지반모델을 고려한 Shield TBM 터널의 굴착이 인접 기초의 거동에 미치는 영향에 관한 연구 = The evaluation of pile behaviour to Shield TBM Tunnelling Excavation considering soil models

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 3차원 유한요소해석프로그램인 Plaixs 3D를 활용하여 Shield TBM 터널 근접 시공으로 인한 기존에 존재하는 단독말뚝의 공학적 거동과 적용 지반모델에 따른 단독말뚝기초의 공학적 거동 차이를 비교 분석하였다. 이때 상행선 및 하행선 터널 굴착, 적용 지반모델, 말뚝의 위치를 고려하여 수치해석을 수행함으로써 결과를 분석하였다. 또한, Mohr-Coulomb(MC) 및 Hardening Soil(HS) 지반모델의 설계하중은 Davisson(1972)의 방법을 통해 각각 700 kN 및 875 kN을 적용하였다. 수치해석에서는 터널의 굴착으로 인해 발생한 말뚝과 지반의 경계면에서의 전단응력전이를 미끄러짐(slip)을 고려할 수 있는 interface 요소를 적용하였으며, Shield TBM 공법을 활용하여 터널의 굴착을 수행하였으며, 막장압 산정식 및 시행착오를 통해 막장압을 결정하였다. 본 연구에서는 터널 굴착으로 인해 발생하는 말뚝두부 및 지반침하, 말뚝의 축력, 전단응력, 상대변위, 수평변위 및 횡방향 모멘트에 대한 분석을 수행하였으며 순수 터널 굴착(tunnelling-induced)에 의해 발생하는 거동변화를 분석하였다. 또한, Selemetas & Standing(2017)이 수행한 현장실측연구 데이터와 비교를 통해 거동변화를 분석하였다. 본 연구를 통해 말뚝두부 및 지표면 침하를 제외한 경우 MC 지반모델을 적용한 경우 말뚝의 거동변화가 더 크게 나타났다. 또한, 일반적으로 MC 지반모델과 HS 지반모델을 적용한 경우 유사한 경향이 나타나지만, 현장실측연구 데이터와의 비교를 통해 HS 지반모델이 실제 지반의 거동특성에 더 가깝게 나타난다는 것을 확인하였다. 그러므로 향후 지반모델을 고려한 터널 굴착 시 구조물의 거동변화에 대한 분석이 지속적으로 수행될 필요가 있으며, 지반모델을 고려하여 상부 구조물의 안정성을 정량적으로 평가하는 방법을 정립하여 시공에 따른 안정성 확보가 수립되어야 한다고 판단된다. 본 연구를 통해 적용 지반모델별 단독말뚝의 거동변화를 심도있게 고찰하였다.

목차 (Table of Contents)

• 목차 ⅰ
• 표 목차ⅲ
• 그림 목차 ⅳ
• 제 1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경1
• 1.2 논문의 구성 2
• 제 2장 선행 연구사례 4
• 2.1 총론 4
• 2.2 현장실측실험을 통한 선행연구 5
• 2.3 원심모형실험을 활용한 선행연구9
• 2.4 수치해석을 활용한 선행연구12
• 2.5 이론적 접근을 통한 선행연구 18
• 2.6 영향권 분석 선행 연구 20
• 2.7 선행연구사례 고찰에 따른 결론 23
• 제 3장 터널 굴착 공법 및 국내 지반 특성24
• 3.1 터널 굴착 공법 종류 24
• 3.2 NATM(New Austrian Tunnelling Method) 공법 25
• 3.3 TBM(Tunnel Boring Machine) 공법28
• 3.3.1 Gripper TBM 29
• 3.3.2 쉴드(Shield) TBM31
• 3.4 로드헤더(Roadheader) 공법 33
• 3.5 국내 지반 특성 34
• 3.5.1 화강 풍화토34
• 3.5.2 화강 풍화암35
• 3.6 터널 굴착 공법 및 국내 지반 특성에 대한 고찰 36
• 제 4장 지반모델37
• 4.1 Mohr-Coulomb(MC) 및 Hardening Soil(HS) 지반모델 개요 37
• 4.2 Mohr-Coulomv(MC) 지반모델 38
• 4.3 Hardening Soil(HS) 지반모델 39
• 제 5장 수치해석41
• 5.1 소개 41
• 5.1.1 유한요소법(Finite Element Method, FEM) 41
• 5.1.2 유한요소해석 프로그램(Plaxis 3D) 45
• 5.2 유한요소해석의 경계조건 46
• 5.3 수치해석 구성모델 및 물성치48
• 5.4 수치해석 과정 및 분석49
• 제 6장 지반모델을 고려한 Shield TBM 터널 굴착 수치해석 52
• 6.1 말뚝의 설계지지력 결정 52
• 6.2 지반 및 말뚝의 침하 53
• 6.3 말뚝의 축력분포57
• 6.4 터널 굴착 단계별 축력변화 61
• 6.5 말뚝-지반 경계면에서의 전단응력 64
• 6.6 말뚝-지반 경계면에서의 상대변위 68
• 6.7 지반의 수평변위71
• 6.8 말뚝의 횡방향 모멘트(Mxx) 74
• 제 7장 결론76
• □ 참고문헌 78
• □ Abstract 84