NATM터널에서 측압계수 변화에 따른 유한요소와 유한차분 해석의 비교 연구 = A Comparative Study between Finite Element Method and Finite Difference Method on Variation of Lateral Earth Pressure in NATM Tunnel Analysis

국문 초록 (Abstract)

최근 대중교통수단의 확충을 위한 지하철 및 지하도로 건설이 전국의 대도시를 중심으로 활발히 진행되고 있다.
현재 대부분의 국내 터널설계는 유한차분법과 유한요소법에 의하여 가정한 측압계수에 따른 터널 및 지반의 변위 및 지보재의 안정성이 검토되고 있으나, 측압계수 변화에 의한 터널거동과 암반상태에 대한 연구가 미비한 실정이다.
이에 본 연구는 풍화암, 연암, 경암에 위치한 터널의 4개현장 13개의 실시 설계된 단면을 선정하여 측압계수 변화에 따른 지표변위, 천단변위, 내공변위, 인버트 변위, 지보재의 응력등을 유한차분법(FLAC)과 유한요소법(SMAP)의 해석에 의해 상호비교한 결과 측압계수의 증가에 따른 지표침하, 천단침하, 인버트변위의 크기는 유한차분해석(FLAC)에 의한 값에 비해 유한요소해석 (SMAP)에 의한 값이 보수적인 결과를 나타내고 있었으며. 내공변위, 숏크리 트의 압축응력은 유한요소해석(SMAP)에 의한 값에 비해 유한차분해석 (FLAC)에 의한 값이 보수적인 결과를 나타냈으며, 또한 유한차분해석 (FLAC)에 의한 결과값이 유한요소해석(SMAP)에 의한 결과값에 비해 측압 계수에 따라 영향이 큼을 알 수 있었으며, 이는 각 수치해석 프로그램에 따라 지반의 거동 및 터널에 미치는 정도가 다르므로 프로그램 특성파악이 터널설계시 고려되어야 함을 알 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recent development of transportation system require tunnelling method in metropolitan sites due to the heavily complex environments. This paper presents a comparative study between finite element method(SMAP) and finite difference method(FLAC) based on ground surface settlement, crown displacement, divergence and invert displacement and stress of tunnel support for various lateral earth pressure coefficients in NATM tunnelling.
Selected 13 tunnel design sections in weathered rock, soft rock, hard rock for 4 construction sites are analysed. Based on the results of ground surface settlement, crown displacement, and invert displacement, finite element method of SMAP provided more conservative results than finite difference method by FLAC. But the results of divergence and compressive stress of shotcrete, values by the finite difference method are more conservative than finite element method(SMAP). It is found that the results of finite difference method by FLAC is more dependent on lateral earth pressure coefficients in the most of cases. The analytical computer program need to be properly understood before the execution of design works as each numerical program has an distinct effects on tunnel and ground movement.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 국문요약 = i
• 감사의 글 = iii
• 목차 = iv
• 제1장 서론 = 1
• 제2장 문헌고찰 = 2
• 2.1 터널 해석 이론 = 2
• 2.2 초기 응력의 산정 = 2
• 2.2.1 현장 계측에 의한 방법 = 2
• 2.2.2 고전적 탄성이론에 의한 지압계산식 = 7
• 2.2.3 우리나라지반의 초기응력 = 9
• 2.2.4 Sheorey의 지압 계산 = 12
• 2.3 터널해석시 미치는 영향인자 = 15
• 2.3.1 경계면의 위치 선정 = 15
• 2.3.2 유한 요소의 크기 및 배열 = 17
• 2.3.3 지반물성치의 설정 = 18
• 2.3.4 해석영역의 설정 = 19
• 제3장 지반조건 및 해석방법 = 20
• 3.1 해석 방법 = 20
• 3.2 유한차분해석 (FLAC)가 유한요소(SMAP)해석의 입력물성치 비교 = 20
• 3.3 유한차분해석 및 유한요소 해석 = 21
• 3.4 해석에 적용된 지반 및 지보재의 입력물성치= 23
• 3.5 유한차분법과 유한요소법의 개요 = 24
• 3.5.1 유한차분법(Finite Difference Method) = 24
• 3.5.2 유한 요소법(Finite Element Method) = 24
• 3.6 지반조건 = 27
• 3.6.1 제1현장 = 27
• 3.6.2 제2현장 = 28
• 3.6.3 제3현장 = 29
• 3.6.4 제4현장 = 30
• 제4장 연구 결과 및 분석 = 31
• 4.1 측압계수 변화에 따른 지표침하 = 34
• 4.2 측압계수 변화에 따른 천단침하 = 36
• 4.3 측압계수 변화에 따른 내공변위 = 38
• 4.4 측압계수 변화에 따른 인버트 변위 = 40
• 4.5 측압계수 변화에 따른 숏크리트의 압축응력 = 42
• 4.6 측압계수의 변화에 따른 락볼트의 축력 = 44
• 제5장 결론 = 46
• 참고문헌 = 48
• 표목차 = 50
• 그림목차 = 51
• ABSTRACT = 53