세그먼트 라이닝과 슬래브 연결형식에 따른 복층터널의 역학적 거동에 관한 연구

Abstract

세계의 대도시들은 도심 교통 혼잡을 줄이고, 쾌적한 환경을 조성하기 위하여 지하 교통 네트워크를 구축하고 있다. 이와 같은 추세를 반영하여 국내도 지하 교통 네트워크 건설을 계획하고 있다. 이러한 대도시의 지하터널 건설에는 굴착 중 도심지의 진동과 소음 최소화가 필수적이며 이를 위해 쉴드TBM에 의한 기계화 공법이 필요하다. 그리고 교통, 수로, 공동구 등의 다목적 활용과 제한된 공간의 활용을 극대화하기 위해 복층터널의 적용성이 높아지고 있다. 하지만 이러한 쉴드 TBM에 의한 복층터널과 관련된 기존의 연구들은 슬래브에 한정되거나, 세그먼트 라이닝에 한정되는 단순모델 위주로 검토되어 왔다. 따라서 슬래브와 세그먼트 라이닝을 복합적으로 연계시켜 역학적 거동을 파악하는 것이 필요한 것으로 판단되었다. 본 연구에서는 세그먼트 라이닝 설계를 위한 해석모델, 하중, 지반반력 스프링 계수, 세그먼트 이음부 스프링 계수 등의 기본적 이론을 분석하였고, 복층터널의 사례를 수집하여 그 특성을 분석하였다. 복층터널은 여러 개의 슬래브가 설치될 수 있다. 상부 슬래브는 보통 환기용으로 작용하는 하중이 작으며, 또한 환기방식에 따라 생략될 수 있으므로 분석에서 제외하고, 중간슬래브와 하부슬래브를 거동분석을 위한 복층터널 제원으로 적용하였다. 그리고 복층터널 슬래브에 작용하는 하중과 슬래브와 세그먼트 라이닝과의 연결구조에 대해 분석을 하였으며, 중간슬래브의 유무와 측압계수에 따른 매개변수 해석을 수행하여 세그먼트 라이닝의 거동변화를 분석하였고, 이를 통하여 복층터널에서의 슬래브의 영향성을 확인하였다. 내부공간의 사용목적에 따라 슬래브와 세그먼트 라이닝의 연결형식은 고정형과 분리형 두가지 형식이 있다. 이를 반영하여 측압계수 값과 슬래브와 세그먼트 라이닝의 연결형식에 따른 수치해석을 수행하여 복층터널의 역학적 거동을 분석하였다. 그 결과 슬래브 연결구조의 고정형 적용은 슬래브에 발생하는 휨모멘트를 감소하여 슬래브의 슬림화에는 유리하지만, 슬래브 하중과 거동이 세그먼트 라이닝으로 전달되어 세그먼트 라이닝에 작용하는 단면력이 증가하고 연결부에 하중이 집중되어 경제성과 안정성에 불리한 결과를 보이는 것으로 나타났다. 그러므로 슬래브와 세그먼트 라이닝의 연결형식은, 말레이시아의 SMART 터널과 같이 수로 등의 특수목적으로 인한 내수압의 발생 등 특별한 조건일 경우를 제외하고, 분리형의 적용이 일반적으로 유리함을 확인하였다.