Effect of Lining Installation Time to Stability of Tunnels in Swelling Rock Masses

Abstract

When a tunnel is built in a swelling rock mass, the axial force and moment on tunnel lining depend on the installation time of the concrete lining after tunnel excavation. In this regard, Lo et al.(1981) studied the changes in stress generated in concrete lining due to delay in lining construction after tunnel excavation through experimental studies in rocks with Time-Dependent Deformation (TDD) and derived relational expressions from them. When constructing a tunnel on the swelling rock, the time at which the concrete lining is installed is expected to have an important influence on the long-term stability of the tunnel. This study performed numerical analysis of the long-term stability of tunnels according to the installation time of concrete lining after excavation of vertical and horizontal tunnels using the swelling model of FLAC2D, a finite difference program, by applying the collected data in Toronto, Canada. ‘Swello model’ was used for numerical analysis, which implemented TDD behavior, requiring 15 variables and rock properties and used values obtained through swelling laboratory tests by Lo et al. (2005). After excavation of vertical and horizontal tunnels, various concrete lining construction conditions were set to install lining, and stability was evaluated through the Trust-Moment graph of the axial force and moment values received by concrete 100 years after tunnel excavation. In the case of vertical tunnels, when concrete lining was installed 15 days after tunnel excavation, there was a point where concrete lining was expected to collapse 100 years later, and when installed 50 days later, it was found to be stable 100 years later. In addition, in the case of horizontal tunnels, the tunnel showed stability when concrete lining was installed after about 100 days. Horizontal tunnels showed stability when concrete lining was installed after a longer time than vertical tunnels, which is considered to require further research.|팽창성 암반 내에 터널을 건설하는 경우 굴착 후 터널 라이닝의 시공 시기에 따라 라이닝에 발생하는 축력과 모멘트가 달라진다. 이와 관련하여 Lo et al.(1981)은 시간 의존적인 거동을 보이는 암반에서의 터널 라이닝 실험연구를 통해 터널 굴착 후 라이닝 시공을 지연함에 따라 라이닝에 발생하는 응력의 변화를 연구하고 이로부터 관계식을 도출하였다. 팽창성 암반에 터널 건설 시 콘크리트 라이닝의 시공 시기는 터널의 장기 안정성에 중요한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 본 연구는 팽창성 암반이 많은 캐나다 토론토 지역 암반을 대상으로 수집된 암반 물성 데이터를 적용하여 수직, 수평 터널 굴착 후 콘크리트 라이닝의 설치시기에 따른 터널의 장기 안정성을 유한차분법 프로그램인 FLAC2D의 팽창 모델을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 Swello model을 사용하였으며, 이는 시간 의존적인 팽창 거동을 구현했으며 15개의 변수와 암반 물성값을 요구하며 이에 Lo et al.(2005)이 다양한 팽창 실험을 통해 얻어낸 값을 사용하였다. 수직 터널과 수평 터널 굴착 후 다양한 콘크리트 라이닝 시공 시기 조건을 설정해 라이닝을 설치하고, 터널 굴착 100년 후 콘크리트가 받는 축력과 모멘트값을 Thrust-Moment 그래프를 통해 안정성을 평가하였다. 수직 터널의 경우 터널 굴착 15일 후 콘크리트 라이닝을 설치했을 때 100년 뒤 콘크리트 라이닝의 붕괴가 예상되는 지점이 있었으며 50일 후 설치했을 경우 100년 뒤에도 안정함을 알 수 있었다. 또한 수평 터널의 경우 약 100일 경과 후 콘크리트 라이닝을 설치했을 때 터널이 안정함을 보였다. 수평 터널은 수직터널에 비해 더 오랜 시간 후 콘크리트 라이닝을 설치해야 안정함을 보였는데 이에 대한 추가적인 연구가 필요한 것으로 사료된다.