터널 전방의 지반강성 변화 예측을 위한 수치해석적 연구

Abstract

터널설계는 불확실한 지반정보를 바탕으로 작성되기 때문에 초기설계에서 감안하지 않았던 연약대가 존재한다면 시공 중 터널의 붕괴를 가져올 수도 있다. 연약대 예측은 터널 시공에서 중요 요소로 초기 지반조사로는 부족하며 시공 중 변위계측의 결과분석을 이용해야 한다. 하지만 현장에서 계측의 중요성에 대한 인식 부족과 계측의 방법, 빈도, 기간, 정보 분석에 대한 기준이 명확하지 못해 변위결과가 효과적으로 이용되지 못하는 경우가 많다. 또한 터널시공 관계 상 계측에 많은 시간을 할애할 수 없기 때문에 계측자료를 이용할 명확한 가이드라인이 필요하게 되었다. 오스트리아의 터널의 현장계측에서 막장면이 연약대에 근접함에 따라 큰 종방향 변위가 계측되었고, 이를 통해 수직방향 변위에 대한 종방향 변위의 비로 표현되는 변위벡터방향이 제안되었다. 이는 균질한 지반에서 일정한 값을 가지지만, 막장면이 연약대에 근접할 때 증가 양상을 보여 연약대 예측에 이용될 가능성이 제기되었다. 본 연구에서는 등방성 지반에서 연약대의 두께, 연약대의 강성, 지보유무를 조건으로 두고 변위벡터방향을 이용하여 연약대를 예측하였다. 이때 연약대가 예측되는 막장면의 위치는 연약대 후방으로 터널 직경의 최소 1배, 최대 4배의 거리에 있을 때로 나타났다. 또한 엽리와 같은 평면구조로 인한 평면이방성 지반에서 변위벡터방향을 이용해 연약대 예측을 하면 엽리의 기하구조에 관계없이 연약대 후방으로 터널 직경의 최소 1.5배의 거리에 막장면이 있을 때 예측되었고, 공간벡터방향을 이용하면 한 점에서의 변위의 방향 분석만으로 엽리의 기하구조 파악도 가능하였다.; A tunnel may be collapsed during excavation, because the design of tunnels is often based on the limited information of ground conditions. All the weakness zones present in the field may not be detected in the site investigation and may not be taken into consideration in the initial design. Hence, the unknown weakness zone must be detected during excavation using some analysis of the tunnel displacement measured in the field. The analysis of the displacements around the tunnel face is important but not a common practice because of the lack of understanding on the analysis method itself and displacement monitoring technique such as frequency and timing of displacement monitoring. Eventually, we need a clear guideline on how to monitor and use the displacement data. The concept of the displacement vector orientation, defined as the ratio of the longitudinal displacement to the vertical displacement, is originally suggested in Austria. The field measurement of tunnel displacement in the vicinity of a weakness zone has shown a large longitudinal displacement in the direction of the tunnel axis. Such an increasement of longitudinal displacement observed as the tunnel face approaches a weakness zone can be used to predict the presence of the weakness zone, because a homogeneous ground which contains no weakness zone shows a constant displacement in the longitudinal direction. This study presents the results of predicting the weakness zone ahead of the tunnel face in various ground conditions such as the weakness zones of various thickness and elastic moduli (or stiffness) and the excavation conditions with and without supports. It is possible to predict the existence of the weakness zone at least one to four times the tunnel diameter ahead of the tunnel face. The same procedure of predicting the weakness zone is applied to the transversely isotropic ground conditions having various geometric structures of foliation. It is possible to predict the weakness zone at one and half the tunnel diameter ahead of the tunnel face at least. Using the spatial vector orientation of tunnel displacement, it is also possible to predict the geometric structure of foliation in the ground ahead of the tunnel face.