A numerical study for initial elastic displacement at tunnel side-wall due to configuration of the tunnel excavation

굴착단면 형상에 따른 터널 초기탄성변위의 수치해석적 연구

Ground reaction curve is very useful information for estimating the installation time of the tunnel support. The ground reaction curve can be estimated by analytical closed form solutions derived in case of circular section and isotropic stress condition. The nature of the ground reaction, however, depends significantly on tunnel configurations. Nevertheless, few purely analytical and experimental studies of this problem due to tunnel configurations appear to have been carried out. Therefore, it is necessary to investigate the influence of tunnel configurations in order to use simply in practical design. This paper describes a numerical study for the intial elastic displacement in the ground reaction curve due to configuration of tunnel excavation. In order to evaluate the applicability of analytical closed form solution in practical design, the parametric studies were carried out by numerical analysis in elastic tunnel behaviour. In the studies, S value, namely configuration factor, defined as the ratio between tunnel height (b) and width (a), varies between 0.5 and 3.0, initial ground vertical stress varies between 5~30 MPa for each S values. The results indicated that the self-supportability of ground is larger in the ground having low S value. It, however, is suggested that the applicability of closed form solution may not be adequate to determine directly the installation time of the support and self-supportability of ground. It should be necessary to perform the additional numerical analysis.

일반적으로 터널 굴착시 지보재의 설치시기에 대한 예측을 위하여서는 지반반응곡선 (Ground reaction curve)을 활용하고 있다. 이 지반반응곡선은 굴착에 따른 지반의 변위 특성을 나타내며, 일반적으로 원형단면이고 등방상태 (K = 1.0)로 가정하여 단순화시킨 Closed Form Solution을 통해서 구해진다. 그러나, 원형단면이 아니고, 비등방 응력상태인 실질적인 현장조건을 고려해 본다면, 이 지반반응특성 예측식을 현장조건에 적용함에 있어서 어떠한 한계점을 갖는지에 대하여 규명할 필요가 있다. 이를 위해, 본 논문에서는 굴착단면 형상에 따른 측벽에서의 초기탄성변위 및 임계지보압의 변화 특성에 대하여 연구하였다. 터널굴착 형상은 단면의 높이 (b)와 폭 (a)의 비, 즉 굴착형상 계수 S (=b/a)값이 1.0, 0.8, 0.6, 0.4로 변화하도록 하였으며, 각각의 굴착형상마다 초기등방응력을 5~30 MPa사이에서 변화시켜가면서 수치해석을 통해 지반반응곡선을 얻었다. 수치해석을 통해 얻어진 측벽에서의 지반반응곡선을 분석하여 그에 따른 특성을 제시하였다. 검토결과 지반의 자립성을 평가하는데 있어서 Closed form solution의 사용에는 한계가 있는 것으로 판단된다.