이차원 수치해석에 의한 강지보 성능을 고려한 숏크리트 라이닝의 부재력 평가 방법

Evaluation methods of shotcrete lining stresses considering steel rib capacities by two-dimensional numerical analysis

일반적으로 터널설계와 관련된 수치해석에서 강지보의 효과가 고려되지 않고 있다. 최근 연약한 지반에 위치하는 얕은 터널 건설의 증가에 따라 터널의 안정성 해석에 강지보가 굴착으로 재 분포된 하중의 일부를 부담한다는 개념 하에 숏크리트와 함께 강지보의 효과를 적용한 사례가 늘고 있다. 이와 같은 해석에서 강지보는 여러 방법으로 고려될 수 있다. 본 논문에서는 숏크리트와 강지보의 발생응력을 알아보기 위하여 FLAC 2D를 이용하여 (1) 강지보를 고려하지 않는 일반적인 방법, (2) 숏크리트의 모멘트를 고려하지 않는 등가합성단면법, (3) 숏크리트와 강지보의 압축력과 휨모멘트를 모두 고려하는 등가합성단면법, 그리고 (4) 각각의 빔 요소로서 모델링하는 방법을 포함하는 4가지 방법에 대해 수치해석을 실시하였다. 그 결과, 강지보의 지보효과를 고려한 경우가 그렇지 않은 방법에 비해 현실적이며 경제적인 설계에 접근할 수 있는 것으로 나타났다. 강지보를 고려하는 3가지 해석방법은 지반 조건에 따라 조금씩 다른 경향을 나타내므로 설계조건 및 상황에 맞는 적절한 사용이 필요하다.

In general, the effects of steel ribs are not considered in the numerical analysis of tunnel design. However, attempts have been increased recently to consider these effects in the analysis of shallow tunnels in soft ground, based on the fact that the steel ribs embedded in the shotcrete take a role to support some portion of the redistributed load due to excavation. In such analyses, the steel ribs can be considered in four different methods: (1) a conventional method where the steel ribs are not considered, (2) a method using the equivalent composite cross section in which the bending moment of shotcrete is not considered, (3) a method using the equivalent composite cross section in which both the compressive stress and the bending moment for the shotcrete and steel rib are considered, and (4) a method using beam elements for the shotcrete and the steel rib, respectively. These methods are adopted in the numerical analysis using FLAC 2D to investigate stresses of both the shotcrete and the steel rib. The overall results show that the analyses are more practical and economical when the effects of steel rib are considered fer the methods (2), (3), and (4). Since the results of those analyses considering steel rib capacity may be different according to the ground condition, it will be necessary to consider the appropriate method among them in accordance with design conditions.