슬러리 쉴드 TBM 뒤채움압 산정에 관한 연구 :Evaluation of the backfill injection pressure for slurry shield TBM

안창균

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자료유형: 학위논문

저자정보: 안창균 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 이석원

발행연도: 2017

저작권: 건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수7

초록· 키워드

최근들어 대륙 간 해저 터널과 도심지에서의 지하구조물의 시공은 증가하고 있다. 이러한 동향은 쉴드 TBM의 기술의 발전에 의해 고수압 조건의 연약 지반에서의 새로운 지하구조물 활용과 도심지에서의 지하 공간 굴착과의 새로운 방법을 제시하였다. 쉴드 TBM에서 뒤채움압은 지표의 변형뿐만 아니라 인접 지하공간에도 영향을 미친다. 그러므로 현장의 안정성 측면에서 적절한 뒤채움압 설계는 필수적이다. 그러나 뒤채움압 산정에 대한 연구는 기술선진국과 비교하여 매우 부족하며 쉴드 TBM 활용 증가에 따라 기술 자립 역시 필수적이다. 본 논문에서는 슬러리 타입의 쉴드 TBM 공법의 뒤채움압 산정에 관한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 먼저 다양한 조건의 현장에서 적절한 뒤채움압 산정을 위해 기존에 제안된 모델을 산정 근거에 따라 막장압에 따른 산정 방법인 Gatti and Cassani(2007)모델, Peila(2010)모델, Ramirez(2010)모델, 경험적 산정방법과 천단부에 작용하는 수직응력에 따른 산정 방법인 Wittke(2007)모델, Biosca(2008)모델, Mollon(2012)모델로 정리하였으며, 정립한 뒤채움압 식을 통하여 가상의 현장 Case에 대해 각각의 모델별 설계 뒤채움압을 산정하였다. 또한 산정된 뒤채움압의 크기를 모델별로 비교하고 지반정수와 토피고에 따라 비교 분석하였다. 뒤채움압 산정 과정에서는, 각 Case 중 가장 큰 뒤채움압 차이는 불포화 지반에서는 Mollon 모델과 Peila 모델이 약 , 포화지반에서는 Ramirez 모델과 Peila 모델이 약 의 차이로 가장 큰 차이를 보였다. 또한 토피고가 증가함에 따라 뒤채움압은 증가하지만 그 증가비율은 감소하는 것을 확인하였다. 다음으로 산정된 뒤채움압을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석을 통해 뒤채움압이 지표 및 천단에 미치는 영향을 확인하였다. 불포화·포화 조건에서 지표와 천단부에서의 최종 침하량은 적용 뒤채움압 보다는 적용 막장압의 영향이 더 큰 것을 확인하였다. 또한 지표와 천단부에서 모두 토피고가 증가함에 따라 뒤채움압의 영향은 감소하고, 적용 막장압이 작을수록 뒤채움압의 영향은 커지는 것을 확인하였다. 마지막으로 쉴드 TBM 현장 계측 결과와 이론적 산정값을 비교·분석하였다. 막장압의 경우, 슬러리 타입에서는 A&K 모델과 DIN 4085 모델이 실측치와 가장 유사하고, EPB 타입에서는 Murayama 모델과 일본 지반공학회 모델이 가장 유사함을 확인하였다. 뒤채움압의 경우, 슬러리 타입에서는 경험적인 산정방법이 실측치와 가장 유사하고, EPB 타입에서는 Peila 모델이 가장 유사함을 확인하였다.

In recent years, underground tunnels between subcontinents and underground structures in urban areas have been increasing. These trends suggest new ways of using underground structures in soft ground under high water pressure conditions and underground excavation in urban areas by the development of shield TBM technology. Backfill injection pressure in shield TBM affects not only deformation of the surface but also the adjacent underground space. Therefore, it is essential to design a suitable backfill injection pressure in aspects of site stability. However, the study on calculation of the backfill injection pressure is very insufficient compared to the advanced countries and it is also essential that technology self - reliance is necessary as shield TBM utilization increases. In this paper, a study on the calculation of the backfill injection pressure of the slurry type shield TBM method is carried out.
In this study, firstly, Gatti and Cassani (2007) model, Peila (2010) model, Ramirez (2010) model and empirical estimation method, which are calculation methods according to the face pressure and Wittke (2007) model, Biosca (2008) model, and Mollon (2012) model, which are calculation methods based on vertical stress acting on the tunnel crown, are be organized. The backfill injection pressure for each model is calculated for each case. In addition, the magnitude of the calculated backfill injection pressure is compared by each model, and analyzed according to soil parameters and soil profile. In the calculation of the backfill injection pressure, the largest pressure difference among the models is about of the difference between the Mollon model and the Peila model at the unsaturated ground, however, about of the difference between the Ramirez model and Peila moedl at the saturated ground. Also, it is confirmed that the backfill injection pressure increases as the height of ground increases, but the increasing rate decreases. The numerical analysis is carried out by applying the calculated backfill injection pressure. Numerical analyzes have confirmed the effect of backfill injection pressure on the displacement of surface and the crown of tunnel. It is confirmed that the final settlement at the surface and at the crown of tunnel on the unsaturated and saturated condition are more influenced by the applied face pressure than the applied backfill injection pressure. In addition, the effect of backfill injection pressure decrease as the height of ground increase at both of the surface and the crown of tunnel, and the effect of backfill injection pressure increase as the applied face pressure decrease. Finally, the results of shield TBM at field measurement and the theoretical calculation are compared and analyzed. For the face pressure, A & K model and DIN 4085 model are most similar to measured values in the slurry type and Murayama model and Japan Geotechnical Society model are most similar in the EPB type. For the backfill pressure, the empirical method is the most similar to the measured value in the slurry type and the Peila model is the most similar in the EPB type.

#슬러리 쉴드 TBM #뒤채움압 #수치해석 #침하량. 실측치 비교

제1장 서론 1
제1절 연구 배경 및 목적 1
제2절 논문 구성 및 범위 3
제2장 문헌 연구 4
제1절 쉴드 TBM 공법에서의 뒤채움 4
1. 뒤채움의 정의 및 기능 4
2. 뒤채움 주입 관리 9
제2절 뒤채움압 산정방법 14
1. 막장압(횡토압)에 근거한 산정방법 16
2. 수직응력에 근거한 산정방법 18
제3절 뒤채움압 적용 수치해석 19
제3장 이론식에 의한 뒤채움압 산정 27
제1절 지반 조건 및 가정 27
1. 지반조건 27
2. 가정 28
제2절 뒤채움압 산정 과정 28
1. 막장압(횡토압)에 근거한 산정방법 29
2. 수직응력에 근거한 산정방법 31
제3절 뒤채움압 산정 결과 및 분석 33
1. 불포화 지반조건에서 요구 뒤채움압 비교 분석 33
2. 포화 지반조건에서 요구 뒤채움압 비교 분석 37
3. 토피고 변화에 따른 요구 뒤채움압 비교 분석 42
제4장 뒤채움압에 따른 지표 및 천단침하 수치해석 45
제1절 3차원 쉴드 TBM 모델링 45
1. 해석 제원 및 지반조건 45
2. 해석 조건 및 방법 49
제2절 수치해석 결과 및 분석 58
1. 지표침하 59
가. Case 2의 조건에서 토피고에 따른 뒤채움압 모델별 지표침하 59
나. Case 5의 조건에서 토피고에 따른 뒤채움압 모델별 지표침하 64
2. 천단침하 68
가. Case 2의 조건에서 토피고에 따른 뒤채움압 모델별 천단침하 68
나. Case 5의 조건에서 토피고에 따른 뒤채움압 모델별 천단침하 72
3. 수치해석 결과 고찰 76
제5장 현장 계측 결과와 이론적 산정 값과의 비교·분석 77
제1절 실제 쉴드 TBM 현장의 지반 조건 및 터널 굴착 조건 77
1. 쉴드 TBM △△ 현장 77
2. 쉴드 TBM ○○ 현장 81
제2절 막장압 산정 시 강도 정수의 결정 83
제3절 현장 계측 막장압과 제시 방안을 통한 막장압의 비교 87
1. 쉴드 TBM △△ 현장 87
2. 쉴드 TBM ○○ 현장 95
제4절 현장 계측 뒤채움압과 제시 방안을 통한 뒤채움압의 비교 98
1. 쉴드 TBM △△ 현장 98
2. 쉴드 TBM ○○ 현장 102
제6장 결론 104
참고문헌 107
부록 108
국문초록 120

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