3차원 지하공동 굴착 및 지보의 진행에 따른 암반의 응력경로에 관한 연구

Abstract

초기응력의 작용을 받고 있는 암반에서 지하공동 굴착 시 지하공동 주변의 암반은 응력경로에 영향을 받으며 암반에 작용하는 응력상태에 따라 다양한 파괴 양상과 변형 거동을 보인다. 응력경로는 지하공동의 형상과 위치, 막장면 등의 영향을 받으며 복잡한 경우에는 어떠한 거동을 보일지 쉽게 예측할 수 없다. 본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 통하여 지하공동 굴착 및 지보의 진행에 따른 암반의 응력경로를 분석하였다. 지보작업 모델링은 숏크리트와 록볼트에 대하여 각각 수행하였고 측압계수(K=0.62, 2.44, 4.26) 변화에 따른 응력경로를 분석하였다. 굴착의 진행에 따른 영향 범위는 막장면이 진행함에 따라 계측점으로부터 1D(D=공동의 등가직경) 전방에서 1D 후방까지 굴착에 의한 영향을 받았으며 굴착지점은 다르지만 유사한 응력패턴을 나타내었다. 굴착 및 지보의 진행에 따른 지하공동 주변의 안정성 평가를 위하여 응력경로와 파괴포락선과의 관계를 분석하였다. 굴착에 의한 응력 재분배로 인해 지하공동 주변에서의 최종 응력상태는 최소주응력이 감소하는 경향을 보였다. 취성파괴기준을 적용한 결과 측벽부에서는 스폴링 파괴영역을 지나가는 응력이력을 확인하였다. 지보를 설치한 경우 최종 응력상태는 무지보일 경우보다 최소주응력이 증가한 삼축응력상태로 변화하였다. 그러나 측압계수가 4.26과 같이 높은 경우 천반부에서는 소성영역이 발생하였고 취성파괴기준을 적용한 결과 측벽부에서는 스폴링 파괴영역을 지나가는 응력이력을 확인하였다. 지하공동주변의 추세이격비는 대부분 (-)값을 나타내어 불안정한 경향을 나타내었지만 숏크리트 및 록볼트 설치로 인하여 추세이격비가 증가하였다. 숏크리트 타설로 인하여 6.8%~9.1%, 록볼트 설치로 인하여 6.4%~11% 추세이격비가 향상되었다. 무지보와 숏크리트 및 록볼트를 설치한 경우 지하공동 주변에서의 추세각은 주로 불안전한 경향, 응력집중 및 응력증대 경향, 응력이완 경향에 분포하였고 지보설치로 인하여 불안전한 경향이 감소하였다. 숏크리트 타설로 인하여 8%~12%, 록볼트 설치로 인하여 3%~11% 불안전한 경향이 감소하였다.