터널 바닥부 융기에 대한 효율적 대책 연구 = A Study on the Efficient Countermeasure for Tunnel Floor Uplift

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 증가하는 터널 수요에 따라 높아지는 바닥부 융기 문제를 효율적으로 대응하기 위해 변단면 인버트 스트러트를 제안하고, 이를 이론·모형시험·수치해석으로 검증하였다. 국내외 사례 분석 결과, 융기는 다양한 조건에서 발생하며, 계측 가능한 물리량 간 상관성이 낮고, 단일 원인으로 특정이 어려웠다. 또한, 기존 인버트가 설치된 터널에서도 융기 재발 사례가 확인되어, 시공성·경제성·융기 저항성을 고려한 새로운 구조 대책의 필요성이 도출되었다.
이론 및 수치해석을 통해 융기 시 라이닝과 바닥부의 단면력·변형 특성을 규명하였다. 다양한 영향요인 분석 결과, 라이닝–바닥부 연결조건에 따라 거동이 크게 달라지며, 바닥부 두께 증가는 굴착량 대비 융기 저항성이 가장 크게 향상되는 실질적 대안으로 평가되었다. 해석 결과를 기반으로 인버트 변형 제어 개념을 제시하였으나, 실용성은 제한적인 것으로 나타났다.
스트러트는 단순한 거동과 적은 굴착량을 장점으로 인버트 대체 가능성이 확인되었고, 더 큰 융기압 및 넓은 간격에 대응하기 위해 변단면 스트러트를 도입하였다. 축방향 변형을 무시할 수 있어 지반–라이닝과 바닥부를 분리해 해석할 수 있었으며, 수치해석 결과를 계수 α, β로 정리하여 변단면 스트러트의 탄성이론과 결합한 반이론식을 제안하였다.
모형시험을 통해 반이론식을 검증한 결과, 이론–실험 간 융기량의 일치도가 높게 나타났다. 전체 수치해석에서는 하부 지반 점착력 감소로 융기압을 재현하였으며, 스트러트 적용에 따른 강성 증가로 인한 융기압 상승은 보정 계수 γ로 반영하였다. 보정된 반이론식은 수치해석과 높은 일치도를 보이면서도 보수적인 융기량을 산정하였고, 이를 통해 기존 인버트보다 굴착량이 작은 최적 스트러트 구조를 도출할 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes a variable-section invert strut to efficiently address the increasing uncertainty of tunnel floor uplift associated with growing tunnel demand, and verifies its performance through theoretical analysis, model tests, and numerical analyses. Case studies from domestic and international tunnels confirmed that uplift occurs under diverse conditions, while correlations among measurable quantities—such as overburden depth, uplift magnitude, and uplift rate—were generally weak, making it difficult to identify a single dominant cause. Moreover, uplift has been reported even in tunnels with invert, highlighting the need for a new structural countermeasure that accounts for constructability, economic feasibility, and uplift resistance.
Theoretical and numerical analyses were conducted to characterize the internal forces and deformation of the lining and floor during uplift. Parametric studies showed that tunnel behavior is highly sensitive to the lining–invert connection condition, and increasing the floor thickness provides the most practical improvement by enhancing uplift resistance with minimal additional excavation. Although a deformation-control concept for conventional inverts was introduced based on analysis results, its practical applicability was found to be limited.
Struts were shown to be a viable alternative to inverts due to their simple behavior and reduced excavation requirements. To address higher uplift pressures and larger longitudinal spacing, a variable-section strut was introduced. Because axial deformation could be neglected, the ground–lining system and floor structure were analyzed separately. Numerical results were systematized using coefficients α and β, which were incorporated into the elastic formulation of the variable-section strut to develop a semi-theoretical design equation.
Model tests verified the proposed semi-theoretical equation, demonstrating strong agreement between predicted and measured uplift behavior. In full numerical analysis, uplift pressure was reproduced by reducing the cohesion along the tunnel floor ground, and the increase in uplift pressure resulting from enhanced floor stiffness due to the strut was incorporated into the equation using a calibrated factor γ. The calibrated semi-theoretical equation showed high consistency with numerical results while providing conservative uplift predictions, enabling the derivation of an optimal strut configuration with smaller excavation volume than conventional inverts.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 ⅳ
• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 내용 및 방법4
• Ⅱ. 터널 바닥부 융기 원인과 메커니즘 및 대책 분석 6
• 2.1. 터널 바닥부 융기 사례 분석 6
• 2.1.1. 개요 6
• 2.1.2. 국내사례 7
• 2.1.3. 해외사례 12
• 2.1.4. 사례 종합분석 28
• 2.2. 터널 바닥부 융기 원인과 메커니즘 39
• 2.2.1. 팽창 39
• 2.2.2. 수압 44
• 2.2.3. 압착 46
• 2.3. 터널 바닥부 융기거동의 평가와 대책 48
• 2.3.1. 융기거동의 평가방법 고찰 48
• 2.3.2. 터널 바닥부 융기 대책 54
• 2.4. 소결론 및 융기 대응 방안 고찰 62
• 2.4.1. 소결론 62
• 2.4.2. 대응 방안 고찰 63
• Ⅲ. 터널 융기 거동의 이론⸱수치해석적 분석 66
• 3.1. 개요 66
• 3.1.1. 분석 방법 67
• 3.1.2. 명칭과 부호 규약 68
• 3.1.3. 원형보 이론 69
• 3.2. 인버트 독립 이론해석(Invert-only model) 72
• 3.2.1. 유도과정 72
• 3.2.2. 인버트 독립 조건의 거동 특성 분석 83
• 3.3. 라이닝-인버트 이론해석 (Lining-Invert model) 90
• 3.3.1. 유도 과정 90
• 3.3.2. 라이닝-인버트 거동 분석 96
• 3.4. 터널 융기 거동의 수치해석적 분석 113
• 3.4.1. 인버트의 융기 거동 113
• 3.4.2. 스트러트의 융기 거동 133
• 3.5. 소결론 145
• 3.5.1. 인버트 거동 145
• 3.5.2. 인버트 대체재로써의 스트러트 151
• Ⅳ. 변단면 인버트 스트러트 155
• 4.1. 개요 155
• 4.2. 변단면 인버트 스트러트의 이론해석 159
• 4.2.1. 힌지 조건 159
• 4.2.2. 고정 조건 162
• 4.3. 수치 및 이론 조합 기법(Semi-theorical method) 165
• 4.3.1. 힌지 조건의 변단면 인버트 스트러트 166
• 4.3.2. 고정 조건의 변단면 인버트 스트러트 167
• 4.3.3. 변단면 인버트 스트러트의 융기량 및 단면력 169
• 4.4. 소결론 171
• Ⅴ. 변단면 인버트 스트러트의 모형시험 172
• 5.1. 개요 172
• 5.1.1. 실험 방법 및 케이스 173
• 5.1.2. 상사성 검토 178
• 5.2. 주문진 표준사 모형시험 180
• 5.2.1. 지반 180
• 5.2.2. 바닥부 187
• 5.3. 탄소봉 모형시험 190
• 5.3.1. 지반 190
• 5.3.2. 바닥부 193
• 5.4 소결론 및 한계점 195
• 5.4.1. 소결론 195
• 5.4.2. 한계점 196
• Ⅵ. 변단면 인버트 스트러트를 적용한 터널의 안정해석 197
• 6.1. 모형시험 재현 수치해석 197
• 6.1.1. 개요 및 해석모델 197
• 6.1.2. 수치해석 결과 199
• 6.2. 변단면 인버트 스트러트의 전체 수치해석 207
• 6.2.1. 개요 207
• 6.2.2. 해석 방법 208
• 6.2.3. 수치해석 결과 219
• 6.3 소결론 226
• Ⅶ. 결론 및 제언 227
• 7.1 결론 227
• 7.2 제언230
• 참고문헌 231
• 부록 249
• ABSTRACT 262