병렬터널 필라부 거동에 대한 수치해석 검토

Abstract

최근 도심지 및 산악지역의 도로 및 철도의 신설 및 노선 변경 사례가 많아지고 있으며 도심지 내 산이나 산악지역 통과시 터널 공법을 적용하는 추세이다. 그리고 터널의 안정성을 위하여 병렬터널 생성시 일반적으로 병렬터널의 간격은 터널 직경의 약 2 배 이상 확보하도록 설계 및 시공되어 있으나, 용지 매입 제한과 민원 및 각종 지장물의 보호를 위하여 병렬터널간 이격거리가 줄이는 형태로 계획되고 있다. 병렬터널이 근접할수록 응력집중으로 인하여 필라의 파괴 위험이 큰만큼 필라의 응력 검토 및 필라의 강도를 고려한 필라의 안정성 평가는 중요한 병렬터널의 이격거리 검토시 매우 중요한 사항이다. 현재까지 필라의 안정성 평가방법은 모형시험, 이론식 및 경험식에 의한 안전율, 수치해석 등의 방법이 있다. 그러나 모형시험은 실무에서 검토하기 어려우므로 실무에서는 이론식 및 경험식에 의한 검토와 수치해석에 의한 검토로 병렬터널의 이격거리를 산정한다. 일반적으로 이론식 및 경험식에 의한 검토 결과는 주로 탄성지반에서 원형단면에 대한 결과이여서 터널통과구간의 지형과 공학적 특성을 반영한 수치해석에 의한 검토가 터널의 이격거리를 결정하는데 신뢰도가 높다. 수치해석에 의한 검토 시 지반이 탄성 거동시 요소 간격에 상관없이 거동이 비슷하게 나오나 지반이 소성 거동시 요소 간격에 따라 소성영역 및 응력이 변화된다. 요소 간격이 충분히 촘촘하지 않아 소성영역이 작은 경우 필라부가 안정하다고 판단하여 충분한 필라부 보강을 하지 않아 공사 중 필라부 파괴가 발생할 수 있다. 그러므로, 본 연구에서는 필라의 안정성을 구하는 방법 중 하나인 수치해석의 요소크기를 검토하여 필라부 안정성 검토에 대한 체계적인 분석을 제안하였다. 필라부 안정성 검토 방법은 수치해석 결과를 이용하여 요소간격별 지반의 물성치 및 터널 이격거리에 따른 강도응력비와 강도감소법에 의한 안전율로 판단하였다. 연구 결과 요소크기가 좁을수록 강도감소법에 의한 안전율이 적게 나온다. 그러므로 근접병설터널 이격거리 판단시 지층의 물성치가 불량할수록 요소간격에 대한 검토가 필요하다.

핵심용어 : 병렬터널, 필라부 안정성, 수치해석