Analysis and Design of Soft Ground Tunnels Subject to Steady-State Groundwater Flow

정상류 조건하의 토사터널의 해석 및 설계

Under the groundwater level, the tunnel face is affected by the seepage force and the groundwater flow may cause a trouble to the tunnel support systems. The appropriate methods of analysis and design in the tunnel face and the lining, considering groundwater flow according to tunnel drainage condition are presented in this thesis. First, the effect of seepage on the stability of tunnel face was studied. Seepage force was estimated by the 3-D finite element analysis and the stability of tunnel face was checked by analytical method. Furthermore, using the finite difference method the stress and displacement on the face were computed for either case, where the seepage force is or is not considered, and the effect of seepage on the tunnel face stability was evaluated. Second, the effect of seepage force on the tunnel lining when construction is finished and steady state seepage flow occurs was studied and a design methodology considering seepage effect was made. Consequently, in case where the groundwater level remains almost unchanged and the steady state groundwater flow occurs, the proper countermeasures for face staility are required according to the condition of groundwater flow. Moreover, the tunnel lining should be designed and constructed considering the seepage force occuring by the groundwater flow toward the tunnel linings.

지하수위 하에서 터널이 시공될 경우, 터널막장은 시공 중 용수에 의한 영향을 받게 되며 지보 System은 시공 후 지하수 흐름이 문제시 될 수 있다. 븐 연구는 터널막장 및 라이닝에 대해 배수조건에 따른 지하수 흐름을 고려한 적절한 해석 및 설계방법을 제시하고 있다. 첫째, 시공 완료 후 터널 라이닝이 배수조건에 따라 받게 되는 지하수의 영향을 라이닝에 작용하는 응력 및 변위로써 검토하고 각 배수조건별로 적절한 해석 및 설계방법을 제안하였다. 둘째, 시공 중 굴착에 의한 지하수의 흐름이 문제가 되는 터널막장에 대해서 지하수 흐름의 3 차원 모델링을 수행하였으며, 그 결과를 막장의 안정성에 대한 이론적 검토에 반영하여 침투력이 막장의 안정성 미치는 영향에 대하여 검토하였다. 또한 막장을 평면변형률조건(plane strain condition)으로 모델링 하여 침투 고려시와 지하수의 미고려시에 막장면에 작용하는 응력 및 변위를 산출하여 침투력이 막장면에 미치는 영향을 검토하였다. 연구 결과, 터널 시공시 지하굴착 및 배수에 의한 지하수위 저하가 크지 않은 구간에서 터널막 장은 정상류 흐름에 의한 침투력을 고려한 적절한 안정대책이 요구되며, 터널 라이닝 또한 침투를 고려한 배수개념이나 내부 라이닝이 정수압을 견뎌야 하는 비배수 개념에 의해 설계 및 시공이 이루어져야 함을 보여준다.