지반-라이닝-계면 상호작용모델을 이용한 터널 지반하중 산정에 대한 수치해석적 연구

Abstract

터널 구조물 중 하나인 콘크리트라이닝에 작용하는 지반하중은 최근까지 보수적인 재래식 하중산정법을 적용하였다. 그러나, 재래식 하중산정법은 적용방법의 모호함이나 산정값의 과다함으로 개선이 필요하다. 이를 개선하기위해 수치해석적 방법인 지반-라이닝 상호작용모델의 적용이 필요하다. 실제 거동과 유사한 수치해석을 위해 지반과 라이닝 사이의 불연속성 모사가 중요하다. 또한, 수치해석적 방법은 지반조건의 변화를 지반하중으로 산정하는데 많은 노력이 소요된다. 본 논문에서는 콘크리트라이닝에 작용하는 지반하중을 수치해석적 방법인 지반-라이닝-계면 상호작용모델로 산출하고 회귀분석식인 지반하중 상관식을 제안하였다. 지반-라이닝-계면 상호작용모델은 지반과 1차지보(또는 콘크리트라이닝) 사이에 존재하는 불연속성을 모사함으로써 지반하중이 작용하는 실제 거동과 유사한 수치해석이 되도록 하였다. 불연속성 모사를 위해 사용된 계면요소는 변수연구를 통해 수치해석에 적용할 특성치를 결정하였다. 본 모델을 이용하여 다양한 지반조건과 토피조건에 대해 수치해석을 수행하여 지반하중을 산정하고 회귀분석을 통한 지반하중 상관식을 제안하였다. 제안된 상관식은 다양한 지반조건 변화에도 수치해석을 위한 노력이 필요없이 간단한 지반하중 산정의 수단이 될 수 있다. 본 연구결과 제안된 지반-라이닝-계면 상호작용모델의 지반하중 상관식을 이용하여 지반하중을 산정한 결과 기존에 제안된 상관식에 비해 RMR Ⅳ등급～풍화암 지반조건에서는 40%～200%(평균 82%), 풍화토 지반조건에서는 50%～57%(평균 54%)로 지반하중이 계산되었다. 본 모델은 터널 콘크리트라이닝에 지반하중이 작용하는 작용기구를 유사하게 모사하는 지반하중 산정방법이라고 할 수 있고, 제안된 상관식은 다양한 지반조건에서도 용이한 콘크리트라이닝 설계를 가능하게 할 수 있다.