 굴착의 장 계측값를 비교 분석하여 일방향 굴착의

진동 소음 감효과를 악 하고 일방향 굴착시 수치해석값과 장계측값

을 비교분석 한다

lt그림1-1gt일방향역굴착연구 Flow Chart

양방향 굴착 일방향 역굴착 시공 단계

연구 상

장자료

3차원

치해

일방향역

굴착

사례분

3차원 치

양방향

굴착과

결과

장계측

진동소

∙지보재 부재력 검토

∙터널주변 지반 거동분

∙터널 거동분

∙양방향 굴착과 지보재 부재력 연구

∙터널 주변 지반 거동 특 연구

∙터널 거동 특 연구

∙ 해

결과 분

∙일방향 역굴

착소 감

효과분

- 4 -

Ⅱ 이론 배경

21 NATM 공법 개요

NATM(New Austrian Tunneling Method)은 오스트리아의 Rabcewicz

가 처음으로 실행한 암반 터 시공법이다 NATM의 요 이론은 암반

이 스스로 지니고 있는 자체 원지반의 지지력을 이용하도록 락볼트로 고

정한 후 크리트 등의 지보재로 보강하여 지반을 안정시킨 후 터 굴착

을 계속하는 시공성이 우수한 굴착방식이다 우리나라에는 1980년 지하

철 건설에 활용되기 시작하여 개착이 어려운 터 공사에 시공되고 있다

NATM 공법은 터 이 단 괴에 기인한다는 이론에서 정립된 공법

으로서 암반의 역학 성질을 이용하여 굴착된 원 지반에 비교 얇은 콘

크리트 라이닝을 설치하므로써 기존의 터 에 비하여 경제 이고 안 성

있는 터 을 구축하는 공법이다

2차 이후 Shotcrete 공법이 성행 되면서 굴착면에 용이하게

Shotcrete 를 타설하게 되므로써 NATM 공법이 한층 더 발 하게 되었

NATM 공법은 터 굴착 후 기에 1차 지보재(Shotcrete)를 타설하여

원지반 암반의 거동을 조기에 정착시키고 Rock bolt를 설치하여 주변지반

이완 방지 암반간의 합효과 등을 기 하며 설치된 계측기의 계측결

과를 분석하여 2차 지보재의 설치 등을 단하면서 경제 이고 안정된 터

을 설치하는 공법이다

- 5 -

22 NATM 공법 특징

NATM 공법의 특징으로는 지질의 변화에 응하기 쉽고 팽창성 지반

토사 지반 암반에서도 시공이 가능하며 지질이 복잡하게 변화하는 장

터 에서도 즉시 변경이 가능하다

한 계측결과에 의하여 지보의 규모를 결정하므로 경제 인 시공이 가능

하고 Shotcrete Rock bolt 등의 1차 지보재에 따라 변형이 안정된 후 2차

라이닝을 타설하므로 라이닝의 두께를 최소화 할 수 있다

특히 NATM 공법은 다른 터 시공법과 비교하면 내구성이 좋고 경제

이며 터 의 선형에 계없이 시공 가능한 특징을 가지고 있다

23 NATM 터 의 특성

231 터 천단부의 지반침하

터 굴착은 어떠한 상황에도 외 없이 지반이완을 가져와 터 주변지

반의 단변형을 유발시키고 소성 역을 확장시키게 된다 이러한 향들

은 터 이 굴진됨에 따라 지 을 거쳐서 차 지표면까지 달되어 지표

면 변 의 형태로 나타난다 터 굴착에 따른 주변지반의 변 는 3차원

으로 발생하기 때문에 수직방향의 침하와 함께 수평변 도 일어나게 된

다 그러나 지반거동에 직 향을 수 있는 가설 구조물이 터 주

변에 치하고 있거나 지표면의 경사가 심한 경우 는 터 단면 좌우

측의 지반조건이 크게 상이한 경우 특수한 경우를 제외하게 되면 터

상부 지반 터 심선이 지나는 지 에서의 지반변 는 수직방향의 침

하형태로 발생하는 것이 보편 이다

- 6 -

232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 4: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- iii -

목 차

Ⅰ 서 론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

11 연구의 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot1

12 연구의 목 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

13 연구의 범 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

14 연구의 방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot2

Ⅱ 이론 배경 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot4

21 NATM 공법개요 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 4

22 NATM 공법특징 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

23 NATM 터 의 특성 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 5

231 터 천단부의 지반침하 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

232 터 주변의 지반변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

233 터 막장면 아칭효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

25 문헌연구 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot8

Ⅲ 자료수집 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

31 자료수집분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

311 주변 지형 지질 황 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot12

312 설계 황(양방향정굴착) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

313 변경시공계획(일방향역굴착) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

32 일방향역굴착 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

321 터 갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot16

322 일방향역굴착 시공사례분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

- iv -

Ⅳ 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

41 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

411 수치해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

412 분석결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

42 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

421 천단침하에 한 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

422 지보재응력에 한 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

423 갱구비탈면 변 에 한 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

424 진동 소음 분석 결과 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

Ⅴ 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

참 고 문 헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

- v -

표 목 차

lt표 3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

lt표 3-2gt 갱구부 굴착 계획 지보패턴 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

lt표 3-3gt 갱구부 변경 굴착 계획 지보패턴 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

lt표 3-4gt 터 갱구부 굴착 방향에 따른 특징 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 17

lt표 3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

lt표 3-6gt 일방향 터 막장 붕락 개요도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

lt표 4-1gt 수치해석 기법의 종류 특징 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

lt표 4-2gt 해석범 의 제시 사례 용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

lt표 4-3gt 설계 지반 정수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

lt표 4-4gt 강 다단 그라우 보강 역 용 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

lt표 4-5gt 지보재의 특성치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-6gt 크리트 허용 응력middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-7gt 락볼트 허용축력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-8gt 양방향 굴착시 용패턴 보조공법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

lt표 4-9gt 일방향 굴착 시 용패턴 보조공법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

lt표 4-10gt 시공단계별 천단침하량 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

lt표 4-11gt 일방향 굴착과 양방향 굴착시 진동 소음 측정 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

- vi -

그 림 목 차

lt그림 1-1gt 일방향역굴착연구 Flow Chart middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

lt그림 2-1gt 터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

lt그림 4-1gt 수치 해석의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

lt그림 4-2gt MIDASGTS 해석모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

lt그림 4-3gt 로그램 해석 순서도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

lt그림 4-4gt 강 다단 그라우 보강 개념도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

lt그림 4-5gt 양방향 굴착 해석 순서middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

lt그림 4-6gt 일방향 굴착 해석 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

lt그림 4-7gt 양방향 굴착시 천단변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

lt그림 4-8gt 일방향 굴착시 천단변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 4-9gt 일방향 굴착시 천단변 ( 장실측치) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 4-10gt 크리트 응력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

lt그림 4-11gt 락볼트 축력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

lt그림 4-12gt 갱구 비탈면 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- vii -

The study on the tunnel behavior and stability by

an unidirectional inverse excavation

of NATM tunnel

Su-Dong Roh

Department of Civil Engineering Graduate School of Industry

Pukyong National University

Abstract

In a tunnel excavation work the inside of tunnel is excavated by a

bidirectional excavation using a ground stability and longitudinal

arching effect of a tunnel but recently an unidirectional excavation is

tried to reduce a public grievance and promote effective excavation

But construction cases and study products about the unidirectional

excavation is insufficient

Therefore this research investigated theoretically a stability of the

unidirectional inverse excavation As a result of the three dimensional

numerical analysis in the unidirectional inverse excavation and

bidirectional excavation a crown settlement is similar in the two

conditions that is caused by a ground reinforcement effect using an

umbrella arch method

- viii -

A bending compressive stress of the shotcrete and an axial force of

the rock bolt was shown secure a tunnel stability because a stress of

the shotcrete and rock bolt is within allowable value in all two

methods

An infinitesimal ahead displacement of portal slopes that is in the

limits of stability in general is generated by a tunnel excavation in all

two methods In this research a noise reduction effect of about 15dB

in the unidirectional inverse excavation process shows less than those

of bidirectional method

Keyword

unidirectional inverse excavation bidirectional excavation arching effect

three dimensional numerical analysis stability

- 1 -

Ⅰ 서 론

11 연구의 배경

최근 들어 사회기반시설의 확충에 따라 일반도로 고속도로 일반철

도 고속철도 지하철 도시철도 력구 통신구 공동구 지하 장

시설 등 지하공간개발이 격히 증가되고 있다

이러한 지하공간개발은 국토가 제한되어 있는 국내실정을 고려 할 때

효율 인 국토의 이용에 한 필연 요구이며 그와 더불어 민원 환경

에 한 극 이고 기술 인 책이 요구되고 있다 따라서 용지의 효율

인 이용 환경 훼손 최소화 그리고 경제 인 노선계획 경 과의 조화

등을 해 차 터 의 비 이 커지고 있다

이러한 터 에서는 지반의 안정과 터 의 종방향 아칭효과를 이용하여

양방향 통이 이루어지고 있지만 발 에 의한 암 버력 비산 등은 인 부

의 도로 차량과 민가 등 보안물건에 진동 소음으로 인한 민원이 발

생하며 이와 같은 발 공해로 제기되는 민원들은 공사 수행에 막 한

향을 미친다

이러한 이유에 의해 불가피하게 터 의 한쪽 방향으로 일방향 굴착이

시도되고 있으나 아직은 다수의 사례를 찾기 어렵고 자료축 도 부족한

실정으로 이에 한 연구가 실한 실정이다

- 2 -

12 연구의 목

NATM에서는 지반 자체의 강도를 고려하여 터 내부에서 통시키

는 양방향 통이 주로 수행된다 그러나 터 내부에서 막장을 통시키

고자 하는 경우 굴진방향 반 편 갱구부에서 다시 굴착을 실시해야 하므

로 장상황에 따라 다르기는 하지만 터 굴착 시에 발생되는 소음과 진

동에 의해 커다란 민원의 발생 요인이 된다

따라서 본 연구의 목 은 일방향역굴착에 한 비해석과 장의 실

제 계측치를 비교분석하여 일방향역굴착에서의 효과 인 설계 시공을

한 신뢰성 있는 지반 공학 기 자료를 축 하는 데 있다

13 연구의 범

본 연구의 구성은 총 5장으로 구성되어 있다 제1장은 서론으로 연구의

배경 목 연구의 범 방법 연구의 구성으로 되어있다 제2장은

NATM 터 의 이론 배경 문헌연구로 구성하 다 제3장에서는 사례

장의 자료수집 일방향 역굴착의 특성 사례연구를 정리하고 제4장

에서는 수치해석을 하고 진동 소음에 하여 고찰하 으며 제5장에서

는 연구결과를 정리하여 결론으로 요약하 다

14 연구 방법

터 갱구부에 하여 양방향 굴착(정굴착) 일방향굴착(역굴착)에 따

른 시공단계별 3차원 수치해석을 수행하여 터 주변 지반 터 의 거

동특성 분석과 갱구부 지보패턴의 지보재 부재력을 검토하여 장에서의

- 3 -

실제 계측치와 비교 분석하고 터 굴착시 발생되는 소음 진동의 일

방향 굴착과 양방향 굴착의 장 계측값를 비교 분석하여 일방향 굴착의

진동 소음 감효과를 악 하고 일방향 굴착시 수치해석값과 장계측값

을 비교분석 한다

lt그림1-1gt일방향역굴착연구 Flow Chart

양방향 굴착 일방향 역굴착 시공 단계

연구 상

장자료

3차원

치해

일방향역

굴착

사례분

3차원 치

양방향

굴착과

결과

장계측

진동소

∙지보재 부재력 검토

∙터널주변 지반 거동분

∙터널 거동분

∙양방향 굴착과 지보재 부재력 연구

∙터널 주변 지반 거동 특 연구

∙터널 거동 특 연구

∙ 해

결과 분

∙일방향 역굴

착소 감

효과분

- 4 -

Ⅱ 이론 배경

21 NATM 공법 개요

NATM(New Austrian Tunneling Method)은 오스트리아의 Rabcewicz

가 처음으로 실행한 암반 터 시공법이다 NATM의 요 이론은 암반

이 스스로 지니고 있는 자체 원지반의 지지력을 이용하도록 락볼트로 고

정한 후 크리트 등의 지보재로 보강하여 지반을 안정시킨 후 터 굴착

을 계속하는 시공성이 우수한 굴착방식이다 우리나라에는 1980년 지하

철 건설에 활용되기 시작하여 개착이 어려운 터 공사에 시공되고 있다

NATM 공법은 터 이 단 괴에 기인한다는 이론에서 정립된 공법

으로서 암반의 역학 성질을 이용하여 굴착된 원 지반에 비교 얇은 콘

크리트 라이닝을 설치하므로써 기존의 터 에 비하여 경제 이고 안 성

있는 터 을 구축하는 공법이다

2차 이후 Shotcrete 공법이 성행 되면서 굴착면에 용이하게

Shotcrete 를 타설하게 되므로써 NATM 공법이 한층 더 발 하게 되었

NATM 공법은 터 굴착 후 기에 1차 지보재(Shotcrete)를 타설하여

원지반 암반의 거동을 조기에 정착시키고 Rock bolt를 설치하여 주변지반

이완 방지 암반간의 합효과 등을 기 하며 설치된 계측기의 계측결

과를 분석하여 2차 지보재의 설치 등을 단하면서 경제 이고 안정된 터

을 설치하는 공법이다

- 5 -

22 NATM 공법 특징

NATM 공법의 특징으로는 지질의 변화에 응하기 쉽고 팽창성 지반

토사 지반 암반에서도 시공이 가능하며 지질이 복잡하게 변화하는 장

터 에서도 즉시 변경이 가능하다

한 계측결과에 의하여 지보의 규모를 결정하므로 경제 인 시공이 가능

하고 Shotcrete Rock bolt 등의 1차 지보재에 따라 변형이 안정된 후 2차

라이닝을 타설하므로 라이닝의 두께를 최소화 할 수 있다

특히 NATM 공법은 다른 터 시공법과 비교하면 내구성이 좋고 경제

이며 터 의 선형에 계없이 시공 가능한 특징을 가지고 있다

23 NATM 터 의 특성

231 터 천단부의 지반침하

터 굴착은 어떠한 상황에도 외 없이 지반이완을 가져와 터 주변지

반의 단변형을 유발시키고 소성 역을 확장시키게 된다 이러한 향들

은 터 이 굴진됨에 따라 지 을 거쳐서 차 지표면까지 달되어 지표

면 변 의 형태로 나타난다 터 굴착에 따른 주변지반의 변 는 3차원

으로 발생하기 때문에 수직방향의 침하와 함께 수평변 도 일어나게 된

다 그러나 지반거동에 직 향을 수 있는 가설 구조물이 터 주

변에 치하고 있거나 지표면의 경사가 심한 경우 는 터 단면 좌우

측의 지반조건이 크게 상이한 경우 특수한 경우를 제외하게 되면 터

상부 지반 터 심선이 지나는 지 에서의 지반변 는 수직방향의 침

하형태로 발생하는 것이 보편 이다

- 6 -

232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 5: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- iv -

Ⅳ 결과 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

41 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

411 수치해석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot20

412 분석결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

42 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

421 천단침하에 한 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

422 지보재응력에 한 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

423 갱구비탈면 변 에 한 고찰 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

424 진동 소음 분석 결과 고찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

Ⅴ 결론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

참 고 문 헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

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표 목 차

lt표 3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

lt표 3-2gt 갱구부 굴착 계획 지보패턴 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

lt표 3-3gt 갱구부 변경 굴착 계획 지보패턴 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

lt표 3-4gt 터 갱구부 굴착 방향에 따른 특징 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 17

lt표 3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

lt표 3-6gt 일방향 터 막장 붕락 개요도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

lt표 4-1gt 수치해석 기법의 종류 특징 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

lt표 4-2gt 해석범 의 제시 사례 용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

lt표 4-3gt 설계 지반 정수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

lt표 4-4gt 강 다단 그라우 보강 역 용 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

lt표 4-5gt 지보재의 특성치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-6gt 크리트 허용 응력middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-7gt 락볼트 허용축력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-8gt 양방향 굴착시 용패턴 보조공법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

lt표 4-9gt 일방향 굴착 시 용패턴 보조공법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

lt표 4-10gt 시공단계별 천단침하량 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

lt표 4-11gt 일방향 굴착과 양방향 굴착시 진동 소음 측정 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

- vi -

그 림 목 차

lt그림 1-1gt 일방향역굴착연구 Flow Chart middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

lt그림 2-1gt 터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

lt그림 4-1gt 수치 해석의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

lt그림 4-2gt MIDASGTS 해석모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

lt그림 4-3gt 로그램 해석 순서도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

lt그림 4-4gt 강 다단 그라우 보강 개념도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

lt그림 4-5gt 양방향 굴착 해석 순서middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

lt그림 4-6gt 일방향 굴착 해석 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

lt그림 4-7gt 양방향 굴착시 천단변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

lt그림 4-8gt 일방향 굴착시 천단변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 4-9gt 일방향 굴착시 천단변 ( 장실측치) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 4-10gt 크리트 응력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

lt그림 4-11gt 락볼트 축력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

lt그림 4-12gt 갱구 비탈면 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- vii -

The study on the tunnel behavior and stability by

an unidirectional inverse excavation

of NATM tunnel

Su-Dong Roh

Department of Civil Engineering Graduate School of Industry

Pukyong National University

Abstract

In a tunnel excavation work the inside of tunnel is excavated by a

bidirectional excavation using a ground stability and longitudinal

arching effect of a tunnel but recently an unidirectional excavation is

tried to reduce a public grievance and promote effective excavation

But construction cases and study products about the unidirectional

excavation is insufficient

Therefore this research investigated theoretically a stability of the

unidirectional inverse excavation As a result of the three dimensional

numerical analysis in the unidirectional inverse excavation and

bidirectional excavation a crown settlement is similar in the two

conditions that is caused by a ground reinforcement effect using an

umbrella arch method

- viii -

A bending compressive stress of the shotcrete and an axial force of

the rock bolt was shown secure a tunnel stability because a stress of

the shotcrete and rock bolt is within allowable value in all two

methods

An infinitesimal ahead displacement of portal slopes that is in the

limits of stability in general is generated by a tunnel excavation in all

two methods In this research a noise reduction effect of about 15dB

in the unidirectional inverse excavation process shows less than those

of bidirectional method

Keyword

unidirectional inverse excavation bidirectional excavation arching effect

three dimensional numerical analysis stability

- 1 -

Ⅰ 서 론

11 연구의 배경

최근 들어 사회기반시설의 확충에 따라 일반도로 고속도로 일반철

도 고속철도 지하철 도시철도 력구 통신구 공동구 지하 장

시설 등 지하공간개발이 격히 증가되고 있다

이러한 지하공간개발은 국토가 제한되어 있는 국내실정을 고려 할 때

효율 인 국토의 이용에 한 필연 요구이며 그와 더불어 민원 환경

에 한 극 이고 기술 인 책이 요구되고 있다 따라서 용지의 효율

인 이용 환경 훼손 최소화 그리고 경제 인 노선계획 경 과의 조화

등을 해 차 터 의 비 이 커지고 있다

이러한 터 에서는 지반의 안정과 터 의 종방향 아칭효과를 이용하여

양방향 통이 이루어지고 있지만 발 에 의한 암 버력 비산 등은 인 부

의 도로 차량과 민가 등 보안물건에 진동 소음으로 인한 민원이 발

생하며 이와 같은 발 공해로 제기되는 민원들은 공사 수행에 막 한

향을 미친다

이러한 이유에 의해 불가피하게 터 의 한쪽 방향으로 일방향 굴착이

시도되고 있으나 아직은 다수의 사례를 찾기 어렵고 자료축 도 부족한

실정으로 이에 한 연구가 실한 실정이다

- 2 -

12 연구의 목

NATM에서는 지반 자체의 강도를 고려하여 터 내부에서 통시키

는 양방향 통이 주로 수행된다 그러나 터 내부에서 막장을 통시키

고자 하는 경우 굴진방향 반 편 갱구부에서 다시 굴착을 실시해야 하므

로 장상황에 따라 다르기는 하지만 터 굴착 시에 발생되는 소음과 진

동에 의해 커다란 민원의 발생 요인이 된다

따라서 본 연구의 목 은 일방향역굴착에 한 비해석과 장의 실

제 계측치를 비교분석하여 일방향역굴착에서의 효과 인 설계 시공을

한 신뢰성 있는 지반 공학 기 자료를 축 하는 데 있다

13 연구의 범

본 연구의 구성은 총 5장으로 구성되어 있다 제1장은 서론으로 연구의

배경 목 연구의 범 방법 연구의 구성으로 되어있다 제2장은

NATM 터 의 이론 배경 문헌연구로 구성하 다 제3장에서는 사례

장의 자료수집 일방향 역굴착의 특성 사례연구를 정리하고 제4장

에서는 수치해석을 하고 진동 소음에 하여 고찰하 으며 제5장에서

는 연구결과를 정리하여 결론으로 요약하 다

14 연구 방법

터 갱구부에 하여 양방향 굴착(정굴착) 일방향굴착(역굴착)에 따

른 시공단계별 3차원 수치해석을 수행하여 터 주변 지반 터 의 거

동특성 분석과 갱구부 지보패턴의 지보재 부재력을 검토하여 장에서의

- 3 -

실제 계측치와 비교 분석하고 터 굴착시 발생되는 소음 진동의 일

방향 굴착과 양방향 굴착의 장 계측값를 비교 분석하여 일방향 굴착의

진동 소음 감효과를 악 하고 일방향 굴착시 수치해석값과 장계측값

을 비교분석 한다

lt그림1-1gt일방향역굴착연구 Flow Chart

양방향 굴착 일방향 역굴착 시공 단계

연구 상

장자료

3차원

치해

일방향역

굴착

사례분

3차원 치

양방향

굴착과

결과

장계측

진동소

∙지보재 부재력 검토

∙터널주변 지반 거동분

∙터널 거동분

∙양방향 굴착과 지보재 부재력 연구

∙터널 주변 지반 거동 특 연구

∙터널 거동 특 연구

∙ 해

결과 분

∙일방향 역굴

착소 감

효과분

- 4 -

Ⅱ 이론 배경

21 NATM 공법 개요

NATM(New Austrian Tunneling Method)은 오스트리아의 Rabcewicz

가 처음으로 실행한 암반 터 시공법이다 NATM의 요 이론은 암반

이 스스로 지니고 있는 자체 원지반의 지지력을 이용하도록 락볼트로 고

정한 후 크리트 등의 지보재로 보강하여 지반을 안정시킨 후 터 굴착

을 계속하는 시공성이 우수한 굴착방식이다 우리나라에는 1980년 지하

철 건설에 활용되기 시작하여 개착이 어려운 터 공사에 시공되고 있다

NATM 공법은 터 이 단 괴에 기인한다는 이론에서 정립된 공법

으로서 암반의 역학 성질을 이용하여 굴착된 원 지반에 비교 얇은 콘

크리트 라이닝을 설치하므로써 기존의 터 에 비하여 경제 이고 안 성

있는 터 을 구축하는 공법이다

2차 이후 Shotcrete 공법이 성행 되면서 굴착면에 용이하게

Shotcrete 를 타설하게 되므로써 NATM 공법이 한층 더 발 하게 되었

NATM 공법은 터 굴착 후 기에 1차 지보재(Shotcrete)를 타설하여

원지반 암반의 거동을 조기에 정착시키고 Rock bolt를 설치하여 주변지반

이완 방지 암반간의 합효과 등을 기 하며 설치된 계측기의 계측결

과를 분석하여 2차 지보재의 설치 등을 단하면서 경제 이고 안정된 터

을 설치하는 공법이다

- 5 -

22 NATM 공법 특징

NATM 공법의 특징으로는 지질의 변화에 응하기 쉽고 팽창성 지반

토사 지반 암반에서도 시공이 가능하며 지질이 복잡하게 변화하는 장

터 에서도 즉시 변경이 가능하다

한 계측결과에 의하여 지보의 규모를 결정하므로 경제 인 시공이 가능

하고 Shotcrete Rock bolt 등의 1차 지보재에 따라 변형이 안정된 후 2차

라이닝을 타설하므로 라이닝의 두께를 최소화 할 수 있다

특히 NATM 공법은 다른 터 시공법과 비교하면 내구성이 좋고 경제

이며 터 의 선형에 계없이 시공 가능한 특징을 가지고 있다

23 NATM 터 의 특성

231 터 천단부의 지반침하

터 굴착은 어떠한 상황에도 외 없이 지반이완을 가져와 터 주변지

반의 단변형을 유발시키고 소성 역을 확장시키게 된다 이러한 향들

은 터 이 굴진됨에 따라 지 을 거쳐서 차 지표면까지 달되어 지표

면 변 의 형태로 나타난다 터 굴착에 따른 주변지반의 변 는 3차원

으로 발생하기 때문에 수직방향의 침하와 함께 수평변 도 일어나게 된

다 그러나 지반거동에 직 향을 수 있는 가설 구조물이 터 주

변에 치하고 있거나 지표면의 경사가 심한 경우 는 터 단면 좌우

측의 지반조건이 크게 상이한 경우 특수한 경우를 제외하게 되면 터

상부 지반 터 심선이 지나는 지 에서의 지반변 는 수직방향의 침

하형태로 발생하는 것이 보편 이다

- 6 -

232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 6: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- v -

표 목 차

lt표 3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot13

lt표 3-2gt 갱구부 굴착 계획 지보패턴 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

lt표 3-3gt 갱구부 변경 굴착 계획 지보패턴 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

lt표 3-4gt 터 갱구부 굴착 방향에 따른 특징 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 17

lt표 3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

lt표 3-6gt 일방향 터 막장 붕락 개요도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot19

lt표 4-1gt 수치해석 기법의 종류 특징 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot24

lt표 4-2gt 해석범 의 제시 사례 용middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot26

lt표 4-3gt 설계 지반 정수 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

lt표 4-4gt 강 다단 그라우 보강 역 용 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot 28

lt표 4-5gt 지보재의 특성치 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-6gt 크리트 허용 응력middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-7gt 락볼트 허용축력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

lt표 4-8gt 양방향 굴착시 용패턴 보조공법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

lt표 4-9gt 일방향 굴착 시 용패턴 보조공법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

lt표 4-10gt 시공단계별 천단침하량 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

lt표 4-11gt 일방향 굴착과 양방향 굴착시 진동 소음 측정 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

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그 림 목 차

lt그림 1-1gt 일방향역굴착연구 Flow Chart middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

lt그림 2-1gt 터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

lt그림 4-1gt 수치 해석의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

lt그림 4-2gt MIDASGTS 해석모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

lt그림 4-3gt 로그램 해석 순서도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

lt그림 4-4gt 강 다단 그라우 보강 개념도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

lt그림 4-5gt 양방향 굴착 해석 순서middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

lt그림 4-6gt 일방향 굴착 해석 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

lt그림 4-7gt 양방향 굴착시 천단변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

lt그림 4-8gt 일방향 굴착시 천단변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 4-9gt 일방향 굴착시 천단변 ( 장실측치) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 4-10gt 크리트 응력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

lt그림 4-11gt 락볼트 축력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

lt그림 4-12gt 갱구 비탈면 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- vii -

The study on the tunnel behavior and stability by

an unidirectional inverse excavation

of NATM tunnel

Su-Dong Roh

Department of Civil Engineering Graduate School of Industry

Pukyong National University

Abstract

In a tunnel excavation work the inside of tunnel is excavated by a

bidirectional excavation using a ground stability and longitudinal

arching effect of a tunnel but recently an unidirectional excavation is

tried to reduce a public grievance and promote effective excavation

But construction cases and study products about the unidirectional

excavation is insufficient

Therefore this research investigated theoretically a stability of the

unidirectional inverse excavation As a result of the three dimensional

numerical analysis in the unidirectional inverse excavation and

bidirectional excavation a crown settlement is similar in the two

conditions that is caused by a ground reinforcement effect using an

umbrella arch method

- viii -

A bending compressive stress of the shotcrete and an axial force of

the rock bolt was shown secure a tunnel stability because a stress of

the shotcrete and rock bolt is within allowable value in all two

methods

An infinitesimal ahead displacement of portal slopes that is in the

limits of stability in general is generated by a tunnel excavation in all

two methods In this research a noise reduction effect of about 15dB

in the unidirectional inverse excavation process shows less than those

of bidirectional method

Keyword

unidirectional inverse excavation bidirectional excavation arching effect

three dimensional numerical analysis stability

- 1 -

Ⅰ 서 론

11 연구의 배경

최근 들어 사회기반시설의 확충에 따라 일반도로 고속도로 일반철

도 고속철도 지하철 도시철도 력구 통신구 공동구 지하 장

시설 등 지하공간개발이 격히 증가되고 있다

이러한 지하공간개발은 국토가 제한되어 있는 국내실정을 고려 할 때

효율 인 국토의 이용에 한 필연 요구이며 그와 더불어 민원 환경

에 한 극 이고 기술 인 책이 요구되고 있다 따라서 용지의 효율

인 이용 환경 훼손 최소화 그리고 경제 인 노선계획 경 과의 조화

등을 해 차 터 의 비 이 커지고 있다

이러한 터 에서는 지반의 안정과 터 의 종방향 아칭효과를 이용하여

양방향 통이 이루어지고 있지만 발 에 의한 암 버력 비산 등은 인 부

의 도로 차량과 민가 등 보안물건에 진동 소음으로 인한 민원이 발

생하며 이와 같은 발 공해로 제기되는 민원들은 공사 수행에 막 한

향을 미친다

이러한 이유에 의해 불가피하게 터 의 한쪽 방향으로 일방향 굴착이

시도되고 있으나 아직은 다수의 사례를 찾기 어렵고 자료축 도 부족한

실정으로 이에 한 연구가 실한 실정이다

- 2 -

12 연구의 목

NATM에서는 지반 자체의 강도를 고려하여 터 내부에서 통시키

는 양방향 통이 주로 수행된다 그러나 터 내부에서 막장을 통시키

고자 하는 경우 굴진방향 반 편 갱구부에서 다시 굴착을 실시해야 하므

로 장상황에 따라 다르기는 하지만 터 굴착 시에 발생되는 소음과 진

동에 의해 커다란 민원의 발생 요인이 된다

따라서 본 연구의 목 은 일방향역굴착에 한 비해석과 장의 실

제 계측치를 비교분석하여 일방향역굴착에서의 효과 인 설계 시공을

한 신뢰성 있는 지반 공학 기 자료를 축 하는 데 있다

13 연구의 범

본 연구의 구성은 총 5장으로 구성되어 있다 제1장은 서론으로 연구의

배경 목 연구의 범 방법 연구의 구성으로 되어있다 제2장은

NATM 터 의 이론 배경 문헌연구로 구성하 다 제3장에서는 사례

장의 자료수집 일방향 역굴착의 특성 사례연구를 정리하고 제4장

에서는 수치해석을 하고 진동 소음에 하여 고찰하 으며 제5장에서

는 연구결과를 정리하여 결론으로 요약하 다

14 연구 방법

터 갱구부에 하여 양방향 굴착(정굴착) 일방향굴착(역굴착)에 따

른 시공단계별 3차원 수치해석을 수행하여 터 주변 지반 터 의 거

동특성 분석과 갱구부 지보패턴의 지보재 부재력을 검토하여 장에서의

- 3 -

실제 계측치와 비교 분석하고 터 굴착시 발생되는 소음 진동의 일

방향 굴착과 양방향 굴착의 장 계측값를 비교 분석하여 일방향 굴착의

진동 소음 감효과를 악 하고 일방향 굴착시 수치해석값과 장계측값

을 비교분석 한다

lt그림1-1gt일방향역굴착연구 Flow Chart

양방향 굴착 일방향 역굴착 시공 단계

연구 상

장자료

3차원

치해

일방향역

굴착

사례분

3차원 치

양방향

굴착과

결과

장계측

진동소

∙지보재 부재력 검토

∙터널주변 지반 거동분

∙터널 거동분

∙양방향 굴착과 지보재 부재력 연구

∙터널 주변 지반 거동 특 연구

∙터널 거동 특 연구

∙ 해

결과 분

∙일방향 역굴

착소 감

효과분

- 4 -

Ⅱ 이론 배경

21 NATM 공법 개요

NATM(New Austrian Tunneling Method)은 오스트리아의 Rabcewicz

가 처음으로 실행한 암반 터 시공법이다 NATM의 요 이론은 암반

이 스스로 지니고 있는 자체 원지반의 지지력을 이용하도록 락볼트로 고

정한 후 크리트 등의 지보재로 보강하여 지반을 안정시킨 후 터 굴착

을 계속하는 시공성이 우수한 굴착방식이다 우리나라에는 1980년 지하

철 건설에 활용되기 시작하여 개착이 어려운 터 공사에 시공되고 있다

NATM 공법은 터 이 단 괴에 기인한다는 이론에서 정립된 공법

으로서 암반의 역학 성질을 이용하여 굴착된 원 지반에 비교 얇은 콘

크리트 라이닝을 설치하므로써 기존의 터 에 비하여 경제 이고 안 성

있는 터 을 구축하는 공법이다

2차 이후 Shotcrete 공법이 성행 되면서 굴착면에 용이하게

Shotcrete 를 타설하게 되므로써 NATM 공법이 한층 더 발 하게 되었

NATM 공법은 터 굴착 후 기에 1차 지보재(Shotcrete)를 타설하여

원지반 암반의 거동을 조기에 정착시키고 Rock bolt를 설치하여 주변지반

이완 방지 암반간의 합효과 등을 기 하며 설치된 계측기의 계측결

과를 분석하여 2차 지보재의 설치 등을 단하면서 경제 이고 안정된 터

을 설치하는 공법이다

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22 NATM 공법 특징

NATM 공법의 특징으로는 지질의 변화에 응하기 쉽고 팽창성 지반

토사 지반 암반에서도 시공이 가능하며 지질이 복잡하게 변화하는 장

터 에서도 즉시 변경이 가능하다

한 계측결과에 의하여 지보의 규모를 결정하므로 경제 인 시공이 가능

하고 Shotcrete Rock bolt 등의 1차 지보재에 따라 변형이 안정된 후 2차

라이닝을 타설하므로 라이닝의 두께를 최소화 할 수 있다

특히 NATM 공법은 다른 터 시공법과 비교하면 내구성이 좋고 경제

이며 터 의 선형에 계없이 시공 가능한 특징을 가지고 있다

23 NATM 터 의 특성

231 터 천단부의 지반침하

터 굴착은 어떠한 상황에도 외 없이 지반이완을 가져와 터 주변지

반의 단변형을 유발시키고 소성 역을 확장시키게 된다 이러한 향들

은 터 이 굴진됨에 따라 지 을 거쳐서 차 지표면까지 달되어 지표

면 변 의 형태로 나타난다 터 굴착에 따른 주변지반의 변 는 3차원

으로 발생하기 때문에 수직방향의 침하와 함께 수평변 도 일어나게 된

다 그러나 지반거동에 직 향을 수 있는 가설 구조물이 터 주

변에 치하고 있거나 지표면의 경사가 심한 경우 는 터 단면 좌우

측의 지반조건이 크게 상이한 경우 특수한 경우를 제외하게 되면 터

상부 지반 터 심선이 지나는 지 에서의 지반변 는 수직방향의 침

하형태로 발생하는 것이 보편 이다

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232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

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lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

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24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

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다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 7: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- vi -

그 림 목 차

lt그림 1-1gt 일방향역굴착연구 Flow Chart middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

lt그림 2-1gt 터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot7

lt그림 4-1gt 수치 해석의 종류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

lt그림 4-2gt MIDASGTS 해석모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot23

lt그림 4-3gt 로그램 해석 순서도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot25

lt그림 4-4gt 강 다단 그라우 보강 개념도middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

lt그림 4-5gt 양방향 굴착 해석 순서middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

lt그림 4-6gt 일방향 굴착 해석 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

lt그림 4-7gt 양방향 굴착시 천단변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

lt그림 4-8gt 일방향 굴착시 천단변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 4-9gt 일방향 굴착시 천단변 ( 장실측치) middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

lt그림 4-10gt 크리트 응력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

lt그림 4-11gt 락볼트 축력 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot38

lt그림 4-12gt 갱구 비탈면 변 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- vii -

The study on the tunnel behavior and stability by

an unidirectional inverse excavation

of NATM tunnel

Su-Dong Roh

Department of Civil Engineering Graduate School of Industry

Pukyong National University

Abstract

In a tunnel excavation work the inside of tunnel is excavated by a

bidirectional excavation using a ground stability and longitudinal

arching effect of a tunnel but recently an unidirectional excavation is

tried to reduce a public grievance and promote effective excavation

But construction cases and study products about the unidirectional

excavation is insufficient

Therefore this research investigated theoretically a stability of the

unidirectional inverse excavation As a result of the three dimensional

numerical analysis in the unidirectional inverse excavation and

bidirectional excavation a crown settlement is similar in the two

conditions that is caused by a ground reinforcement effect using an

umbrella arch method

- viii -

A bending compressive stress of the shotcrete and an axial force of

the rock bolt was shown secure a tunnel stability because a stress of

the shotcrete and rock bolt is within allowable value in all two

methods

An infinitesimal ahead displacement of portal slopes that is in the

limits of stability in general is generated by a tunnel excavation in all

two methods In this research a noise reduction effect of about 15dB

in the unidirectional inverse excavation process shows less than those

of bidirectional method

Keyword

unidirectional inverse excavation bidirectional excavation arching effect

three dimensional numerical analysis stability

- 1 -

Ⅰ 서 론

11 연구의 배경

최근 들어 사회기반시설의 확충에 따라 일반도로 고속도로 일반철

도 고속철도 지하철 도시철도 력구 통신구 공동구 지하 장

시설 등 지하공간개발이 격히 증가되고 있다

이러한 지하공간개발은 국토가 제한되어 있는 국내실정을 고려 할 때

효율 인 국토의 이용에 한 필연 요구이며 그와 더불어 민원 환경

에 한 극 이고 기술 인 책이 요구되고 있다 따라서 용지의 효율

인 이용 환경 훼손 최소화 그리고 경제 인 노선계획 경 과의 조화

등을 해 차 터 의 비 이 커지고 있다

이러한 터 에서는 지반의 안정과 터 의 종방향 아칭효과를 이용하여

양방향 통이 이루어지고 있지만 발 에 의한 암 버력 비산 등은 인 부

의 도로 차량과 민가 등 보안물건에 진동 소음으로 인한 민원이 발

생하며 이와 같은 발 공해로 제기되는 민원들은 공사 수행에 막 한

향을 미친다

이러한 이유에 의해 불가피하게 터 의 한쪽 방향으로 일방향 굴착이

시도되고 있으나 아직은 다수의 사례를 찾기 어렵고 자료축 도 부족한

실정으로 이에 한 연구가 실한 실정이다

- 2 -

12 연구의 목

NATM에서는 지반 자체의 강도를 고려하여 터 내부에서 통시키

는 양방향 통이 주로 수행된다 그러나 터 내부에서 막장을 통시키

고자 하는 경우 굴진방향 반 편 갱구부에서 다시 굴착을 실시해야 하므

로 장상황에 따라 다르기는 하지만 터 굴착 시에 발생되는 소음과 진

동에 의해 커다란 민원의 발생 요인이 된다

따라서 본 연구의 목 은 일방향역굴착에 한 비해석과 장의 실

제 계측치를 비교분석하여 일방향역굴착에서의 효과 인 설계 시공을

한 신뢰성 있는 지반 공학 기 자료를 축 하는 데 있다

13 연구의 범

본 연구의 구성은 총 5장으로 구성되어 있다 제1장은 서론으로 연구의

배경 목 연구의 범 방법 연구의 구성으로 되어있다 제2장은

NATM 터 의 이론 배경 문헌연구로 구성하 다 제3장에서는 사례

장의 자료수집 일방향 역굴착의 특성 사례연구를 정리하고 제4장

에서는 수치해석을 하고 진동 소음에 하여 고찰하 으며 제5장에서

는 연구결과를 정리하여 결론으로 요약하 다

14 연구 방법

터 갱구부에 하여 양방향 굴착(정굴착) 일방향굴착(역굴착)에 따

른 시공단계별 3차원 수치해석을 수행하여 터 주변 지반 터 의 거

동특성 분석과 갱구부 지보패턴의 지보재 부재력을 검토하여 장에서의

- 3 -

실제 계측치와 비교 분석하고 터 굴착시 발생되는 소음 진동의 일

방향 굴착과 양방향 굴착의 장 계측값를 비교 분석하여 일방향 굴착의

진동 소음 감효과를 악 하고 일방향 굴착시 수치해석값과 장계측값

을 비교분석 한다

lt그림1-1gt일방향역굴착연구 Flow Chart

양방향 굴착 일방향 역굴착 시공 단계

연구 상

장자료

3차원

치해

일방향역

굴착

사례분

3차원 치

양방향

굴착과

결과

장계측

진동소

∙지보재 부재력 검토

∙터널주변 지반 거동분

∙터널 거동분

∙양방향 굴착과 지보재 부재력 연구

∙터널 주변 지반 거동 특 연구

∙터널 거동 특 연구

∙ 해

결과 분

∙일방향 역굴

착소 감

효과분

- 4 -

Ⅱ 이론 배경

21 NATM 공법 개요

NATM(New Austrian Tunneling Method)은 오스트리아의 Rabcewicz

가 처음으로 실행한 암반 터 시공법이다 NATM의 요 이론은 암반

이 스스로 지니고 있는 자체 원지반의 지지력을 이용하도록 락볼트로 고

정한 후 크리트 등의 지보재로 보강하여 지반을 안정시킨 후 터 굴착

을 계속하는 시공성이 우수한 굴착방식이다 우리나라에는 1980년 지하

철 건설에 활용되기 시작하여 개착이 어려운 터 공사에 시공되고 있다

NATM 공법은 터 이 단 괴에 기인한다는 이론에서 정립된 공법

으로서 암반의 역학 성질을 이용하여 굴착된 원 지반에 비교 얇은 콘

크리트 라이닝을 설치하므로써 기존의 터 에 비하여 경제 이고 안 성

있는 터 을 구축하는 공법이다

2차 이후 Shotcrete 공법이 성행 되면서 굴착면에 용이하게

Shotcrete 를 타설하게 되므로써 NATM 공법이 한층 더 발 하게 되었

NATM 공법은 터 굴착 후 기에 1차 지보재(Shotcrete)를 타설하여

원지반 암반의 거동을 조기에 정착시키고 Rock bolt를 설치하여 주변지반

이완 방지 암반간의 합효과 등을 기 하며 설치된 계측기의 계측결

과를 분석하여 2차 지보재의 설치 등을 단하면서 경제 이고 안정된 터

을 설치하는 공법이다

- 5 -

22 NATM 공법 특징

NATM 공법의 특징으로는 지질의 변화에 응하기 쉽고 팽창성 지반

토사 지반 암반에서도 시공이 가능하며 지질이 복잡하게 변화하는 장

터 에서도 즉시 변경이 가능하다

한 계측결과에 의하여 지보의 규모를 결정하므로 경제 인 시공이 가능

하고 Shotcrete Rock bolt 등의 1차 지보재에 따라 변형이 안정된 후 2차

라이닝을 타설하므로 라이닝의 두께를 최소화 할 수 있다

특히 NATM 공법은 다른 터 시공법과 비교하면 내구성이 좋고 경제

이며 터 의 선형에 계없이 시공 가능한 특징을 가지고 있다

23 NATM 터 의 특성

231 터 천단부의 지반침하

터 굴착은 어떠한 상황에도 외 없이 지반이완을 가져와 터 주변지

반의 단변형을 유발시키고 소성 역을 확장시키게 된다 이러한 향들

은 터 이 굴진됨에 따라 지 을 거쳐서 차 지표면까지 달되어 지표

면 변 의 형태로 나타난다 터 굴착에 따른 주변지반의 변 는 3차원

으로 발생하기 때문에 수직방향의 침하와 함께 수평변 도 일어나게 된

다 그러나 지반거동에 직 향을 수 있는 가설 구조물이 터 주

변에 치하고 있거나 지표면의 경사가 심한 경우 는 터 단면 좌우

측의 지반조건이 크게 상이한 경우 특수한 경우를 제외하게 되면 터

상부 지반 터 심선이 지나는 지 에서의 지반변 는 수직방향의 침

하형태로 발생하는 것이 보편 이다

- 6 -

232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 8: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- vii -

The study on the tunnel behavior and stability by

an unidirectional inverse excavation

of NATM tunnel

Su-Dong Roh

Department of Civil Engineering Graduate School of Industry

Pukyong National University

Abstract

In a tunnel excavation work the inside of tunnel is excavated by a

bidirectional excavation using a ground stability and longitudinal

arching effect of a tunnel but recently an unidirectional excavation is

tried to reduce a public grievance and promote effective excavation

But construction cases and study products about the unidirectional

excavation is insufficient

Therefore this research investigated theoretically a stability of the

unidirectional inverse excavation As a result of the three dimensional

numerical analysis in the unidirectional inverse excavation and

bidirectional excavation a crown settlement is similar in the two

conditions that is caused by a ground reinforcement effect using an

umbrella arch method

- viii -

A bending compressive stress of the shotcrete and an axial force of

the rock bolt was shown secure a tunnel stability because a stress of

the shotcrete and rock bolt is within allowable value in all two

methods

An infinitesimal ahead displacement of portal slopes that is in the

limits of stability in general is generated by a tunnel excavation in all

two methods In this research a noise reduction effect of about 15dB

in the unidirectional inverse excavation process shows less than those

of bidirectional method

Keyword

unidirectional inverse excavation bidirectional excavation arching effect

three dimensional numerical analysis stability

- 1 -

Ⅰ 서 론

11 연구의 배경

최근 들어 사회기반시설의 확충에 따라 일반도로 고속도로 일반철

도 고속철도 지하철 도시철도 력구 통신구 공동구 지하 장

시설 등 지하공간개발이 격히 증가되고 있다

이러한 지하공간개발은 국토가 제한되어 있는 국내실정을 고려 할 때

효율 인 국토의 이용에 한 필연 요구이며 그와 더불어 민원 환경

에 한 극 이고 기술 인 책이 요구되고 있다 따라서 용지의 효율

인 이용 환경 훼손 최소화 그리고 경제 인 노선계획 경 과의 조화

등을 해 차 터 의 비 이 커지고 있다

이러한 터 에서는 지반의 안정과 터 의 종방향 아칭효과를 이용하여

양방향 통이 이루어지고 있지만 발 에 의한 암 버력 비산 등은 인 부

의 도로 차량과 민가 등 보안물건에 진동 소음으로 인한 민원이 발

생하며 이와 같은 발 공해로 제기되는 민원들은 공사 수행에 막 한

향을 미친다

이러한 이유에 의해 불가피하게 터 의 한쪽 방향으로 일방향 굴착이

시도되고 있으나 아직은 다수의 사례를 찾기 어렵고 자료축 도 부족한

실정으로 이에 한 연구가 실한 실정이다

- 2 -

12 연구의 목

NATM에서는 지반 자체의 강도를 고려하여 터 내부에서 통시키

는 양방향 통이 주로 수행된다 그러나 터 내부에서 막장을 통시키

고자 하는 경우 굴진방향 반 편 갱구부에서 다시 굴착을 실시해야 하므

로 장상황에 따라 다르기는 하지만 터 굴착 시에 발생되는 소음과 진

동에 의해 커다란 민원의 발생 요인이 된다

따라서 본 연구의 목 은 일방향역굴착에 한 비해석과 장의 실

제 계측치를 비교분석하여 일방향역굴착에서의 효과 인 설계 시공을

한 신뢰성 있는 지반 공학 기 자료를 축 하는 데 있다

13 연구의 범

본 연구의 구성은 총 5장으로 구성되어 있다 제1장은 서론으로 연구의

배경 목 연구의 범 방법 연구의 구성으로 되어있다 제2장은

NATM 터 의 이론 배경 문헌연구로 구성하 다 제3장에서는 사례

장의 자료수집 일방향 역굴착의 특성 사례연구를 정리하고 제4장

에서는 수치해석을 하고 진동 소음에 하여 고찰하 으며 제5장에서

는 연구결과를 정리하여 결론으로 요약하 다

14 연구 방법

터 갱구부에 하여 양방향 굴착(정굴착) 일방향굴착(역굴착)에 따

른 시공단계별 3차원 수치해석을 수행하여 터 주변 지반 터 의 거

동특성 분석과 갱구부 지보패턴의 지보재 부재력을 검토하여 장에서의

- 3 -

실제 계측치와 비교 분석하고 터 굴착시 발생되는 소음 진동의 일

방향 굴착과 양방향 굴착의 장 계측값를 비교 분석하여 일방향 굴착의

진동 소음 감효과를 악 하고 일방향 굴착시 수치해석값과 장계측값

을 비교분석 한다

lt그림1-1gt일방향역굴착연구 Flow Chart

양방향 굴착 일방향 역굴착 시공 단계

연구 상

장자료

3차원

치해

일방향역

굴착

사례분

3차원 치

양방향

굴착과

결과

장계측

진동소

∙지보재 부재력 검토

∙터널주변 지반 거동분

∙터널 거동분

∙양방향 굴착과 지보재 부재력 연구

∙터널 주변 지반 거동 특 연구

∙터널 거동 특 연구

∙ 해

결과 분

∙일방향 역굴

착소 감

효과분

- 4 -

Ⅱ 이론 배경

21 NATM 공법 개요

NATM(New Austrian Tunneling Method)은 오스트리아의 Rabcewicz

가 처음으로 실행한 암반 터 시공법이다 NATM의 요 이론은 암반

이 스스로 지니고 있는 자체 원지반의 지지력을 이용하도록 락볼트로 고

정한 후 크리트 등의 지보재로 보강하여 지반을 안정시킨 후 터 굴착

을 계속하는 시공성이 우수한 굴착방식이다 우리나라에는 1980년 지하

철 건설에 활용되기 시작하여 개착이 어려운 터 공사에 시공되고 있다

NATM 공법은 터 이 단 괴에 기인한다는 이론에서 정립된 공법

으로서 암반의 역학 성질을 이용하여 굴착된 원 지반에 비교 얇은 콘

크리트 라이닝을 설치하므로써 기존의 터 에 비하여 경제 이고 안 성

있는 터 을 구축하는 공법이다

2차 이후 Shotcrete 공법이 성행 되면서 굴착면에 용이하게

Shotcrete 를 타설하게 되므로써 NATM 공법이 한층 더 발 하게 되었

NATM 공법은 터 굴착 후 기에 1차 지보재(Shotcrete)를 타설하여

원지반 암반의 거동을 조기에 정착시키고 Rock bolt를 설치하여 주변지반

이완 방지 암반간의 합효과 등을 기 하며 설치된 계측기의 계측결

과를 분석하여 2차 지보재의 설치 등을 단하면서 경제 이고 안정된 터

을 설치하는 공법이다

- 5 -

22 NATM 공법 특징

NATM 공법의 특징으로는 지질의 변화에 응하기 쉽고 팽창성 지반

토사 지반 암반에서도 시공이 가능하며 지질이 복잡하게 변화하는 장

터 에서도 즉시 변경이 가능하다

한 계측결과에 의하여 지보의 규모를 결정하므로 경제 인 시공이 가능

하고 Shotcrete Rock bolt 등의 1차 지보재에 따라 변형이 안정된 후 2차

라이닝을 타설하므로 라이닝의 두께를 최소화 할 수 있다

특히 NATM 공법은 다른 터 시공법과 비교하면 내구성이 좋고 경제

이며 터 의 선형에 계없이 시공 가능한 특징을 가지고 있다

23 NATM 터 의 특성

231 터 천단부의 지반침하

터 굴착은 어떠한 상황에도 외 없이 지반이완을 가져와 터 주변지

반의 단변형을 유발시키고 소성 역을 확장시키게 된다 이러한 향들

은 터 이 굴진됨에 따라 지 을 거쳐서 차 지표면까지 달되어 지표

면 변 의 형태로 나타난다 터 굴착에 따른 주변지반의 변 는 3차원

으로 발생하기 때문에 수직방향의 침하와 함께 수평변 도 일어나게 된

다 그러나 지반거동에 직 향을 수 있는 가설 구조물이 터 주

변에 치하고 있거나 지표면의 경사가 심한 경우 는 터 단면 좌우

측의 지반조건이 크게 상이한 경우 특수한 경우를 제외하게 되면 터

상부 지반 터 심선이 지나는 지 에서의 지반변 는 수직방향의 침

하형태로 발생하는 것이 보편 이다

- 6 -

232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 9: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- viii -

A bending compressive stress of the shotcrete and an axial force of

the rock bolt was shown secure a tunnel stability because a stress of

the shotcrete and rock bolt is within allowable value in all two

methods

An infinitesimal ahead displacement of portal slopes that is in the

limits of stability in general is generated by a tunnel excavation in all

two methods In this research a noise reduction effect of about 15dB

in the unidirectional inverse excavation process shows less than those

of bidirectional method

Keyword

unidirectional inverse excavation bidirectional excavation arching effect

three dimensional numerical analysis stability

- 1 -

Ⅰ 서 론

11 연구의 배경

최근 들어 사회기반시설의 확충에 따라 일반도로 고속도로 일반철

도 고속철도 지하철 도시철도 력구 통신구 공동구 지하 장

시설 등 지하공간개발이 격히 증가되고 있다

이러한 지하공간개발은 국토가 제한되어 있는 국내실정을 고려 할 때

효율 인 국토의 이용에 한 필연 요구이며 그와 더불어 민원 환경

에 한 극 이고 기술 인 책이 요구되고 있다 따라서 용지의 효율

인 이용 환경 훼손 최소화 그리고 경제 인 노선계획 경 과의 조화

등을 해 차 터 의 비 이 커지고 있다

이러한 터 에서는 지반의 안정과 터 의 종방향 아칭효과를 이용하여

양방향 통이 이루어지고 있지만 발 에 의한 암 버력 비산 등은 인 부

의 도로 차량과 민가 등 보안물건에 진동 소음으로 인한 민원이 발

생하며 이와 같은 발 공해로 제기되는 민원들은 공사 수행에 막 한

향을 미친다

이러한 이유에 의해 불가피하게 터 의 한쪽 방향으로 일방향 굴착이

시도되고 있으나 아직은 다수의 사례를 찾기 어렵고 자료축 도 부족한

실정으로 이에 한 연구가 실한 실정이다

- 2 -

12 연구의 목

NATM에서는 지반 자체의 강도를 고려하여 터 내부에서 통시키

는 양방향 통이 주로 수행된다 그러나 터 내부에서 막장을 통시키

고자 하는 경우 굴진방향 반 편 갱구부에서 다시 굴착을 실시해야 하므

로 장상황에 따라 다르기는 하지만 터 굴착 시에 발생되는 소음과 진

동에 의해 커다란 민원의 발생 요인이 된다

따라서 본 연구의 목 은 일방향역굴착에 한 비해석과 장의 실

제 계측치를 비교분석하여 일방향역굴착에서의 효과 인 설계 시공을

한 신뢰성 있는 지반 공학 기 자료를 축 하는 데 있다

13 연구의 범

본 연구의 구성은 총 5장으로 구성되어 있다 제1장은 서론으로 연구의

배경 목 연구의 범 방법 연구의 구성으로 되어있다 제2장은

NATM 터 의 이론 배경 문헌연구로 구성하 다 제3장에서는 사례

장의 자료수집 일방향 역굴착의 특성 사례연구를 정리하고 제4장

에서는 수치해석을 하고 진동 소음에 하여 고찰하 으며 제5장에서

는 연구결과를 정리하여 결론으로 요약하 다

14 연구 방법

터 갱구부에 하여 양방향 굴착(정굴착) 일방향굴착(역굴착)에 따

른 시공단계별 3차원 수치해석을 수행하여 터 주변 지반 터 의 거

동특성 분석과 갱구부 지보패턴의 지보재 부재력을 검토하여 장에서의

- 3 -

실제 계측치와 비교 분석하고 터 굴착시 발생되는 소음 진동의 일

방향 굴착과 양방향 굴착의 장 계측값를 비교 분석하여 일방향 굴착의

진동 소음 감효과를 악 하고 일방향 굴착시 수치해석값과 장계측값

을 비교분석 한다

lt그림1-1gt일방향역굴착연구 Flow Chart

양방향 굴착 일방향 역굴착 시공 단계

연구 상

장자료

3차원

치해

일방향역

굴착

사례분

3차원 치

양방향

굴착과

결과

장계측

진동소

∙지보재 부재력 검토

∙터널주변 지반 거동분

∙터널 거동분

∙양방향 굴착과 지보재 부재력 연구

∙터널 주변 지반 거동 특 연구

∙터널 거동 특 연구

∙ 해

결과 분

∙일방향 역굴

착소 감

효과분

- 4 -

Ⅱ 이론 배경

21 NATM 공법 개요

NATM(New Austrian Tunneling Method)은 오스트리아의 Rabcewicz

가 처음으로 실행한 암반 터 시공법이다 NATM의 요 이론은 암반

이 스스로 지니고 있는 자체 원지반의 지지력을 이용하도록 락볼트로 고

정한 후 크리트 등의 지보재로 보강하여 지반을 안정시킨 후 터 굴착

을 계속하는 시공성이 우수한 굴착방식이다 우리나라에는 1980년 지하

철 건설에 활용되기 시작하여 개착이 어려운 터 공사에 시공되고 있다

NATM 공법은 터 이 단 괴에 기인한다는 이론에서 정립된 공법

으로서 암반의 역학 성질을 이용하여 굴착된 원 지반에 비교 얇은 콘

크리트 라이닝을 설치하므로써 기존의 터 에 비하여 경제 이고 안 성

있는 터 을 구축하는 공법이다

2차 이후 Shotcrete 공법이 성행 되면서 굴착면에 용이하게

Shotcrete 를 타설하게 되므로써 NATM 공법이 한층 더 발 하게 되었

NATM 공법은 터 굴착 후 기에 1차 지보재(Shotcrete)를 타설하여

원지반 암반의 거동을 조기에 정착시키고 Rock bolt를 설치하여 주변지반

이완 방지 암반간의 합효과 등을 기 하며 설치된 계측기의 계측결

과를 분석하여 2차 지보재의 설치 등을 단하면서 경제 이고 안정된 터

을 설치하는 공법이다

- 5 -

22 NATM 공법 특징

NATM 공법의 특징으로는 지질의 변화에 응하기 쉽고 팽창성 지반

토사 지반 암반에서도 시공이 가능하며 지질이 복잡하게 변화하는 장

터 에서도 즉시 변경이 가능하다

한 계측결과에 의하여 지보의 규모를 결정하므로 경제 인 시공이 가능

하고 Shotcrete Rock bolt 등의 1차 지보재에 따라 변형이 안정된 후 2차

라이닝을 타설하므로 라이닝의 두께를 최소화 할 수 있다

특히 NATM 공법은 다른 터 시공법과 비교하면 내구성이 좋고 경제

이며 터 의 선형에 계없이 시공 가능한 특징을 가지고 있다

23 NATM 터 의 특성

231 터 천단부의 지반침하

터 굴착은 어떠한 상황에도 외 없이 지반이완을 가져와 터 주변지

반의 단변형을 유발시키고 소성 역을 확장시키게 된다 이러한 향들

은 터 이 굴진됨에 따라 지 을 거쳐서 차 지표면까지 달되어 지표

면 변 의 형태로 나타난다 터 굴착에 따른 주변지반의 변 는 3차원

으로 발생하기 때문에 수직방향의 침하와 함께 수평변 도 일어나게 된

다 그러나 지반거동에 직 향을 수 있는 가설 구조물이 터 주

변에 치하고 있거나 지표면의 경사가 심한 경우 는 터 단면 좌우

측의 지반조건이 크게 상이한 경우 특수한 경우를 제외하게 되면 터

상부 지반 터 심선이 지나는 지 에서의 지반변 는 수직방향의 침

하형태로 발생하는 것이 보편 이다

- 6 -

232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 10: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 1 -

Ⅰ 서 론

11 연구의 배경

최근 들어 사회기반시설의 확충에 따라 일반도로 고속도로 일반철

도 고속철도 지하철 도시철도 력구 통신구 공동구 지하 장

시설 등 지하공간개발이 격히 증가되고 있다

이러한 지하공간개발은 국토가 제한되어 있는 국내실정을 고려 할 때

효율 인 국토의 이용에 한 필연 요구이며 그와 더불어 민원 환경

에 한 극 이고 기술 인 책이 요구되고 있다 따라서 용지의 효율

인 이용 환경 훼손 최소화 그리고 경제 인 노선계획 경 과의 조화

등을 해 차 터 의 비 이 커지고 있다

이러한 터 에서는 지반의 안정과 터 의 종방향 아칭효과를 이용하여

양방향 통이 이루어지고 있지만 발 에 의한 암 버력 비산 등은 인 부

의 도로 차량과 민가 등 보안물건에 진동 소음으로 인한 민원이 발

생하며 이와 같은 발 공해로 제기되는 민원들은 공사 수행에 막 한

향을 미친다

이러한 이유에 의해 불가피하게 터 의 한쪽 방향으로 일방향 굴착이

시도되고 있으나 아직은 다수의 사례를 찾기 어렵고 자료축 도 부족한

실정으로 이에 한 연구가 실한 실정이다

- 2 -

12 연구의 목

NATM에서는 지반 자체의 강도를 고려하여 터 내부에서 통시키

는 양방향 통이 주로 수행된다 그러나 터 내부에서 막장을 통시키

고자 하는 경우 굴진방향 반 편 갱구부에서 다시 굴착을 실시해야 하므

로 장상황에 따라 다르기는 하지만 터 굴착 시에 발생되는 소음과 진

동에 의해 커다란 민원의 발생 요인이 된다

따라서 본 연구의 목 은 일방향역굴착에 한 비해석과 장의 실

제 계측치를 비교분석하여 일방향역굴착에서의 효과 인 설계 시공을

한 신뢰성 있는 지반 공학 기 자료를 축 하는 데 있다

13 연구의 범

본 연구의 구성은 총 5장으로 구성되어 있다 제1장은 서론으로 연구의

배경 목 연구의 범 방법 연구의 구성으로 되어있다 제2장은

NATM 터 의 이론 배경 문헌연구로 구성하 다 제3장에서는 사례

장의 자료수집 일방향 역굴착의 특성 사례연구를 정리하고 제4장

에서는 수치해석을 하고 진동 소음에 하여 고찰하 으며 제5장에서

는 연구결과를 정리하여 결론으로 요약하 다

14 연구 방법

터 갱구부에 하여 양방향 굴착(정굴착) 일방향굴착(역굴착)에 따

른 시공단계별 3차원 수치해석을 수행하여 터 주변 지반 터 의 거

동특성 분석과 갱구부 지보패턴의 지보재 부재력을 검토하여 장에서의

- 3 -

실제 계측치와 비교 분석하고 터 굴착시 발생되는 소음 진동의 일

방향 굴착과 양방향 굴착의 장 계측값를 비교 분석하여 일방향 굴착의

진동 소음 감효과를 악 하고 일방향 굴착시 수치해석값과 장계측값

을 비교분석 한다

lt그림1-1gt일방향역굴착연구 Flow Chart

양방향 굴착 일방향 역굴착 시공 단계

연구 상

장자료

3차원

치해

일방향역

굴착

사례분

3차원 치

양방향

굴착과

결과

장계측

진동소

∙지보재 부재력 검토

∙터널주변 지반 거동분

∙터널 거동분

∙양방향 굴착과 지보재 부재력 연구

∙터널 주변 지반 거동 특 연구

∙터널 거동 특 연구

∙ 해

결과 분

∙일방향 역굴

착소 감

효과분

- 4 -

Ⅱ 이론 배경

21 NATM 공법 개요

NATM(New Austrian Tunneling Method)은 오스트리아의 Rabcewicz

가 처음으로 실행한 암반 터 시공법이다 NATM의 요 이론은 암반

이 스스로 지니고 있는 자체 원지반의 지지력을 이용하도록 락볼트로 고

정한 후 크리트 등의 지보재로 보강하여 지반을 안정시킨 후 터 굴착

을 계속하는 시공성이 우수한 굴착방식이다 우리나라에는 1980년 지하

철 건설에 활용되기 시작하여 개착이 어려운 터 공사에 시공되고 있다

NATM 공법은 터 이 단 괴에 기인한다는 이론에서 정립된 공법

으로서 암반의 역학 성질을 이용하여 굴착된 원 지반에 비교 얇은 콘

크리트 라이닝을 설치하므로써 기존의 터 에 비하여 경제 이고 안 성

있는 터 을 구축하는 공법이다

2차 이후 Shotcrete 공법이 성행 되면서 굴착면에 용이하게

Shotcrete 를 타설하게 되므로써 NATM 공법이 한층 더 발 하게 되었

NATM 공법은 터 굴착 후 기에 1차 지보재(Shotcrete)를 타설하여

원지반 암반의 거동을 조기에 정착시키고 Rock bolt를 설치하여 주변지반

이완 방지 암반간의 합효과 등을 기 하며 설치된 계측기의 계측결

과를 분석하여 2차 지보재의 설치 등을 단하면서 경제 이고 안정된 터

을 설치하는 공법이다

- 5 -

22 NATM 공법 특징

NATM 공법의 특징으로는 지질의 변화에 응하기 쉽고 팽창성 지반

토사 지반 암반에서도 시공이 가능하며 지질이 복잡하게 변화하는 장

터 에서도 즉시 변경이 가능하다

한 계측결과에 의하여 지보의 규모를 결정하므로 경제 인 시공이 가능

하고 Shotcrete Rock bolt 등의 1차 지보재에 따라 변형이 안정된 후 2차

라이닝을 타설하므로 라이닝의 두께를 최소화 할 수 있다

특히 NATM 공법은 다른 터 시공법과 비교하면 내구성이 좋고 경제

이며 터 의 선형에 계없이 시공 가능한 특징을 가지고 있다

23 NATM 터 의 특성

231 터 천단부의 지반침하

터 굴착은 어떠한 상황에도 외 없이 지반이완을 가져와 터 주변지

반의 단변형을 유발시키고 소성 역을 확장시키게 된다 이러한 향들

은 터 이 굴진됨에 따라 지 을 거쳐서 차 지표면까지 달되어 지표

면 변 의 형태로 나타난다 터 굴착에 따른 주변지반의 변 는 3차원

으로 발생하기 때문에 수직방향의 침하와 함께 수평변 도 일어나게 된

다 그러나 지반거동에 직 향을 수 있는 가설 구조물이 터 주

변에 치하고 있거나 지표면의 경사가 심한 경우 는 터 단면 좌우

측의 지반조건이 크게 상이한 경우 특수한 경우를 제외하게 되면 터

상부 지반 터 심선이 지나는 지 에서의 지반변 는 수직방향의 침

하형태로 발생하는 것이 보편 이다

- 6 -

232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 11: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 2 -

12 연구의 목

NATM에서는 지반 자체의 강도를 고려하여 터 내부에서 통시키

는 양방향 통이 주로 수행된다 그러나 터 내부에서 막장을 통시키

고자 하는 경우 굴진방향 반 편 갱구부에서 다시 굴착을 실시해야 하므

로 장상황에 따라 다르기는 하지만 터 굴착 시에 발생되는 소음과 진

동에 의해 커다란 민원의 발생 요인이 된다

따라서 본 연구의 목 은 일방향역굴착에 한 비해석과 장의 실

제 계측치를 비교분석하여 일방향역굴착에서의 효과 인 설계 시공을

한 신뢰성 있는 지반 공학 기 자료를 축 하는 데 있다

13 연구의 범

본 연구의 구성은 총 5장으로 구성되어 있다 제1장은 서론으로 연구의

배경 목 연구의 범 방법 연구의 구성으로 되어있다 제2장은

NATM 터 의 이론 배경 문헌연구로 구성하 다 제3장에서는 사례

장의 자료수집 일방향 역굴착의 특성 사례연구를 정리하고 제4장

에서는 수치해석을 하고 진동 소음에 하여 고찰하 으며 제5장에서

는 연구결과를 정리하여 결론으로 요약하 다

14 연구 방법

터 갱구부에 하여 양방향 굴착(정굴착) 일방향굴착(역굴착)에 따

른 시공단계별 3차원 수치해석을 수행하여 터 주변 지반 터 의 거

동특성 분석과 갱구부 지보패턴의 지보재 부재력을 검토하여 장에서의

- 3 -

실제 계측치와 비교 분석하고 터 굴착시 발생되는 소음 진동의 일

방향 굴착과 양방향 굴착의 장 계측값를 비교 분석하여 일방향 굴착의

진동 소음 감효과를 악 하고 일방향 굴착시 수치해석값과 장계측값

을 비교분석 한다

lt그림1-1gt일방향역굴착연구 Flow Chart

양방향 굴착 일방향 역굴착 시공 단계

연구 상

장자료

3차원

치해

일방향역

굴착

사례분

3차원 치

양방향

굴착과

결과

장계측

진동소

∙지보재 부재력 검토

∙터널주변 지반 거동분

∙터널 거동분

∙양방향 굴착과 지보재 부재력 연구

∙터널 주변 지반 거동 특 연구

∙터널 거동 특 연구

∙ 해

결과 분

∙일방향 역굴

착소 감

효과분

- 4 -

Ⅱ 이론 배경

21 NATM 공법 개요

NATM(New Austrian Tunneling Method)은 오스트리아의 Rabcewicz

가 처음으로 실행한 암반 터 시공법이다 NATM의 요 이론은 암반

이 스스로 지니고 있는 자체 원지반의 지지력을 이용하도록 락볼트로 고

정한 후 크리트 등의 지보재로 보강하여 지반을 안정시킨 후 터 굴착

을 계속하는 시공성이 우수한 굴착방식이다 우리나라에는 1980년 지하

철 건설에 활용되기 시작하여 개착이 어려운 터 공사에 시공되고 있다

NATM 공법은 터 이 단 괴에 기인한다는 이론에서 정립된 공법

으로서 암반의 역학 성질을 이용하여 굴착된 원 지반에 비교 얇은 콘

크리트 라이닝을 설치하므로써 기존의 터 에 비하여 경제 이고 안 성

있는 터 을 구축하는 공법이다

2차 이후 Shotcrete 공법이 성행 되면서 굴착면에 용이하게

Shotcrete 를 타설하게 되므로써 NATM 공법이 한층 더 발 하게 되었

NATM 공법은 터 굴착 후 기에 1차 지보재(Shotcrete)를 타설하여

원지반 암반의 거동을 조기에 정착시키고 Rock bolt를 설치하여 주변지반

이완 방지 암반간의 합효과 등을 기 하며 설치된 계측기의 계측결

과를 분석하여 2차 지보재의 설치 등을 단하면서 경제 이고 안정된 터

을 설치하는 공법이다

- 5 -

22 NATM 공법 특징

NATM 공법의 특징으로는 지질의 변화에 응하기 쉽고 팽창성 지반

토사 지반 암반에서도 시공이 가능하며 지질이 복잡하게 변화하는 장

터 에서도 즉시 변경이 가능하다

한 계측결과에 의하여 지보의 규모를 결정하므로 경제 인 시공이 가능

하고 Shotcrete Rock bolt 등의 1차 지보재에 따라 변형이 안정된 후 2차

라이닝을 타설하므로 라이닝의 두께를 최소화 할 수 있다

특히 NATM 공법은 다른 터 시공법과 비교하면 내구성이 좋고 경제

이며 터 의 선형에 계없이 시공 가능한 특징을 가지고 있다

23 NATM 터 의 특성

231 터 천단부의 지반침하

터 굴착은 어떠한 상황에도 외 없이 지반이완을 가져와 터 주변지

반의 단변형을 유발시키고 소성 역을 확장시키게 된다 이러한 향들

은 터 이 굴진됨에 따라 지 을 거쳐서 차 지표면까지 달되어 지표

면 변 의 형태로 나타난다 터 굴착에 따른 주변지반의 변 는 3차원

으로 발생하기 때문에 수직방향의 침하와 함께 수평변 도 일어나게 된

다 그러나 지반거동에 직 향을 수 있는 가설 구조물이 터 주

변에 치하고 있거나 지표면의 경사가 심한 경우 는 터 단면 좌우

측의 지반조건이 크게 상이한 경우 특수한 경우를 제외하게 되면 터

상부 지반 터 심선이 지나는 지 에서의 지반변 는 수직방향의 침

하형태로 발생하는 것이 보편 이다

- 6 -

232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

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Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

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시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 12: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 3 -

실제 계측치와 비교 분석하고 터 굴착시 발생되는 소음 진동의 일

방향 굴착과 양방향 굴착의 장 계측값를 비교 분석하여 일방향 굴착의

진동 소음 감효과를 악 하고 일방향 굴착시 수치해석값과 장계측값

을 비교분석 한다

lt그림1-1gt일방향역굴착연구 Flow Chart

양방향 굴착 일방향 역굴착 시공 단계

연구 상

장자료

3차원

치해

일방향역

굴착

사례분

3차원 치

양방향

굴착과

결과

장계측

진동소

∙지보재 부재력 검토

∙터널주변 지반 거동분

∙터널 거동분

∙양방향 굴착과 지보재 부재력 연구

∙터널 주변 지반 거동 특 연구

∙터널 거동 특 연구

∙ 해

결과 분

∙일방향 역굴

착소 감

효과분

- 4 -

Ⅱ 이론 배경

21 NATM 공법 개요

NATM(New Austrian Tunneling Method)은 오스트리아의 Rabcewicz

가 처음으로 실행한 암반 터 시공법이다 NATM의 요 이론은 암반

이 스스로 지니고 있는 자체 원지반의 지지력을 이용하도록 락볼트로 고

정한 후 크리트 등의 지보재로 보강하여 지반을 안정시킨 후 터 굴착

을 계속하는 시공성이 우수한 굴착방식이다 우리나라에는 1980년 지하

철 건설에 활용되기 시작하여 개착이 어려운 터 공사에 시공되고 있다

NATM 공법은 터 이 단 괴에 기인한다는 이론에서 정립된 공법

으로서 암반의 역학 성질을 이용하여 굴착된 원 지반에 비교 얇은 콘

크리트 라이닝을 설치하므로써 기존의 터 에 비하여 경제 이고 안 성

있는 터 을 구축하는 공법이다

2차 이후 Shotcrete 공법이 성행 되면서 굴착면에 용이하게

Shotcrete 를 타설하게 되므로써 NATM 공법이 한층 더 발 하게 되었

NATM 공법은 터 굴착 후 기에 1차 지보재(Shotcrete)를 타설하여

원지반 암반의 거동을 조기에 정착시키고 Rock bolt를 설치하여 주변지반

이완 방지 암반간의 합효과 등을 기 하며 설치된 계측기의 계측결

과를 분석하여 2차 지보재의 설치 등을 단하면서 경제 이고 안정된 터

을 설치하는 공법이다

- 5 -

22 NATM 공법 특징

NATM 공법의 특징으로는 지질의 변화에 응하기 쉽고 팽창성 지반

토사 지반 암반에서도 시공이 가능하며 지질이 복잡하게 변화하는 장

터 에서도 즉시 변경이 가능하다

한 계측결과에 의하여 지보의 규모를 결정하므로 경제 인 시공이 가능

하고 Shotcrete Rock bolt 등의 1차 지보재에 따라 변형이 안정된 후 2차

라이닝을 타설하므로 라이닝의 두께를 최소화 할 수 있다

특히 NATM 공법은 다른 터 시공법과 비교하면 내구성이 좋고 경제

이며 터 의 선형에 계없이 시공 가능한 특징을 가지고 있다

23 NATM 터 의 특성

231 터 천단부의 지반침하

터 굴착은 어떠한 상황에도 외 없이 지반이완을 가져와 터 주변지

반의 단변형을 유발시키고 소성 역을 확장시키게 된다 이러한 향들

은 터 이 굴진됨에 따라 지 을 거쳐서 차 지표면까지 달되어 지표

면 변 의 형태로 나타난다 터 굴착에 따른 주변지반의 변 는 3차원

으로 발생하기 때문에 수직방향의 침하와 함께 수평변 도 일어나게 된

다 그러나 지반거동에 직 향을 수 있는 가설 구조물이 터 주

변에 치하고 있거나 지표면의 경사가 심한 경우 는 터 단면 좌우

측의 지반조건이 크게 상이한 경우 특수한 경우를 제외하게 되면 터

상부 지반 터 심선이 지나는 지 에서의 지반변 는 수직방향의 침

하형태로 발생하는 것이 보편 이다

- 6 -

232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 13: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 4 -

Ⅱ 이론 배경

21 NATM 공법 개요

NATM(New Austrian Tunneling Method)은 오스트리아의 Rabcewicz

가 처음으로 실행한 암반 터 시공법이다 NATM의 요 이론은 암반

이 스스로 지니고 있는 자체 원지반의 지지력을 이용하도록 락볼트로 고

정한 후 크리트 등의 지보재로 보강하여 지반을 안정시킨 후 터 굴착

을 계속하는 시공성이 우수한 굴착방식이다 우리나라에는 1980년 지하

철 건설에 활용되기 시작하여 개착이 어려운 터 공사에 시공되고 있다

NATM 공법은 터 이 단 괴에 기인한다는 이론에서 정립된 공법

으로서 암반의 역학 성질을 이용하여 굴착된 원 지반에 비교 얇은 콘

크리트 라이닝을 설치하므로써 기존의 터 에 비하여 경제 이고 안 성

있는 터 을 구축하는 공법이다

2차 이후 Shotcrete 공법이 성행 되면서 굴착면에 용이하게

Shotcrete 를 타설하게 되므로써 NATM 공법이 한층 더 발 하게 되었

NATM 공법은 터 굴착 후 기에 1차 지보재(Shotcrete)를 타설하여

원지반 암반의 거동을 조기에 정착시키고 Rock bolt를 설치하여 주변지반

이완 방지 암반간의 합효과 등을 기 하며 설치된 계측기의 계측결

과를 분석하여 2차 지보재의 설치 등을 단하면서 경제 이고 안정된 터

을 설치하는 공법이다

- 5 -

22 NATM 공법 특징

NATM 공법의 특징으로는 지질의 변화에 응하기 쉽고 팽창성 지반

토사 지반 암반에서도 시공이 가능하며 지질이 복잡하게 변화하는 장

터 에서도 즉시 변경이 가능하다

한 계측결과에 의하여 지보의 규모를 결정하므로 경제 인 시공이 가능

하고 Shotcrete Rock bolt 등의 1차 지보재에 따라 변형이 안정된 후 2차

라이닝을 타설하므로 라이닝의 두께를 최소화 할 수 있다

특히 NATM 공법은 다른 터 시공법과 비교하면 내구성이 좋고 경제

이며 터 의 선형에 계없이 시공 가능한 특징을 가지고 있다

23 NATM 터 의 특성

231 터 천단부의 지반침하

터 굴착은 어떠한 상황에도 외 없이 지반이완을 가져와 터 주변지

반의 단변형을 유발시키고 소성 역을 확장시키게 된다 이러한 향들

은 터 이 굴진됨에 따라 지 을 거쳐서 차 지표면까지 달되어 지표

면 변 의 형태로 나타난다 터 굴착에 따른 주변지반의 변 는 3차원

으로 발생하기 때문에 수직방향의 침하와 함께 수평변 도 일어나게 된

다 그러나 지반거동에 직 향을 수 있는 가설 구조물이 터 주

변에 치하고 있거나 지표면의 경사가 심한 경우 는 터 단면 좌우

측의 지반조건이 크게 상이한 경우 특수한 경우를 제외하게 되면 터

상부 지반 터 심선이 지나는 지 에서의 지반변 는 수직방향의 침

하형태로 발생하는 것이 보편 이다

- 6 -

232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 14: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 5 -

22 NATM 공법 특징

NATM 공법의 특징으로는 지질의 변화에 응하기 쉽고 팽창성 지반

토사 지반 암반에서도 시공이 가능하며 지질이 복잡하게 변화하는 장

터 에서도 즉시 변경이 가능하다

한 계측결과에 의하여 지보의 규모를 결정하므로 경제 인 시공이 가능

하고 Shotcrete Rock bolt 등의 1차 지보재에 따라 변형이 안정된 후 2차

라이닝을 타설하므로 라이닝의 두께를 최소화 할 수 있다

특히 NATM 공법은 다른 터 시공법과 비교하면 내구성이 좋고 경제

이며 터 의 선형에 계없이 시공 가능한 특징을 가지고 있다

23 NATM 터 의 특성

231 터 천단부의 지반침하

터 굴착은 어떠한 상황에도 외 없이 지반이완을 가져와 터 주변지

반의 단변형을 유발시키고 소성 역을 확장시키게 된다 이러한 향들

은 터 이 굴진됨에 따라 지 을 거쳐서 차 지표면까지 달되어 지표

면 변 의 형태로 나타난다 터 굴착에 따른 주변지반의 변 는 3차원

으로 발생하기 때문에 수직방향의 침하와 함께 수평변 도 일어나게 된

다 그러나 지반거동에 직 향을 수 있는 가설 구조물이 터 주

변에 치하고 있거나 지표면의 경사가 심한 경우 는 터 단면 좌우

측의 지반조건이 크게 상이한 경우 특수한 경우를 제외하게 되면 터

상부 지반 터 심선이 지나는 지 에서의 지반변 는 수직방향의 침

하형태로 발생하는 것이 보편 이다

- 6 -

232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

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시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 15: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 6 -

232 터 주변의 지반변

터 주변의 안정성을 평가하기 해서는 구조물이 치한 곳의 지반침

하 수평변 의 크기를 산정할 필요가 있다 터 상부의 임의 지표면

에서 발생하는 터 굴진방향과 직교하는 횡방향의 지반변 는 터 심

선을 기 으로 일정한 구간 내에서 발생하게 되므로 터 심선상에서

발생하는 변 량과 터 심선으로 부터의 횡방향 거리별 변 량의 형태

를 악하게 되면 임의 지 에 한 변 를 보다 손쉽게 구할 수 있게 된

다 한 종방향 지반 변 형태의 악은 기변 량과 종방향거리에 따

른 변 특성으로 부터 터 굴진거리에 따른 종방향 변 량을 추정할 수

있게 된다

233 터 막장면 아칭 효과

터 을 굴착하기 이 정역학 평형상태로 작용하고 있던 응력 즉

기 응력( 기지압)이 교란되어 2차응력(유도응력)으로 변화하게 되므로

동시에 굴착부에는 변형을 일으키게 된다(Walter 1990) 이때 굴착면

후 종방향과 횡방향으로 지반의 기응력 일부가 이되며 남은 응력이

터 주변에 재분배 된다

lt그림2-1gt와 같이 굴착에 의해 굴진면에서는 변형이 크게 발생하나

주변지반은 변형이 작게 발생할 때 변 가 크게 발생한 지반에 존재하던

토압이 변 가 작게 발생한 주변지반 쪽으로 이되는 상을 아칭 상이

라 한다

(Terzaghi 1943)

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 16: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 7 -

lt그림2-1gt터 막장에서의 아칭효과 하 과 변 (Gnilsen 1989)

터 굴착 막장근처에서는 3차원 구조가 형성되어 응력과 변형이 3

차원 으로 발생하며 막장으로 부터 떨어진 거리와 계없이 터 축과

직각방향(횡방향)으로 아칭 (Arching) 상이 발생하고 한 여기에 추가

하여 터 축과 평행한 (종방향) 아칭 상도 발생한다

이러한 두 개 이상의 평면안에 발생하는 아칭 상은 지반하 을 3차원

으로 분산시켜 터 주변과 터 막장 면에 서 변 가 발생하게 된다

지보재가 설치되고 일련의 굴착이 진행됨에 따라 이 굴진면 치에서

종방향 아칭에 의해 지지 되었던 응력은 굴착면에 설치된 지보재에 한

압력으로 다시 작용하게 된다 이와 같이 터 의 종방향 아칭 상은 지보

재에 가해지는 내압작용의 원리가 된다

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 17: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 8 -

24 문헌연구

터 굴착에 한 선행연구들은 굴착시 발생되는 주변 지반의 거동이라

든지 계측방법 보조공법의 역할 등을 악하여 시공 시 발생되는 문제

들을 통하여 안정 이고 경제 인 터 공사의 수행 방안을 제시하고 있

김형식(2006)은 터 의 일방향 굴진으로 시공하여 반 편 갱구부에서

통시킬 경우 터 주변 지질 상태 응력의 변화 등에 의해 터 의

내부에서 통할 때와는 다르게 나타난다 특히 터 의 종방향 아칭효과

를 기 할 수 없어 이를 고려한 검토방법으로 아칭효과를 무시하기 해

응력 해방율 100를 용하면 굴착에 따라 체 으로 지반의 변 와 응

력이 크게 나타고 장 계측값에 가장 근 한다고 하 다

김형탁(1997)는 강 보강효과를 분석하기 해서는 2차원해석보다 3차원

해석이 필수 이며 막장부근의 응력집 상을 골고루 분포시켜주는 강

의 강성에 의하여 안 율이 상 으로 높아지는 효과를 나타내고 있다

터 천단의 침하량변화는 3차원해석의 경우 터 막장의 치가 측정지

에 도달하기 에 이미 40정도의 총 상변 가 발생되며 막장 치

가 측정지 을 통과하여 터 직경 이상의 거리에 도달하는 동안 체 상

변 의 60가 발생될 수 있다고 주장하 다

황선균(2004)은 강 다단 공법의 효과 인 용방법과 개량지반의 정

물성치를 산정하여 수치계산과 장계측을 통하여 도출된 결론은 지 침

하는 무보강시보다 보강했을 때 60정도의 변 감소효과가 있었고 장

계측결과는 더 안정 이었으며 내공변 는 무보강시보다 보강했을때

25변 감소효과가 있다 크리트 단력과 락볼트 축력은 무보강시보

- 9 -

다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

- 10 -

터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 18: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

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다 보강했을때 12~13의 감소효과가 나타난다고 하 다

이종천(2003)는 터 계측항목 가장 수량이 많은 천단침하와 내공변

는 리기 치의 평균10정도로 나타났고 일반 으로 암질이 양호한

지역에서 내공변 가 암질이 불량한 지역의 내공변 보다 작다 굴착에

의한 향은 상반굴착이 하반굴착보다 천단침하 내공변 에 더 큰

향을 미치고 시공성 측면에서는 상반굴착이 많을수록 유리하므로 안 하

고 경제 인 터 건설을 해서는 상반굴착에 따른 터 의 거동특성을 세

히 분석해야 된다고 하 다

김 민(2002)은 터 을 굴착하는 경우 터 막장부의 괴 역이 발생

되어 터 안정성에 큰 향을 미친다 이러한 문제를 해결하기 해서 터

막장 부근에 있어서 괴 메커니즘의 검토 터 안정성 평가방법이

매우 요하다 일련의 종 방향 터 모형 실험에 하여 수치 시물 이션

을 수행하여 모형실험결과와 비교 분석하 다 그리고 터 의 형상 터

의 굴착 길이에 따른 괴거동 터 안정성에 미치는 향을 분석하

다 그 결과 터 의 굴진 길이가 짧을수록 터 의 안정성이 증가하며

다른 형태보다 원형 굴착단면이 안정성에 유리하 다 한 변 계측데

이타를 활용 할 수 있는 한계 단 변형율을 도입하여 터 주변에 발생되

는 괴 역을 평가함으로써 터 의 안정성을 단할 수 있다고 하 다

성우기(1992)는 터 굴착으로 인한 지반의 거동을 정확히 측할 수 있

다면 터 굴착공사로 인한 주변지반의 피해를 최소화하기 하여 미리

한 책을 강구할 수 있을 것이다 터 해석 시 많이 용되고 있는

유한요소법을 이용한 수치해석결과와 실제 장에서 터 굴착 시 실시한

계측결과를 비교분석하 다 일반 으로 터 굴착 시 막장이 터 직경의

2배정도 진행되면 터 은 안정되어 더 이상 변 가 발생하지 않는다고 보

는데 실제로 장에서 계측해 본 결과 막장 치가 계측지 을 통과하기

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터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

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어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

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Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

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는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

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lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

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시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

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32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

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lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

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322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

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한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

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Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

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1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

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수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

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연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

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感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 19: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

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터 직경의 2배정도 부터 침하가 발생하기 시작하여 막장이 터 직

경의 5배정도 진행되었을 때 침하가 수렴하는 것으로 나타났다

수치해석결과와 장에서 계측한 지표침하의 결과를 역해석하여 추정

해보면 막장이 터 직경의 2 sim 3배정도 진행되었을 때 계측된 지표침하

는 체침하의 5정도이며 나머지 50의 침하는 수치 해석 방법으로

해석되지 않는 부분으로 계속 진행되는 터 굴착으로 인한 발 진동

지반의 Creep에 의하여 발생한다 터 천단침하는 지표침하에 비하여 침

하의 수렴이 상당히 빠른 것으로 나타났다 그러므로 천단침하는 지표침

하에 비하여 Creep에 의한 침하가 훨씬 다 계측결과와 수치해석결과를

비교분석해 본 결과 실제 장에서 터 시공 시 발생하는 지표침하 천

단침하는 Creep에 의한 경향이 추가되므로 수치해석결과에 비해 상당히

크게 발생한다는 것을 알 수 있었다

황태하(2000)는 재 부분의 국내 터 설계는 유한차분법과 유한요소

법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터 지반의 변 지보재의

안정성이 검토되고 있으나 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따

른 지표변 천단변 내공변 인버트 변 지보재의 응력등을 유한차

분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압

계수의 증가에 따른 지표침하 천단침하 인버트변 의 크기는 유한차분해

석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수

인 결과를 나타내고 있었으며 내공변 크리 트의 압축응력은 유한요

소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보

수 인 결과를 나타냈으며 한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이

유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 향이 큼

을 알 수 있었으며 이는 각 수치해석 로그램에 따라 지반의 거동

터 에 미치는 정도가 다르므로 로그램 특성 악이 터 설계시 고려되

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 20: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 11 -

어야 한다고 하 다

한진희(2002)는 터 의 기설계에 있어 터 의 풍화정도가 심한 풍화

암지역의 터 에서는 지반의 불확실성이 연암 경암지반에 비해 상 으

로 커서 실제 계측 변 량이 수치해석의 결과보다 비교 크게 나타나며

연암지반에서 경암지반으로 갈수록 반 로 계측변 량과 수치해석치 보다

작게 산출되지만 그 차이는 미소하여 상당히 일치하는 경향을 나타내었

다 구조물의 거동을 지배하는 다양한 매개변수들 에서 터 의 변 에

가장 향을 주는 인자를 구하기 해 민감도 분석을 실시한 결과 탄성계

수가 가장 크게 계산되었으며 역해석을 통해 지반의 물성치를 계산한 결

과 A 장에서는 탄성계수가 기치 보다 502 감소값으로 산출되었다

이는 실제의 지반 물성치를 설계과정에서 과 평가 하 음을 보여 다

연암지반의 경우 역해석에 의한 탄성계수는 871 증가되었으며 경암지

반의 경우 기 탄성계수보다 1271 증가된다고 하 다

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 21: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 12 -

Ⅲ 자료수집 분석

본 장은 사례 장의 자료를 수집분석하고 일방향역굴착 시 터 의 거동

특성 굴착사례를 분석하 다

31 자료수집분석

본 연구의 상은 00 00항의 철도 물류 수송을 해 건설된 000 000 제

0공구 공사 000도 00시 00리sim00000시 00구 00동 을 통하는 NATM

터 공법이 용된 00터 공사 장이다

터 시 부에는 개설 기 부터 상존하는 민원의 원만한 문제 해결을

해 당 설계된 터 내부 통을 재검토 하여 터 시 부 방향으로

일방향 통을 시도한 장이다

311 주변지형 지질 황

과업구간의 개략 인 지질 황은 생 백악기의 경상계 지층 유

천층군의 안산암질화산 각력암응회암질 퇴 암 유문석 안산암과 이를

입한 불국사화강암류(화강섬록암 암맥)로 구성되며 이를 피복하는 제4

기 충 층으로 구성되어 있다

과업구간의 선구조는 양산단층계의 발달 진화과정과 매우 한

연 성을 지닌 선구조들이 발달되어 있다 갱구부 막장 지질을 Face

mapping 한 결과 풍화암과 연 경암이 혼재하고 있으며 상부 지층 분포

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 22: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 13 -

는 붕 층 풍화토 풍화암 기반암 순으로 존재하고 있으며 주변 지형

지질 황을 lt표3-1gt에 표기하 다

lt표3-1gt 터 주변 지반의 지형 지질 황

00 시 갱

개 도

갱 막 찰

상 측 암 우측

연경암

상태 Slightly Weathered

암 강도 Strong~Very Strong

지 질

지층 포 (GL 00~30m) 암(GL 15~80m) 암(GL

20m~) 순 포하고 지 에 라 다 지층 변 가 다

치하는 암(연경암) 비 양 한 강 암 포하

염 암맥 규 하고 다

막 찰 결과 측 상 에 암층 포하나

Strong~Very Strong 도 암 강도 나타내는 것 평가 (갱 막

찰20075)

고 20m 하 지하는 비 만한 지 나타냄

경사 10deg 내 편 압 향 거 없 단경사 10deg내 만함

312 설계 황(양방향정굴착)

당 갱구부 시공 계획은 횡방향 되메움 경사각 종방향 되메움 경

사각을 고려하여 면벽형 갱문 용이 되었으며 NATM 시 부터 200m

구간은 표 지보패턴 A(갱구부)을 용하 고 비교 양호한 갱구부

암반조건을 고려하여 갱구부 보조공법으로 이 루 (L=120)를 용하

고 이를lt표3-2gt로 요약하 다

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 23: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 14 -

lt표3-2gt 갱구부 굴착계획 지보패턴

당 갱 착계 도 지보 (A)

착 상하 할 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트L=40mCTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 프 루프(L=120m)

313 변경시공계획

변경시공계획(일방역굴착)은 00터 시 부 마을주민의 민원(마을

이격거리230m)에 의하여 터 통 치를 터 시 갱구부로 조

정하여 안정성 확보를 하고자 하 다 일반 으로 일방향굴착에 의

한 터 통은 갱구부 지반의 지형 지반특성 등에 의하여 종방

향 아칭효과에 한 지지효과를 기 할 수 없으므로 극 인 터

보강공법의 용이 요구된다

따라서 변경 시공계획에서는 기존에 수행된 일방역굴착 설계 시공사

례 분석을 통하여「강 다단 그라우 공법(L=120m) + 훠폴링 공법

(L=40m CTC 20m)」 용 통부에는 링컷 분할굴착(L=30m)을

계획하 다

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 24: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 15 -

시공사례 분석을 통하여 사용된 각종공법의 특징을 기술하면 아래와

같고 일방향역굴착 시공계획을 요약하면 lt표3-3gt과 같다

①강 다단 그라우 NATM터 시 에 수평방향으로 터 천단

어깨부에 설치하여 원지반에 빔아치를 형성시켜 터 막장 천단부의

안정성 확보 할 수 있다

②훠폴링 터 굴착방향의 막장면에 설치하여 국부 으로 발생 되기

쉬운 과 굴착 방지 터 막장면의 안정성을 확보 할 수 있다

③링컷분할굴착 통부 막장에 지지코아를 남겨 주변 암반을 분할 굴

착함으로써 상 으로 암반상태가 취약한 통부 안정성을 확보 할 수

있다

lt표3-3gt 갱구부 변경 굴착계획 지보패턴

갱 변경 착계 도 변경 지보 (ldquoArdquo)

착 상하 할 착( 진 10m)

통 -링컷 착( 진 10m)

숏크리트 200mm(강 보강)

볼 트 L=40m CTC 10mtimes15m

강 지 보 H-125times125times65times90

보 공 다단그라우 (12m)+훠폴링(20m)

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 25: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 16 -

32 일방향역굴착 사례

321 일방향 굴착 시 거동특성

일반 으로 터 을 굴착하면 원지반의 정역학 인 평형상태의 기응력

이 교란되어 2차 응력으로 변화하게 되며 동시에 굴착부에서는 변형이

발생된다

터 굴착 막장면 방은 막장면에 의하여 3차원 인 종횡방향 아치

가 형성되나 터 굴착에 의하여 막장면의 진행으로 횡방향 아치만 존재

하는 경향을 나타내며 감소된 종방향 아칭작용에 의하여 지지되던 응력

은 터 지보재에 압력으로 작용하여 내압을 발생시켜 터 주변지반의 변

형을 억제함으로써 안정성을 확보한다

따라서 일방향 굴착(역굴착) 시에는 터 갱구부의 지형 인 특성으로

종방향 아치가 형성되기 어렵고 비교 지반의 공학 인 특성이 불량한

조건 등을 고려하여 굴착방향별 터 변형특성 분석 보강공법 검토가

요구된다

통부 굴착공법은 링컷분할 굴착 상 하 분할 굴착 벽 분할 굴착

등을 해석 으로 비교 검토하여 통부 시공에 가장 안정 이고 지반의

응력을 완화 시킬 수 있는 굴착공법을 선정하여야 한다

터 통시의 변 지반응력에 따른 터 의 안 성에 을 맞추

어 최 의 굴착공법을 선정한다 양방향 굴착과 일방향 굴착의 특징

지보 특성을 요약하면 아래 lt표3-4gt와 같다

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 26: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 17 -

lt표3-4gt 터 갱구부 굴착방향에 따른 특징 비교

양 향 착( 착) 향 착(역 착)

개 도

특 징

갱구부에서 암반조건이 양호한 터

앙부로 굴진함에 따라 암반

의 지속 인 종횡방향 아칭효과에

의해 구조 안정성 양호

지속 인 발 에 의하여 진동

소음에 한 책필요

암반조건이 비교 불량하고 터

피복두께가 얇은 갱구부터 굴착

이 진행됨에 따라 종방향 아칭효

과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리

터 주변지반이 차음재 역할을

(-20dB(A)이상)하여 발 소음에 의

한 향은 미비함

아칭

향 times

지 보

단계 인 종방향 아칭효과 감소가

지보재의 내압을 발생시키는 원리

이므로 지보량이 감소(연성지보)

종방향 아칭효과의 소실과 불량한

갱구부 암반조건에 의하여 강성이

큰 지보 보조공법의 용이 요

구됨(강성지보)

토피 통에 따른 응력-변형

계 고려 천단부 보조공법 극

용 필요

(강 보강그라우 훠폴링)

굴진장 축소로 이완 최소화 필요

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 27: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 18 -

322 일방향 굴착 사례분석

일방향 굴착은 여러 목 에 의하여 사용된 이 있으며 표 으로

부내륙고속도로 터 보령시 국도 체 우회도로 연풍터 산우회

도로 향천터 안성sim음성간 고속도로 1터 에서 사용하 으며 이들

의 용사유는 한결같이 소음이나 민원에 의하여 계획되어 시공된 것임을

알 수 있고 요약하면 lt표3-5gt와 같다

lt표3-5gt 일방향 터 굴착 사례요약

보강 개 도

공 사 공사 간 향 착 용 목

중 내 고 도 10공

1998~2004 비탈 경사 비진 곤란

중 내 고 도 8공 연 2000~2001 시 측에 양 치하여 향

보 시 도 체 우 도 보 2002~2003 진 개 곤란

산우 도 포 공사 향천 2000~2003 공사용 진 개 곤란

안 ~ 간 고 도 6공 1 2005 사 민가에 한 민원

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 28: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 19 -

한 암반조건이 비교 불량하고 터 피복두께가 얇은 갱구부로 터

굴착이 진행됨에 따라 종방향 아칭효과가 소실되어 구조 인 안정성이

다소 불리해진다 lt표3-6gt은 일방향 굴착 막장붕락 사례를 정리한

것이다

lt표3-6gt 일방향터 막장 붕락 개요도

막 락 개 도

락원 훈 용

-터 상부 연약지반을 충분히 고려하

지 못한 굴착 보강계획

-갱구부 기시공에 따른 굴착시 종방

향 아치효과 미형성

-지반조건의 분석 철

-토공부 후 굴착에 의한 터 굴착

종방향 아칭효과 최 화

- 진 역

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 29: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 20 -

Ⅳ 결과 고찰

41 결과

411 수치해석

최근에는 주로 수치해석 기법과 컴퓨터의 발달로 인해 유한요소법이나

경계 요소법과 같은 수치해석 기법을 이용하여 굴진면의 안정성을 평가

하고 있다 표 인 연구로는 Lo 등(1990) Civildini 등(1991) 그리고

Lee와 Rowe(1990)의 연구를 들 수 있다

터 수치해석 시 터 거동의 해석은 계산방법 계산상의 가정 계산에

사용하는 지반의 특성치 등을 충분히 검토하여 실시하고 유사조건에서의

설계 용 실례를 참고하여 종합 으로 단하여 용여부를 결정하여야

한다

해석 시 사용하는 지반의 특성치들은 해당 지반의 시험결과를 통하여

결정할 수 있다 단 공사의 규모 는 장 여건상 시험결과를 얻을 수

없을 경우에는 유사지반의 지반 특성치를 제한 으로 용할 수 있다 이

경우에는 경험이 풍부한 기술자의 단에 의해 지반 특성치들이 결정되어

야 한다 해석에 사용되는 로그램은 그 합성이 확인된 것으로써 지반

의 거동을 히 해석할 수 있는 기능을 보유한 로그램이어야 하며 굴

착단계에 따른 지반 지보재의 변형 응력 변화를 계산하여 터 설계

에 반 할 수 있는 것을 사용하여야 한다

터 에 한 다양한 지반조건 용지보패턴에 하여 실제 시공순서

에 의한 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하등을

측하고 크리트와 록볼트에 발생하는 축력과 응력을 검토하여 지보패턴

이 정성을 검토 할 수 있다

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 30: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 21 -

1) 수치해석 개요

지형 지층분포는 당 설계 자료에 시공 악된 지반특성을 반

하여 용 하 고양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 용된

지보시스템 보강계획을 시공단계별로 모사하여 시공 터 변형특

성 지보재의 안정성을 검토할 수 있도록 모델링에 용하 다

해석 치 00km+86500 sim 00km+92500

수치해석 조건

-해석 역 경계조건 각종 문헌자료를 토 로 터 굴착 시 경계조

건에 의한 구속 향이 배제되도록 결정하 다

-해석 로그램 MIDASGTS Ver202

-해석 모델 Mohr-Coulomb 탄소성 모델

2) 수치해석 특징 로그램 개요

(1) 수치해석 특징

터 에 한 수치해석에서는 다양한 지반조건의 상태를 모두 고려할 수

없으며 특히 암반층에 해서는 해석에 필요한 Parameter를 이용하여 암

반 자체의 기본 인 성질을 근사 으로 이상화시키고 있다

이 게 근사 으로 이상화시킨 Parameter를 가지고 다양한 조건을 부여

하여 여러 가지 지반거동에 한 해석한 결과를 분석할 수 있으므로 임

의의 터 단면을 다양하게 해석함으로써 굴착 시 발생되는 주변지반의

거동을 악할 수 있다

시공 계측결과를 통하여 실제 지반거동으로부터 역해석을 실시함으

로써 Parameter를 재추정하여 설계조건의 개략 인 평가를 내릴 수 있으

나 다양한 지반조건 리 쇄 단층 등과 같은 불연속면에 해서

는 해석시 충분히 고려할 수 없어 정 한 해석에는 한계가 있다

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 31: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 22 -

수 치 해 석(Numerical Analysis)

연속체 모델(Continum)

불연속체 모델(Discontinum)

조합모델(Hybrid)

FiniteElementMethod

FiniteDifferenceMethod

BoundaryElementMethod

DiscreteElementMethod

WedgeBlockAnalysis

FEM+DEM

FEM+BEM

터 에 하여 수치해석을 실시함으로써 터 굴착주변의 변형 침하

의 측 타 구조물의 향을 고려하여 터 유지의 한계선을 설정하여 지

보재 Lining의 설계자료로 활용하고 계측결과를 이용하여 역해석으로 부

터 얻을 수 있는 실제 인 Parameter를 획득 계측된 해석 단면과 유사한

단면에서의 거동 측과 지반 Parameter를 결정하여야 한다

한 근 구조물의 향범 에 한 해석을 실시하여 굴착순서에 따른

응력 변형율 변 의 향이 지하조건에 어떠한 향을 미치는가에 하

여 조사하고 주어진 주변조건에 의한 토목구조물로 최 화시켜 근 지반

의 각 조건에 따른 응력 흐름의 이해와 해석을 통하여 터 구조체의 단

면을 완성할 수 있게 된다

(2) 수치 해석 기법

터 을 해석하기 한 수치해석 방법에는 지반을 연속체로 가정한 근

방법과 불연속체로 가정한 근 방법 두 가지 방법을 혼합한 조합 모델

지반반력모델 등으로 구분할 수 있다 개략 인 분류는 아래 lt그림4-1gt

와 같다

lt그림 4-1gt수치해석의 종류

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 32: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 23 -

연속체 모델에는 유한 요소법(Finite Element Method) 유한차분법

(Finite Difference Method) 경계 요소법(Boundary Element Method) 등

이 있으며 본 연구에서 용한 로그램은 MIDASGTS로 연속체 모델

에 해당하는 로그램이다

불연속체 모델에는 개별 요소법(Distinct Element Method) 기안정해

석(Wedge Stability Analysis) 등이 있으며 지반의 리조건을 고려하여

터 의 안정해석을 하기 한 UDEC 터 벽면에서의 암괴붕락에 해

안정성을 평가할 수 있는 UNWEDGE 등이 불연속체 모델을 이용하는

로그램이다

조합모델(Hybrid Method)은 에서 언 한 두 가지 이상의 수치해석기

법을 혼용하는 방법으로 각 해석기법이 내포하고 있는 장 을 살리고 단

을 보완함으로써 실제 상황을 보다 효율 으로 표 하는 모델을 형성할

수 있다 다음 lt그림4-2gt는 수치해석 로그램의 터 갱구 3D 해석모델

이다

lt그림4-2gt MIDAS-GTS 3D 해석모델

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 33: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 24 -

아래 lt표4-1gt은 수치해석 기법의 내용과 장 단 을 요약 비교한 것이

lt표4-1gt 수치 해석 기법의 종류 특징

내 용 단

(FEM)

각 요소를 기하학 인 크기로

분할하고 기 지반상태의

변화에 따라 응력 변형

해석을 실시하고 해석법은

Implicit임

고도의 복잡화된 지반

터 특성의 해석이 가능

굴진에 따른 시간 인 향

고려 가능

재료의 불균질성을해석

용량Computer

장용량 필요

경계요소설정이

명확하지 않음

한차

(FDM)

요소를 기하학 크기로

분할하며 미지요소 해석

방법은 Explicit임

체 행열을 구성할 필요가

없으며 불균형력에 따라

미소변화

시간진행과 같은 거동해석

용이

행열을 구성하지 않기

때문에 Computer용량이

음 동 계산에 효과

정 문제에 있어서

타 수치해석보다

소요시간이 김

경 계

(BEM)

굴착경계만으로 문제 역의

생성이 가능하고 선형 방정식

을 편미분방정식의 분으로

해석하며 굴착경계는 외부

경계로 용

방정식 생성이 상 으로

작음

Computer 용량의 소형화

입 출력이 간단 과정 용이

지반의 선형 연속

지반 거동에 국한

시간에 의한 효과 를

Model화 하기 곤란

복잡한 건설공정이

재료의 시간 의존

특성 고려 곤란

개 별

(DEM)

연속체 Model화하지 않고

개별 Block으로 생성하고

지반체 변형이 강체 Block

사이의 리를 따른 이동에

지배됨

리도가높은 Model에

단히 효과

Computer 용량이 비교

작음

리의 치 방향의

입력이 계산에

필요하므로 이러한

Data 입수의 곤란함

쐐 해

일련의 불연속면으로

이루어진 Block이

력의 향에 의해서

활동력을 받음

기하학과 정역학을 이용한

한계평형방법이 근간

리도가높은 Model에

효과

키블록(Key Block)의

크기를 결정할 수 있으므로

막장에서의 한

지보선택 가능

부식암반Cracking

층의 휨 등을 무시

불연속면 과 굴착

면은입력매개변수에

의해서만 결정

정확한 Data의 산정

을 해 통계처리가

필요

지반 반력계수법 으로 지칭

Lining은 보요소 모형화

주변지반은 스 링 요소로

모형화

범용 구조계산 로그램

사용가능

해석과정 연산시간 컴퓨터

기억용량 소모 음

터 지반상태의

단순화

지반스 링요소의

강성 외력산정이어

려움

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 34: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 25 -

3) 수치해석 용 로그램

(1) 로그램 개요

정 동 평형방정식 연속방정식을 선택하여 3차원 연속체 공간을

유한요소로 생성시키고 강성행렬에 의해 구해진 변 벡터를 합 방정식

구성 방정식을 통해 응력-변형률 수렴해를 구한다 정해석 침투해석

압 해석 고유치해석 응답스펙트럼 해석 동해석의 다양한 해석분야에

용 가능이 가능하다

(2) 로그램 특징 - 용이론 유한요소법(FEM)

강력한 모델링 기능과 비쥬얼 기능으로 보다 정확하고 빠르게 원하는

지반에 한 모델링 가능하다 다양한 구성모델을 통한 장조건을 반

한 최 의 수렴해 제공하고 이질 재료의 상호거동 해석을 한 다양한

인터페이스 용이 가능하다 갱구부 구간의 3차원 지형형상과 복잡한

지반조건에 한 용성이 우수하다 아래 lt그림4-3gt는 용 로그램의

수치해석 순서도이다

lt그림4-3gt 로그램 해석 순서도 MIDASGTS

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 35: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 26 -

4) 수치해석 조건

(1) 해석조건 경계조건

수치해석 범 의 설정은 주 심 부분(터 공동 등)의 계산결과에 경계

조건의 향이 미치지 않도록 하기 해서 매우 요하다 즉 터 굴착

에 따른 지반의 응력 향권 역을 해석 역으로 설정하여야 한다

Kulhawy(1974)는 경계조건이 터 해석 결과에 향을 미치지 않게 하

기 해서는 해석의 범 가 터 직경의 3배 이상 떨어져야 한다는 주장을

하 고 도로설계 요령에서는 터 직경의 15배 고속도로설계에서는 터

직경의 25배 터 표 시방서에는 터 직경의 2배로 제시하 다

특히 터 좌우 측방 해석범 는 지반의 기응력 상태(정지 토압계수

Ko)에 향을 받으며 Ko값이 클수록 향범 는 증가한다 해석 역의

경계조건은 좌 우측 하부는 롤러조건을 양단 모 서리는 힌지조건을

용하 다 해석 역과 지반정수는 다음 lt표4-2gt lt표4-3gt과 같이 결

정하 다

lt표4-2gt해석범 의 제시 사례 용

구 분 Kulhawy도로설계

요령

고속도로

터 설계

실무 자료집

터 표

시 방 서

본 연구 용

해석범

해 석

상부지표면

측방 3D

하부 3D

상부지표면

측방 15D

하부 10D

상부 지표면

측방 25D

하부 20H

상부지표면

측방 20D

하부 15H

상부 지표면

측방40D 이상

하부30H 이상

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 36: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 27 -

lt표4-3gt설계지반정수

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

층 1500 05 30 190 035

3200 25 30 190 033

암 19000 50 33 220 030

암 등 V 20000 100 30 200 030

암 등 IV 170000 300 35 230 027

암 등 III 550000 800 40 255 025

(2) 보강공법의 물성치 용(강 다단 그라우 )

본 연구에 용된 강 다단 그라우 보강 역의 물성값은 당 설계에

서 제시한 원지반 그라우 의 강도특성과 강 의 재원을 고려한 환산

강성을 결정하는 방법에 의하여 결정하 다

실제 시공조건을 모사하기 하여 그라우 이 보강되는 역의 원지반

과 그라우 의 환산강성을 산출하여 수치해석에 반 하 고 강

(Oslash508mm)은 Frame요소를 사용하여 수치해석 모델링에 용하 다

각종 문헌자료에 의하면 그라우 의 지반보강효과는 지반의 변형계수

착력을 증가시키며 지반조건이 양호할수록 착력의 증가는 미소한

경향을 나타내는 것으로 보고되었다

따라서 본 수치해석에서는 강 다단 그라우 보강 역의 변형계수

착력을 등가 환산법에 의한 산출결과를 용하 으나 암반조건이 양호

한 암반등 Ⅲ 역에는 변형계수만 증가시켜 용하 다

lt그림4-4gt는 강 다단 그라우 의 갱구부보강의 개념에 하여 설명

하 다

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 37: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 28 -

강 다단그라우 보강 개 도

lt그림4-4gt강 다단 그라우 보강 개념도

등가변형계수산정(원지반+그라우 )

times times

여기서 Vgrout 그라우 구근 부피

Vground 원지반 부피

Vtotal 보강 역 총부피

Vsteel 강 (Oslash508mm) 부피

Egrout 그라우 탄성계수

Eground 원지반 변형계수

lt표4-4gt강 다단 그라우 보강 역 용 물성값

변 계수

(tonfm2)

(tonfm2)

내 마찰각

( ˚)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

암 등 V 178000 1645 30 200 030

암 등 III 623000 800 40 255 025

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 38: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 29 -

(3) 지보재의 허용응력

lt표4-5gt 지보재 특성치

탄 계수

(tonfm2)

단 중량

(tonfm3)

포아 비

()

압 강도

(kgfcm2)

숏크리트연 500000 20 02 100

강 1500000 20 02 200

볼 트 21000000 785 - 3500

lt표4-6gt 크리트 허용응력

준 계 준강도 (kgfcm2)허용

(kgfcm2) (tonfm2)

허용

강 800 800

연 400 400

허용

강 ( ) 594 594

연 ( ) 420 420

등가 강도

68

강 (강 ) 3060 3060

연 (강 ) 1428 1428

허용

강 354 354

연 250 250

lt표4-7gt록볼트 허용축력

단 (m2)허용 허용

(tonfEA)(kgfcm2) (tonfm2)

허용 D25 00005067 1750 17500 86

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

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42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

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424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 39: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 30 -

(4) 용굴착 계획

가) 양방향정굴착

당 갱구부 설계 시 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등

4)패턴을 보조공법은 이 루 를 용하 고 지보재 규격은

lt표4-8gt와 같다

lt표4-8gt 양방향정굴착 시 용패턴 보조공법

지보 A-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 프 루프 -

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

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본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 40: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 31 -

나) 일방향역굴착

변경 굴착계획은 갱구부는 ldquoArdquo(암반등 5) ldquoBrdquo(암반등 4)패턴을 보조

공법은 강 다단 그라우 훠폴링을 용하 고 지보재 규격은

lt표4-9gt와 같다

lt표4-9gt 일방향역굴착 시 용패턴 보조공법

지보 ldquoA-갱 용 지보 B

지 보 도

착 공 상하 할 착( 통 링컷 할 착) 상하 할 착

진 10 m 15 m

SC 께 200 mm 120 mm

RB

40 m 40 m

간격

향 10 m 15 m

향 15 m 15 m

보 공 강 다단 그라우 + 훠폴링 -

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

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참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 41: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 32 -

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

(5) 로그램 해석 단계

가)양방향정굴착

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보(시 ) ④ 하 착 지보(시 )

lt그림4-5gt양방향 굴착 해석 순서

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 42: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 33 -

① 단계(시 ) ②갱 착 보강(시 )

③ 상 착 지보( 시 ) ④ 하 착 지보( 시 )

⑤ 지보재 치 ⑥ 착 료(시 )

나)일방향역굴착

lt그림4-6gt일방향 굴착 해석 순서

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

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시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

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2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

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크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

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갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

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측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

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感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 43: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 34 -

412 분석결과

1) 천단 침하의 분석 결과

천단침하 발생경향은 양방향정굴착 일방향 역굴착 모두 굴착이 진행

됨에 따라 변 가 증가하다가 일정범 내로 수렴하는 것으로 나타났다

최 변 량은 양방향정굴착시 15mm 일방향역굴착시 15mm 발생하며

일방향역굴착의 장계측치는 30mm정도로 측정 되었다 침하결과 수치

를 보면 통부에서 미소한 변 를 나태내고 있다

일반 으로 일방향 역굴착시 아칭효과 감소로 천단 침하량이 크게 발생

되나 보조공법으로 용된 강 다단 그라우 공법에 의한 천단부 강성

증 그라우 에 의한 지반 고결 효과에 의하여 터 천단침하가 감소

하는 것으로 나타났다 아래lt그림4-7gtlt그림4-8gt은 해석결과 양방향정

굴착과 일방향역굴착시 천단 변 량을 나타낸 그래 이고 lt그림4-9gt는

사례 장 시공 시 동일한 치에 계측기를 설치하여 실측값을 나타낸 그

래 이고 lt표410gt시공단계별 천단침하량이다

양 향 착

lt그림4-7gt양방향정굴착시 천단변

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 44: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 35 -

향역 착

향역 착- 계측치

lt그림4-8gt일방향역굴착시 천단변

lt그림4-9gt일방향역굴착시 천단변 ( 장계측치)

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 45: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 36 -

시공단계양방향정굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

(수치해석결과)

일방향역굴착

( 장실측치)

계측기

설치 치-5m -10m -20m -5m -10m -20m -5m -10m -20m

0 00 00 00 00 00 00 00 00 00

1 00 00 00 00 00 00 00 00 00

2 00 00 00 00 00 00 00 00 00

3 00 00 00 00 00 -01 00 00 00

4 -01 00 00 00 00 -02 00 00 00

5 -01 -01 00 00 01 -02 00 00 00

6 -03 -01 00 00 01 -02 00 00 00

7 -05 -03 00 00 01 -02 00 00 00

8 -07 -05 00 00 01 -05 00 00 00

9 -09 -07 00 00 01 -07 00 00 00

10 -10 -09 00 00 01 -09 00 00 00

11 -11 -10 00 01 01 -11 00 00 00

12 -12 -11 00 01 01 -12 00 00 00

13 -13 -12 00 01 01 -13 00 00 00

14 -13 -13 00 01 00 -14 00 00 00

15 -14 -13 00 01 00 -14 00 00 00

16 -14 -14 00 01 00 -14 00 00 -20

17 -14 -14 00 01 -01 -15 00 00 -20

18 -14 -14 00 01 -03 -15 00 00 -30

19 -14 -14 00 01 -05 -15 00 00 -30

20 -14 -14 -01 00 -07 -15 00 00 -30

21 -14 -14 -02 00 -08 -15 00 00 -30

22 -14 -14 -06 -01 -09 -15 00 00 -30

23 -14 -14 -09 -03 -10 -15 00 00 -30

24 -14 -14 -11 -05 -10 -15 00 00 -30

25 -14 -14 -13 -06 -11 -15 00 -10 -30

26 -14 -14 -14 -08 -11 -15 00 -20 -30

27 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -20 -27

28 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -29

29 -14 -14 -14 -11 -12 -15 00 -30 -31

30 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -20 -30 -33

31 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -25 -30 -31

32 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -26 -30 -32

33 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

34 -14 -14 -15 -11 -12 -15 -30 -30 -30

lt표4-10gt시공단계별 천단침하량

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 46: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 37 -

2)지보재 응력의 분석 결과

크리트응력 락볼트에 한 정 계측을 갱구부-20m지 에 설치

측정하여 아래 lt그림4-10gt lt그림4-11gt에 크리트 락볼트의 양

방향정굴착 일방향역굴착 최 응력값을 비교하여 나타내었다

크리트 휨응력 락볼트 축력 모두 허용응력 이내에서 만족하는 것

으로 나타났다 락볼트 축력은 통지 에서 최 로 발생하는 것으로 나

타나고 크리트 응력은 굴착을 개시하면서 격히 증가 양상을 보이다

통지 에서 안정한 것으로 나타났다

최 크리트 휨압축응력은 지반의 종방향 아칭효과를 기 할 수 있는

양방향정굴착 조건에서 다소 작게 검토되었으며 록볼트 축력은 일방향

역굴착의 훠폴링 강 다단 그라우 지보효과로 일방향역굴착조건에

서 작게 발생되는 것으로 나타났다 다음은 수치해석결과 허용 응력의

비교값이다

① 크리트 휨압축응력

- 양방향 굴착(정굴착) 1753tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 1654tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 875tonfm2 < 800tonfm2 (OK)

②록볼트 축력

- 양방향 굴착(정굴착) 155tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(역굴착) 153tonf < 86tonf (OK)

- 일방향 굴착(계측치) 720tonf < 86tonf (OK)

- 38 -

크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 47: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

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크리트 응력

lt그림4-10gt 크리트 응력

볼트

lt그림4-11gt락볼트 축력

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갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

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42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

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424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

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Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

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본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

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참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 48: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 39 -

갱 비탈 변 (DY)

3)갱구 비탈면 변 의 분석 결과

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일

방향 굴착(역굴착)조건에서 lt그림4-12gt와 같이 각각 면방향으로 최

0178mm와 0222mm가 발생되는 것으로 나타났다 장 계측결과에서는

최 변 가 통부 10m 방을 통과할 때 075mm 발생하는 것으로 측

정되었다 수치해석값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여

러 가지 시공상의 변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차

이가 나는 것으로 단된다

양방향 굴착(정굴착) 일방향 굴착(역굴착)에 의한 갱부 비탈면의 거

동특성을 분석한 결과 일방향 굴착(역굴착)조건이 다소 불리한 것으로 분

석되었으나 그 변 량이 매우 미소하게 발생되었다

lt그림4-12gt갱구부 비탈면 변

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 49: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 40 -

측정 치지발당 장약량

(Kg)

진동치

(Kine)

소음치

(A)

양방향

정굴착

(250m 방

에서 측정)

갱구부 90 006 805

+3m 90 004 730

+6m 90 004 736

+9m 90 004 734

+12m 90 004 733

+15m 90 004 732

+18m 90 004 726

+20m 90 004 725

일방향

역굴착

(260m후방

에서 측정)

-20m 90 002 572

-18m 90 002 603

-15m 90 004 605

-12m 90 004 614

-9m 90 004 643

-6m 90 004 655

-3m 90 004 66

갱구부 90 005 742

4) 진동 소음 측정 결과

진동 소음의 감 효과를 분석하기 해서 동일한 장내의 유사조건의

지질에서 계측된 진동 소음측정치를 lt표4-11gt과 같이 비교 분석하 다

lt표4-11gt일방향역굴착과 양방향정굴착시 진동 소음 측정 결과

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42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

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424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 50: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 41 -

42 고찰

421 천단침하에 한 고찰

일방향 굴착과 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량은 모두15mm로 서

로 유사한 것으로 나타났고 장 계측치는 최 30mm로 측정되었다 일

방향 굴착의 경우 종방향 아칭효과를 기 할 수 없어 침하량이 정방향 굴

착에 비하여 크게 나타나야 하지만 유사하게 나타난 이유는 일방향역굴착

시 터 상부에 설치된 보조공법(강 다단 그라우 )의 향으로 단된

422 지보재응력에 한 고찰

크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내로 터 안정성을 확보

하는 것으로 나타났다 특히 록볼트 축력은 장계측치에서 허용응력의

84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간에서 측벽부에 설치된 락

볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된다

423 갱구 비탈면 변 에 한 고찰

갱구 비탈면 변 는 막장이 진행됨에 따라 양방향 굴착(정굴착) 일방

향 굴착(역굴착)조건에서 계산치가 실측치보다 작게 나타났는데 수치해석

값과 실제 시공시에는 수치해석시 반 하지 못하는 여러 가지 계산상의

변수가 있고 이러한 원인에 의하여 수치해석 결과와 차이가 나는 것으로

단된다

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 51: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 42 -

424 진동 소음에 한 고찰

터 갱구부에서 굴착을 진행하는 양방향정방향 굴착은 갱구부에서 소

음치가 805dB로 최 값이 측정 되었다 반 로 터 내부에서 외부로 굴

착을 진행하는 일방향역굴착의 경우 측정 기에는 572dB로 작은값이 발

생하고 굴착이 종료되는 구간까지 측정값이 17dB정도 증가한 값을 얻을

수 있었다 측정값의 증가는 마지막 발 구간인 갱구부에서 외부로 발

폭음 노출되어 크게 측정된 것으로 갱구부 발 3sim18m구간에서는

6dB정도 증가하 다

양방향정굴착의 경우 일방향역굴착과 측정 거리는 거의 동일하지만 소

음 측정치가 기와 유사하면서 감소하지 않는 경향을 보이는데 이는 발

폭음이 감쇄되지 못하고 외부로 노출되는 원인에 의한 것으로 볼 수 있

반면 진동측정치의 경우에는 역방향 굴착이 정방향 굴착에 비하여 진동

감쇄효과가 크지 않는데 이는 진동을 달하는 매질이 유사한 암반조건이

므로 진동치가 감소하지 못하는 결과를 얻을 수 있었다

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 52: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 43 -

Ⅵ 결 론

NATM터 에서 일방향역굴착에 따른 터 거동 안정성에 해 연구

하고자 비해석결과와 사례 장에 한 계측치를 비교분석한 결과 다음

과 같은 결론을 얻었다

1 종방향 아칭효과를 기 할 수 없는 일방향역굴착의 침하량이 다소

크게 나타나야 하나 일방향 양방향 굴착 시 계산된 천단 침하량이 모

두15mm로 서로 유사하게 나타난 것은 보조공법(강 다단 그라우 )의

향으로 단되었다

2 크리트 록볼트 응력은 모두 허용값 이내이나 록볼트 축력은

장계측치에서 허용응력의84 정도 발생하 는데 이는 강 다단보강 구간

에서 측벽부에 설치된 락볼트의 하 분담율이 높아진 결과로 단된

3터 굴착에 따른 갱구부 비탈면 방변 는 수치해석 결과나 장 계

측 결과 모두 변 자체는 미소하여 일방향역굴착 양방향굴착 방법 모

두 갱구부 변 에는 크게 향을 주지 못하는 것으로 나타났다

4 연구 상 장과 유사한 조건에서 진동 소음 측정치를 비교한 결

과 진동측정치는 큰 차이 없이 유사하 고 소음측정치는 갱구부에서20m

지 을 비교하면 15dB정도의 소음 감효과가 있는 것으로 나타났다

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 53: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 44 -

본 연구결과와는 달리 시공 에는 발 에 의한 지반이완 버력처리 기

간 동안의 지보설치 시기의 지연 등 수치해석 결과와 달리 장에서 발생

될 수 있는 여러 가지 변수들이 상존한다 따라서 부득이한 불안정 요인

이 발생할 수 있으므로 계측기(터 변 지보재 응력 사면변 계측

등)의 조기설치 분석을 통하여 터 거동을 지속 으로 리하고 이상

징후 발생 시에는 신속히 한 보강 책(지보량 증 굴착속도 조

갱구부보강 등)을 수립 해야 한다

그리고 일방향역굴착 목 이 터 갱구부의 발 로 인한 민원 방지 이

므로 더욱더 연구방향에 한 효과를 극 화 하기 해서는 발 소음진

동 향 발 로 인한 주변지반 이완을 최소화하기 하여 지반조건이

허용하는 범 에서 주변 지반 이완 충격을 최소화하기 한 이커

백호를 이용한 기계굴착공법 갱구부 일부구간에 용하면 일방향역굴

착에 한 장 을 최 한 높일 수 있다고 생각 된다

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 54: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 45 -

참 고 문 헌

1ldquoUmbrella Arch 공법에 의한 터 천단부 보강시 주변지반의 거동에 한 연구rdquo(배규진 등

한국암반공학회 1997)

2ldquo연약지반내 굴착터 의 안정성 평가 최 보강설계에 한 연구rdquo(신희순 등 한국암

반공학회 1997)

3ldquo그라우 에 의한 터 보강 효과의 연구rdquo(김문겸 등 한국암반공학회 1996)

4ldquo부산신항배후철도터 보고서rdquo(삼성건설 한국철도시설공단 200305)

5ldquo일방향 터 굴착에 의한 통시 원지반 거동 해석 방안 석사학 논문rdquo (김형식

경남 학교 200612)

6ldquo도로설계편람 제6편 터 rdquo (건설교통부 1999)

7ldquo3차원 터 해석에 의한 강 다단 그라우 의보강효과rdquo(김형탁 단국 학교 1995)

8ldquo토사터 굴착에 따른 주변지반의 변 측에 한 연구rdquo(배규진 연세 학교 1989)

9ldquo터 굴반에 따른 지반 변형에 한 연구rdquo(성우기 한양 학교 1992)

10ldquoNATM터 에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구rdquo(황태

하 단국 학교 2000)

11ldquo 장계측과 수치해석을 통한 암종별 NATM 터 거동의 비교 분석rdquo(한진희 경희 학

교 2002)

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌
Page 55: NATM 터널 일방향 역굴착에 따른 터널거동 및 안정성에 관한 연구

- 46 -

感謝의

늘 바쁘고 힘든 직장생활 속에서도 배움의 길을 걸어야겠다는 신념

과 각오로 학원 학업을 시작하게 되었고 이제 그 결실로 이 게 졸

업이라는 끝맺음을 하게 되었습니다

부족한 에게 끊임없는 지도와 편달로 이끌어주시고 학문의 토 를

마련해 주신 지도교수 이 교수님께 진심으로 고개 숙여 깊은 감사

의 뜻을 올립니다 그리고 논문이 완성되기까지 따끔한 질책과 심으

로 지도해 주신 김수용 교수님 정두회 교수님 논문이 마무리되기까지

많은 도움을 주신 시공연구실의 김창수님께도 감사의 마음을 합니

한 바쁜 장 일정에도 학문을 닦을 수 있게 많이 배려해주신 김

구 김장득 소장님 유 선 장님 김정원 과장님 김 일 과장님

터 의 기 에서 부터 많은 부분을 길잡이 해주신 박 철 형 학업으

로 생긴 업무의 공백을 음으로 양으로 메워 동료 재헌 오 상우

원섭이 등 모두에게 진심으로 감사의 마음을 하고 싶습니다

마지막으로 키워주시고 늘 아껴주신 어머님 형님 나 매형 그리고

조용히 내조를 아끼지 않은 사랑하는 부인 이 선님 그리고 딸 奫宙

아들 宗範이와 함께 결실의 기쁨을 나 고 싶습니다

2008년 08월

盧 守 東

  • Ⅰ 서론
    • 11 연구의 배경
    • 12 연구의 목적
    • 13 연구의 범위
    • 14 연구의 방법
      • Ⅱ 이론적 배경
        • 21 NATM 공법개요
        • 22 NATM 공법특징
        • 23 NATM 터널의 특성
          • 231 터널천단부의 지반침하
          • 232 터널 주변의 지반변위
          • 233 터널막장면 아칭효과
            • 25 문헌연구
              • Ⅲ 자료수집 및 분석
                • 31 자료수집분석
                  • 311 주변 지형 및 지질 현황
                  • 312 설계현황(양방향정굴착)
                  • 313 변경시공계획(일방향역굴착)
                    • 32 일방향역굴착 사례
                      • 321 터널갱구부 굴착방향에 따른 거동특성 분석
                      • 322 일방향역굴착 시공사례분석
                          • Ⅳ 결과 및 고찰
                            • 41 결과
                              • 411 수치해석
                              • 412 분석결과
                                • 42 고찰
                                  • 421 천단침하에 대한 고찰
                                  • 422 지보재응력에 대한 고찰
                                  • 423 갱구비탈면 변위에 대한 고찰
                                  • 424 진동 소음 분석 결과 및 고찰
                                      • Ⅴ 결론
                                      • 참고문헌