Numerical Analysis of the Effects of Stress Anisotropy and Tunnel Excavation Shape on Initial Elastic-wall Displacement

Ground reaction curve is a very important information for evaluating the side wall displacements and installation time of the tunnle support. The ground reaction curve can be estimated by analytical closed form solutions derived on the supposition of circular section and isotropic stress condition. The conditions of stress field and tunnel configurations, however, are quite different in practice. Therefore, it is necessary to investigate the effects of stress anisotropy and tunnel configurations in order to use simply in practical design. This paper describes a study of influence factors in the ground reaction curve. In order to evaluate the applicability of analytical closed form solution in practical design, two sets of parametric studies were carried out by numerical analysis in elastic tunnel behaviour: one set of studies investigated the influence of the K and the other set investigated the influence of the tunnel configurations such as circular and horse-shoe shape. In the studies, K value varies between 0.5 and 3.0, initial ground vertical stress varies between 5～30MPa far each K values. The results indicated that the self-supportability of ground is larger in the ground having lower K value. However, it 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 is necessary to consider stress anisotropy and tunnel configurations.

지반응력의 비등방성에 따른 터널측벽의 초기탄성변위 특성에 대한 수치해석적 연구

지반 굴착시 지반의 변위특성과 지보재의 설치시기에 대한 중요한 정보를 제공하는 지반반응곡선(Ground reaction curve)을 구하는 방법은 일반적으로 원형단면이고 측압계수 K＝1.0인 상태를 가정한 closed from solution을 통해서 구해지지만, 실제 현장에서는 주로 마제형 굴착단면이 사용되며 $K\neq$1.0인 경우 대부분이다. 지반 굴착시 측압계수와 굴착 형상에 따라 측벽에서의 초기탄성변위 및 임계지보압이 변화하는 경향을 알아보기 위하여 측압계수 값을 0.5～3.0 사이에서 변화시키고, 각 측압계수마다 초기연직응력을 5～30MPa 사이에서 변화시켜가면서 원형단면과 마제형 단면인 경우를 구분하여 수치해석을 통해 지반반응곡선을 얻었다. Closed form solution에 의해 얻어진 지반반응곡선은 측압계수와 굴착단면의 형상을 고려하지 못하기 때문에 $K\neq$1.0인 실제 지반에 대한 변위거동과 지반의 자립성을 평가하는 데 큰 오차를 유발할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서, Closed from solution에 의해 지보재의 설치시기를 예측하는 것은 많은 오차를 수반하는 과정이므로, 수치해석을 통한 지보설치 시기와 자립성에 대한 검토를 수행하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.