NATM공법 터널 설계

목차

없음

본문내용

널 설계기준
건설교통부
1999
콘크리트 구조설계기준
건설교통부
2003
도로교 설계기준
건설교통부
2005
도로의 구조시설 기준에 관한 규칙 해설 및 지침
건설교통부
2000
도로설계요령
한국도로공사
2001
구조물 기초 설계기준
건설교통부
2003
도로터널 방재시설 실치지침
건설교통부
2004
터널 표준시방서
건설교통부
1999
터널내 포장설계 지침
건설교통부
2005
3) 허용응력
구 분
허 용 응 력
지보재
숏크리트 (20MPa)
휨 압축응력(MPa)
fca = 0.40 fck = 8.0MPa
전단응력(MPa)
τa = 0.08√fck = 0.36MPa
록볼트 (fy=350MPa)
인장강도(kN)
0.5 As fy = 85.9kN
4) 설계 단면
단면형상
적용수치
A1
60
R1
4.89m
A2
30
R2
3.89m
A3
20
R3
7.17m
A4
21
R4
23.58m
5)대상지반
본 터널이 통과하는 지역은 화강암 지대로 지표로부터 10m 깊이 까지는 풍화토층, 이로부터 30m 깊이 까지는 풍화암층이 있고 그 이하는 연암층이 있습니다. 터널은 풍화암과 연암의 경계로부터 풍화암지층에 시공되는 것으로 모사되었습니다.
6) 시공단계
터널의 시공은 전단면 굴착이 되는 것으로 모사하였고 그 후에 지보재로써 shotcrete 와 rock bolt가 각각 200mm 와 11개로 시공이 되는 것으로 모사하였으며, 하중분담율을 줄 때 shot crete가 경화되는 것을 모사하였다.
6-2. 수치해석
1) 해석개요
일반적으로 수치해석의 모델범위는 굴착으로 인한 영향을 받지 않도록 가능한 원거리에 선정하여야 하며, 경계조건의 영향이 최소화되는 범위까지를 산정
해석영역이 너무 작거나 경계면이 굴착면에 인접할 경우 터널의 거동이 달라 질 수 있으며, 반대로 해석영역이 너무 클 경우 불필요한 범위의 해석 수행으 로 시간 및 경제적 측면에서 비합리적
터널 상하부 및 좌우측 경계거리를 매개변수로 하는 해석을 수행하여 경 계조건으로 인한 영향을 배제할 수 있는 경제적인 해석범위를 선정하여 본 설 계구간 터널 안정성 해석에 적용
2) 해석 프로그램
프로그램 개요
개발사：한국, 마이다스아이티
GTS(Geotechnical and Tunnel Analysis System)는 시공단계를 고려한 응력해 석과 침투류 해석 등 지반 및 터널공학분야 수치해석에 필요한 제반기능을 집적하여 개발된 프로그램
접속부 터널해석, 지하수 침투해석, 응력-침투연계 유효응력해석, 연약지반 성 토 및 압밀해석, 굴착 및 가시설해석, 지진 및 발파진동해석 그리고 라이닝 구 조해석 가능하며, 다양한 지반재료 모델을 제공함
수치해석 모델링
변위도
응력도
3) 이론적 배경
탄소성이론
암반은 Post Failure 영역에서 변형률 연화(Strain Softening) 현상을 보이는 취 성재료(Brittle Materials)로 거의 모든 경우에 있어서 탄 소성체로 간주
탄소성 모델에서는 재료의 응력수준이 항복점에 도달하기 전까지의 거동은 탄성모델로 모사되나, 항복점에 도달한 이후의 거동은 소성거동을 따르는 것으 로 가정
탄소성 모델을 적용하기 위해서는 항복이 시작되는 응력수준을 결정하는 항 복규준(Failure Criterion)과 항복 후 거동을 모사하기 위한 유동법칙(Flow Rule)이 필요하며, 그 대표적인 항복규준으로 Mohr-Coulomb, Hoek-Brown, Drucker- Prager 등이 있음
Mohr - Coulomb Failure Condition
Coulomb Failure Condition과 Mohr Circle을 이용한 항복규준으로 점착력(c)과 내부마찰각(φ)으로 정의되며, 이를 주응력 형태로 표현하면
항복면에서의 전단응력(τ)은 연직응력(σ)의 함수는
τ = f(σ) ⇒ τ = c + σ × tan φ
4) 해석 모델 및 입력 물성치
해석시에 경계조건의 영향을 배제하기 위하여 좌우는 2.5D 이격하고 상하는 3D를 이격하여 해석하였다.
좌우의 경계조건은 롤러로 모델화하였고 하부는 힌지로 모델링 하였다.
R/B는 TRUSS 요소로 S/C는 BEAM요 소로 모델화하였다.
물 성 치
지반
E ()
γ (t/m3)
c ()
0 (°)
ν
풍화토
8000
2.2
2
25
0.286
풍화암
100000
2.2
5
35
0.232
연암
500000
2.4
10
40
0.200
S/C
500000
6.5
-
-
0.200
Hardening S/C
1500000
6.5
0.200
R/B
21000000
6.5
-
-
0.200
5) 검토방법
본 과업구간 중 편토압 구간의 터널 안정성을 검토하기 위하여 사리터널 종점 부 구간에 대한 실제 지반조건 및 터널형상을 모델링하여 시공단계에 따른 터 널 거동 및 지반변형 검토
터널 변위 및 지보재 발생응력을 검토하여 허용값과 비교분석 수행
수치해석의 경계조건에 의한 구속효과를 배제하기 위하여 터널 좌우 2.5D 및 하부 경계거리는 3D 적용
6) 해석 STEP
해석 단계
내 용
하중 분담율 (%)
STEP 1
지반 굴착
40
STEP 2
Shot Crete , Rock Bolt 설치
30
STEP 3
Shot Crete 경화
30
7) 해석결과
구 분
숏크리트 응력 (MPa)
록 볼트 최대축력 (kN)
최대 휨 압축응력
최대 전단응력
STEP 1
Ko=1.0
0
0
0
STEP 2
Ko=1.0
0.840
0.09
11.7
STEP 3
Ko=1.0
2.81
0.341
60
적용기준
0.4×fck
0.08×√fck
0.5×fy×A
허 용 치
8.00
0.36
86
해석 결과 최대 휨압축응력과 전단응력은 허용치보다 낮게 발휘되는 것으로 보아 안정한 것으로 해석된다. rock bolt의 최대 축력 또한 기준치 이내여서 터널이 시공단계에 따라서 안정하게 시공된 것으로 보여진다.
8) 결과
해석요소망
소성영역도
변위벡터도
변형도
X방향 변위도
Z방향 변위도
최대주응력도
안전율도
Shot Crete 축력도
Shot Crete 모멘트도
Shot Crete 전단응력도
Rock Bolt 축력도
천단변위 GRAPH(3.788mm)
내공변위 GRAPH(1.561mm)

키워드

공법,   NATM,   구조,   토목구조,   설계,   토목