현장시험 및 수치해석에 의한 UAM 설계에 관한 연구

Abstract

UAM(Umbrella Arch Method)은 터널 주변지반을 보강하며 막장을 안정시키기 위한 공법으로 널리 적용되고 있다. 그러나 UAM은 그라우팅 범위와 보강 메커니즘에 대한 이해가 부족하여 경험적인 방법에 의존하여 설계가 되고 있는 실정이다. 또한, 수치해석 수행 시에도 명확한 근거 없이 보강영역과 등가환산물성치를 가정하여 적용하고 있으며 축방향 빔 지지효과를 무시한 2차원 평면변형률 해석이 수행되고 있다. 이와 같은 문제점을 가진 현 접근방법으로는 UAM이 적용된 지반의 거동을 정확하게 예측할 수 없어 불필요하게 보수적인 설계로 이어지고 있다. 본 연구에서는 UAM을 보다 정밀하게 모델링하여 결과적으로 진보된 설계를 가능케 하기 위하여 두 가지 단계로 진행되었다. 첫 번째 단계에서는 UAM의 보강범위를 규명하기 위해서 현장시험과 실내시험을 수행하였다. 잔적토, 풍화암 지반에 UAM을 적용한 결과, 그라우트는 효과적으로 지반에 침투하지 못하며 천공구경을 크게 벗어나지 않는 것으로 나타났다. 이는 강관주변을 강성이 크게 증가한 블록으로 모델링하는 현 해석과정에 큰 모순이 있다는 것을 입증한다. 본 연구의 두 번째 단계에서는 현장시험의 결과를 반영하여 보강범위를 천공외벽으로 제한하며 동시에 종방향 빔 지지효과를 고려하는 2차원 해석방법을 제안하였다. 해석방법은 2차원 축대칭해석 결과를 평면변형률 해석에 적용하여 막장효과를 간접적으로 고려하는 내공변위제어법의 기본원리를 적용하였다. 이 방법에서 UAM의 강관-그라우트 혼합체를 등가 휨강성을 가진 빔으로 모사하는 2차원 축대칭해석을 수행하여 막장효과, UAM 효과와 지보재 효과를 모두 고려한 종단변형곡선을 생성하며 터널의 최종 내공변위를 계산한다. 다음에는 무지보상태의 평면변형률 해석을 수행하여 지반반응곡선을 구한 후 UAM의 지보효과를 내압의 크기로 변환하여 하중분담률로 적용하게 된다. 이 방법은 UAM의 종방향 빔 지지효과를 2차원 평면변형률 해석 프레임워크 내에서 고려하는 효과적인 방법이며 이를 고려하지 않는 기존의 해석기법과는 차별화된다. 새로운 해석기법과 기존의 기법을 비교한 결과, 새로운 해석기법은 터널의 천단침하 및 내공변위량을 기존의 해석방법에 비하여 작게 예측하는 것으로 나타났으며, 지반조건이 불리할수록 차이는 더욱 크게 벌어지는 경향을 나타내었다. 이는 UAM의 종방향 빔 지지효과가 지반의 거동에 지배적인 영향을 미치며 이를 고려하지 않을 경우, 지반변형을 크게 과대예측하게 된다는 것을 의미한다. 제안된 해석기법은 다양한 방식의 UAM 시공과정을 정밀하게 모사할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이 해석기법을 사용하여 UAM 하부의 지반을 제거하지 않고 강지보를 지반에 밀착하여 설치하는 일정단면 터널굴착 방법과 UAM 하부까지 굴착하여 강지보를 UAM에 밀착하여 설치하는 변단면 터널굴착 방법을 각각 수치적으로 모사하였으며 발생하는 변위를 계산하였다. 변단면 터널굴착 방법은 강지보재의 간격을 관용적으로 적용하는 간격과 이를 20% 증가시킨 간격 두 가지를 적용해 보았다. 해석결과 강지보재 간격을 기존에 비하여 20% 증가시킨 변단면 굴착은 일정단면 굴착에 비하여 오히려 지반변위가 감소하는 것으로 나타나 역학적으로 보다 안정적이며 동시에 경제성도 확보할 수 있는 설계방법인 것으로 나타났다. 제안된 방법은 굴착과정과 강지보재 설치과정을 정확하게 모사할 수 있으며 이를 통하여 최적의 굴착형식과 강지보재 간격을 도출할 수 있는 것으로 나타났다.