붕락사고를 방지하고, 공기 단축 및 굴진율을 늘리기 위해 Shield TBM 공법이 많이 적용됨.
(지하철 5호선 NATM 붕락 등의 사례)
저소음, 무진동으로 Shield TBM 에 대한 요구가 커짐. (천층 터널, 토피고 1.0D 이상확보는 필요. 굴진율 5~10m/day)

지표침하의 종류 : 선행침하, 막장전 침하, 테일침하, Tail Void, 후속침하
침하의 손실량 측정 : 체적손실(Ground Loss) 0.5 ~ 2.0% 정도. Dilatancy 에 따라 줄고, 늘고 할 수 있음.

1.     Gap Parameter (수치해석법)
-       지표침하 발생량 추정 방법. (경험식으로 개략적인 범위와 경향을 예측할 수도 있음.)
-       Tunnel Crown 의 수직변위. 연약토사의 붕락여부를 확인하기 위함.
-       탄소성 변형을 통해 굴진장비, Lining 두께 등을 결정할 수 있는 기준이 됨. (지표침하의 원인, 초기응력 변화 추정 가능)

공간 : 설계단면 + 라이닝을 위한 여유 공간 + 라이닝 + Tail Piece 를 위한 여유 공간
Tunnel Shield Picthing 에 따른 Tilting 으로 변형 발생.
지보재 설치 전 비구속 변형에 따른 처짐을 측정.
변위제어모델 (Displacement Control Model)을 이용하여 지표침하량 추정 (2차원 수치해석)

지표 침하 : 얕은 토피고, 지반 불량, 진행성 파괴, 인접구조물
- 단기침하 : 응력해방
- 라이닝 변형 : 외력 및 수압에 의해 세그먼트 변형량 발생
- 지하수위 저하에 따른 압밀, 체적감소에 의한 침하

2.     Tail Void
굴착 진행 중 Tail 부에서 지보나 Segment/Grouting 설치 전 발생하는 공간 (굴착면과 세그먼트 사이)
여굴에 의한 원인, 막장면 손실 및 변형이 이어지는 것에 대한 원인
G = G tail void + 굴진면 변형 손실에 따른 움직임 + 굴진 방향에 따른 손실
G Tail Void 는 감소계수를 통해 조정 가능.
충전 필요.

3.     대책
A.     굴진제어 시스템에 의한 모니터링으로 최소화
B.      막장압 제어 관리
C.      모든 Gap Parameter 가 지표침하로 이어지는 것은 아니므로, 정확한 수치해석이 필요.



싱글 쉴드 TBM (Single Shield)
-       굴진면에 대한 지보시스템이 없는 전면 개방형 (Gripper, Segmental) 전단면 굴착

Segmental Shield 는 Gripper 가 없어 굴진과 Segment 설치가 동시에 불가능함.
-       Open TBM 에 shield erector 등이 추가된 모습
-       연약지반 안되고, 막장부 자립이 가능해야 함.
-       Double Shield (더블 쉴드)와의 차이
* Shield 가 여러개로 나눠지지 않는다.
* 유지관리가 간단하다.
* 후퇴공간이 필요없다.

세그먼트 안정성 검토

버력량 관리시스템

1.     하중계 계측결과에 따라 앵커의 하중 증가로 인한 검토
절토사면 안전율 : 1.5
해석 Program : Bishop 안정해석, Talren 97
대책 : 추가 앵커 설치

2.     리핑암 1:0.7, 발파암 1:0.5 사면의 검토
불연속면의 풍화정도 확인 (FM)
DIPS program을 통한 평사투영해석(평면파괴, 쐐기파괴 예상), Talren 에 의한 사면 안정해석
경사완화, 앵커설치, 비탈면 배수공, 표면식생처리

3.     붕적층 존재하는 사면
BIPS(붕적층 파괴심도 확인), TCR/RQD 의 한계성, FM 에 따른 인장균열 발견
예상활동면 예측 (지하수위의 변동 고려)
치환 or Rock Anchor

4.     임시대책 : 비닐포장막 포설, 임시 가드레일, 모래포대 설치

5.     그라운드 앵커의 유지관리 : 두부 피복 변형, 정착부/긴장재 변형, 긴장력 변화, 지하수 용출여부
계측 : 공내경사계, 신축계, 변형계, 지하수위계, 지반경사계 등

6.     시특법에 따른 2종 시설물 (50m 이상 높이, 200m 이상 길이 비탈면) : 정밀안전진단 세부지침 준수 필요.

7.     급경사지 재해 예방에 관한 법률 : 붕괴 가능성에 따라 재해위험도평가/주민의견수렴

8.     계측에 의한 관리 : 유지관리 시 연 4~10회. 변위 속도 기준에 따라 관리 필요.

저토피 구간 (토피고 1.0D 이하 갱구부 포함)
-       기존의 개착공법 : 과다 비용, 과다 공기
-       반개착 공법의 개발 필요성
-       인접지역의 진동, 소음, 비산먼지에 따른 민원을 막기 위한 공법의 필요성
-       NATM 공법과 개착공법의 결합공법
-       친환경 건설문화의 사회적 필요성

카린시안 공법
-       반개착 공법
-       굴착면적 최소화
-       공법 복잡
-       기존도로나 주변지역 영향 최소화
-       혼합층이 있는 경우, 특히 혼합층의 경계부가 터널을 지나가는 경우

-       반개착 후 강관다단그라우팅+Rock Bolt, TRM 등으로 상부 Arch 형성. (120도 이상)
-       되메우기 후 터널 단면 굴착
-       PSN (선지보공법) 과 비교할 수 있음.
-       해석 방법 : 수치해석, 모델링-입력 Parameter (횡토압계수 등)-해석영역(3.0~3.5D 범위)
-       Arch 부분은 Beam 형태로 모델하여 절점을 통해 휨저항에 저항하도록 해석.
-       측압의 변수를 제거하기 위하여 보통 K0=1 로 적용하여 수치해석
-       변수 : 콘크리트의 두께, 복토의 두께, 굴착각 등을 조정해가며 최적의 설계완성

1.     Terzaghi 의 가정
일정한 투수계수
일차원해석
비압축성
균질한 토층
포화상태

2.     실제 배수와 압밀의 형태
지반 조건의 비선형성 : 압축성과 투수성이 비선형으로 분포.
이질층의 분포
배수재의 완전관입 불가
Sand Seam
하중재하의 시간별 변화


3.     비선형 압밀모델과 수치해석기법의 필요성
초기 함수비, 간극비가 큼.
압밀 중 변화된 압축성/투수성 고려 필요.
응력-변형률, 변형-투수계수 고려 필요.
Barron 의 연직배수재 압밀 고려시 유효반경비 (n=re/rw), 스미어존 반경비(s=rs/rw) 를 고려한 압밀도 식 고려.
(PVD의 경우 n = 30, S = 2.4)

Barron : 중공원주방사형 압밀이론 제안. Smear Effect, Well Resistance 관련 내용 미포함. 압밀도가 과대평가될 수 있음.

Hansbo : Smear Effect, Well Resistance 내용 포함. 2.5~3.0 D 의 Smear Zone 고려. 실제와 일치하며, 통수능력/투수계수의 감소 등을 고려할 수 있음.

(Smear Effect)
Dw, Dm, Ds의 관계
Smear zone 의 투수계수는 Kh 로 봐도 되나, 연구결과에 따르면 0.5 Kh 로 줄어드는 시험도 보고되고 있음.

(Well resistance 의 영향인자)
-       내적 : 재질, 통수단면적, PBD 자재의 길이
-       외적 : 측압, 변형, 지중온도, 세립자의 이동, 동수구배

환산단면적

배치간격 CTC = 2.0m 정도로 유지



1차, 2차 압밀 구간에서의 압축성의 차이. (간극비 변화의 차이)

4.     수치해석
하중이 깊이에 따라 선형이 아닐 수 있음.
초기조건, 경계조건 설정
유한요소해석, 유한차분해석
다층지반의 비균질성을 모델에 반영. (경계조건 설정)
Rowe Cell 시험 등으로 예측 결과 확인 및 비교.
(시료추출 -> 시료세팅(75mm) -> 수평배수 & 압밀)

블록 : 낙반 붕락등의 사고로 이어질 수 있어 키블록의 조사가 필요함

프로그램을 통한 수치해석
-       입력값 – 불연속면 정보 – 파괴가능 블록산정 – 안전율 확인 및 지보설정 – 계산
-       평사투영법을 통한 절리정보 입력 : 블록형태 확인 및 절리 묘사
-       3차원 기하학 형상으로 키블록 확인 및 표준지보패턴 변경
-       쐐기파괴, 슬라이딩, 낙하 등
-       역해석을 통한 안정성 확보

블록의 분류
-       유한블록, 무한블록 (경계면 등의 차이)
-       거동 가능 및 불가능 블록

장단점
-       블록 발생 범위 및 방향성 제시 – 지보패턴의 적용
-       사고예방 및 취약부 관리 가능
-       암반을 강체로 가정하여 암반 자체 내부의 응력을 고려하지 못함.
-       심부의 높은 지압의 암반 자체의 안정성 확보에 대한 의문
-       무한한 절리면의 가정으로 현장 분포와 다를 수 있음. (평사투영법, 프로그램으로 보완 가능)
-       빈도 등 안정설계를 위한 모든 정보를 제공하지는 못함.

터널의 해석순서

단순 한계평형, 내공변위 해석 및 계측에 의한 역해석에서
수치해석을 적용하게 되면서,
- 탄소성모델, 점탄성모델, 점탄소성모델 등 적용 가능
- 지반의 이방성, 불균질성, 비선형성, 불연속성 등 재료의 특성도 반영하여 해석 가능
- 시공 단계별 Simulation 가능 – 거동 예측

Kirsh 의 해 : 원형에만 적용 가능
- 응력의 재배열. 탄성영역/소성영역 구분 및 소성평형
- 초기 (r=a) 와 K0 값의 변화에 따라 탄성변형. (측벽과 천단부) 측벽 변형량이 더 크다.
- r/a 가 커질수록 (소성영역에서 탄성영역으로 갈수록) K0 는 전단과 수직응력이 1:1로 수렴(K0에 관계없이)

해석모델의 종류
1. 유한요소법
- 요소와 절점으로 구성하여
- 응력-변형률 관계를 이용한 해의 정의
- 복잡한 지반조건의 해석, 불균질성 해석, 시간의존성 해석 가능
- 시간이 오래 걸리고, 저장량이 필요하며, 모델을 작성하는 사람의 숙련도나 지식이 필요.
- 경계조건 설정이 중요함.
2. 유한차분법
- 유한요소법과 비슷하나, 미지수의 해법이 시간 단위의 기준으로 동적해석이나 시간당 변화량 등에 적용됨.
- 계산 시간이 짧고 저장용량이 적으며 미소변형 뿐 아니라 대변형의 해석이 필요.
3. 경계요소법
- 마찬가지로 지반을 연속체로 간주하고
- 경계부분만 해석하고, 선형 거동에 유효한 해석방법
- 시간의 변수 등을 적용하기 어려움.
4. 개별요소법
- 지반을 각각의 강성블록으로 생각하고 진행.
- 핵석을 떠올리고
- 절리의 변위가 블록 자체의 변위보다 큰 경우 적용 가능.
5. 혼합법

수치해석은 경험적 방법(RMR, Terzaghi, Q-system 등) 과 비교될 수 있다.

내공변위 제어 방법 원리 3가지. (LDP 종단변형, GRC 암반반응, SCC 지보특성)

흙막이 해석 범위 : 3H 양쪽, 2H 하부까지 수치해석 모델 작성

흙막이 해석 내용
-       벽체 수평변위 : 허용변위량과 비교
-       벽체 응력 검토 : Strut (휨응력, 압축응력), 띠장 (휨응력, 전단응력), 측면말뚝 (휨응력, 전단응력), CIP (압축, 전단, 인장)
-       인접구조물 검토 : 변위 및 부등침하, 각변위 1/500
-       지하매설물 검토 : 침하량
-       인접도로 : 침하량

탄소성 해석 : SUNEX
-       발생응력과 허용응력 비교
-       굴착저면 안전검토 – 근입깊이, 히빙(5.7, 5.14cu 와 파괴면을 따라 비교), 파이핑(보일링) (한계유속, Terzaghi, 동수구배, 유선망)

Peck

지반의 특성에 따라 지하안전영향평가시 해당 지역의 범위를 설정.

Caspe

굴착영향거리, 45+pi/2 기준 settlement 측정 및 분석/계측/관리

3.6D 정도까지 변위수렴구간으로 판단하여 검토 필요.