Convergence-confinement method of a tunnel with the consideration of seepage forces

침투력을 고려한 터널의 내공변위 제어 미케니즘

When a tunnel is excavated below groundwater table, the groundwater flow occurs towards the tunnel resulting in the seepage pressure. In this paper, the effect of groundwater flows on the behavior of shotcrete lining installed between ground-liner interfaces was studied considering permeability ratio between the ground and the shotcrete into account. Three-dimensional coupled finite element analysis was performed for this assessment. Seepage forces will seriously affect the shotcrete behavior since arching phenomena do not occur in seepage forces. A parametric study was conducted on the various tunnelling situations including interfacial properties between ground and shotcrete lining, the shape of tunnel cross-section and the thickness of liner, etc. Moreover, the convergence-confinement method (CCM) of a NATM tunnel considering seepage forces was proposed. The result showed that the more water tight is the shotcrete, the smaller is the convergence and the larger is the internal pressure. Therefore, the watertight fiber-reinforced shotcrete is found to be even more advantageous when used in under water tunnel.

지하수위 하에서 터널을 굴착하게 되면, 지하수 흐름은 터널내로 발생하면서 터널 단면에 침투력이 작용하게 된다. 본 연구에서는 지하수 흐름을 고려한 숏크리트 라이닝 거동을 지반 및 숏크리트 라이닝 상호간의 투수계수의 비율에 따라 검토하였다. 숏크리트 응력 및 변위 관계는 3차원 유한요소 연계해석을 수행하여 산정하였다. 지하수 흐름 자체는 아칭효과가 발휘되지 않기 때문에, 터널의 응력이 평형상태에 도달한 후에도 침투력은 계속적으로 숏크리트 라이닝에 작용하여 심각한 영향을 준다. 지반 및 숏크리트 라이닝 상호간의 인터페이스 특성 및 터널의 단변형상 그리고 라이닝의 두께를 포함한 숏크리트 거동의 영향 인자에 대해 매개변수분석을 실시하였다. 또한 NATM 터널에서의 침투력을 고려한 내공변위 제어법을 제안하였다. 해석결과를 보면, 숏크리트의 투수성이 낮아질수록 잔류수압에 따른 유효응력의 감소로 인해 내공변위는 감소하고 내압은 커지는 것을 알 수 있었다. 띠라서 차수성이 강한 강섬유보강 숏크리트가 해저/하저 터널의 지보재로서 더욱 유리하다는 결론을 얻었다.