수치해석과 현장계측을 이용한 원형수직구 굴착에 따른 토압연구

Abstract

지하철 터널, 전력구 터널, 통신구 터널 등 도심지에 터널을 시공하기위해서는 지하의 수평터널까지 접근하기 위한 수직구의 시공이 필수적이다. 수직구는 개착공법에 의하여 시공되는 수직방향의 독립된 가늘고 긴 구조물로 굴착 폭에 비하여 굴착 깊이가 크기 때문에 설계 시 수평방향으로 긴 터널과는 다른 접근방식이 필요하다. 이러한 수직구는 공간이용의 비효율성에도 불구하고 공간이용에 유리한 직사각형 단면보다는 원형단면으로 설계 및 시공되는 경우가 많다. 또한, 하상 또는 해상에 구조물 건설시 많이 적용되는 우물통기초의 경우도 주로 원형단면으로 설계된다. 이는 원형단면이 외력에 대하여 압축강도로 저항하므로 경제적인 단면설계가 가능할 뿐만 아니라 원형단면으로 인하여 발생하는 아칭효과에 의해 벽체에 작용하는 토압이 크게 감소하는 장점이 있기 때문이다. 그러나 현재 국내의 수직구 설계방법은 정립되지 않은 상태이며, 일반적으로 상부 토사층에서는 작용토압을 벽체의 특성에 따라 주동 및 정지토압을 획일적으로 적용하고 있다. 하부 암반층에서는 암반의 강도특성에 따라 작용외력을 적용하지 않거나, 수평터널과 동일한 설계개념에 의하여 설계가 이뤄지고 있는 상황으로 수직구에 작용하는 토압에 관한 연구가 필요한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 수치해석을 통해 수직구에 작용하는 토압에 대해 검토하고 현재 시공 중인 수직구의 현장계측에 의하여 환산된 토압결과와 비교·분석하였다. 심도별 토압 및 작용하중분포는 수직구 주변 지반의 비균질, 비등방성에 의하여 편측 변형 및 토압이 발생되는 것으로 분석되었으며, 수직구 굴착에 따른 심도별 변형특성을 분석결과는 연직방향으로 시공된 엄지말뚝과 횡방향 링빔에 의하여 수직구의 단계적 굴착에 따라 지속적으로 내공변위가 증가하는 경향을 나타냈다. 이는, 수직구 주변 지반 및 암반의 비균질, 비등방 특성과 동일 심도에서 분할 시공되는 수직구 가시설의 구조적인 특성에 의하여 완전한 원형 구조물로써 탄성적인 변형이 아닌, 편측 및 비대칭 변형을 나타내는 것으로 검토되었다. 또한, 신영완(2007)이 제안한 이론토압, Coulomb 토압, 그리고 현장계측자료 분석을 통한 계측토압과 수치해석 결과를 비교·검토한 결과 토사 및 풍화암 구간에서는 수치해석 토압은 현장 계측토압과 유사한 경향을 나타내었으며, 현장계측토압은 최대 계측토압기준으로 이론토압보다 15.0~37.5%정도 작은 분포를 나타내었다. 연·경암 구간의 작용하중은 계측하중보다 수치해석결과가 5%~39% 큰 분포를 나타내었으며, 계측하중이 최대 계측하중기준으로 이론하중보다 5.0%~42.1%정도 작은 유사한 분포를 나타내는 것으로 분석되었다. 따라서 실제 암반에서의 작용하중은 이론하중과 수치해석 결과에 비하여 크지 않을 것으로 판단된다.; A shaft to access to a deep parallel tunnel is necessary to construct an undersea tunnel linking land to land, an island to land and an island to island, and subway tunnel and cable tunnel in metro. A shaft which is a vertical, slender and long structure should be designed by methods different from that for the horizontal long tunnel. In plan the shaft is to be designed generally with a circular shape in spite of the fact that this offers less advantageous utilization of space that the rectangular one. Also, when a structure is constructed in the river or in the sea, the open caisson is applied to the foundation of structure and it is designed with cirular section. However, the design guide line for a shaft is not established in our country. An active earth pressure in plane strain condition or in-situ stress condition on soil layer is used. Also, an active earth pressure in plane strain condition is used or any pressure is not often considered on rock layer. The deformation tendency of vertical shaft and distribution of the earth pressure around shaft were reviewed with both theoretical earth pressure distribution and three-dimensional numerical analysis suggested in design criteria and measured data which had been gained from 2 construction shaft. The distribution of earth pressure applied on the vertical shaft was similar with the result of measurement and numerical analysis in soil and weather rock layer. As a result of comparing and examining the measured earth pressure and the result of numerical analysis through analyzing the earth pressure suggested in the theory established by Shin, Young Wan(2007), Coulomb earth pressure and the field measurement data, it was found that the numerically analyzed earth pressure in the earthy material and weathered rock section had similar characteristics with the field measured earth pressure. Also, the field measured earth pressure (the maximum earth pressure measured) showed smaller distribution than the theoretical earth pressure by 15.0~37.5%. The numerical analysis on working load in the soft rock and hard rock section showed larger distribution than the measured load by 5%~39%. The analysis also showed that the measured load (the maximum load measured) showed similar distribution to the theoretical load but smaller by 5.0%~42.1%. Thus, it was concluded that the working load on the actual bedrock would not be larger than the theoretical load and the result of the numerical analysis.