Equivalent Design Parameter Determination for Effective Numerical Modeling of Pre-reinforced Zones in Tunnel

터널 사전보강 영역의 효과적 수치해석을 위한 등가 물성치 결정 기법

Although various methods for effective modeling of pre-reinforced zones have been suggested for numerical analysis of large section tunnels, tunnel designers refer to empirical cases and literature reviews rather than engineering methods because ones who use commercial programs are unfamiliar with a macro-scale approach in general. Therefore, this paper suggests a simple micro-scale approach combined with the macro-scale approach to determine equivalent design parameters for effective numerical modeling of pre-reinforced zones in tunnel. This new approach is to determine the equivalent stiffness of pre-reinforced zones with combination of ground, bulb, and steel in series or/and parallel. For verification, 3-D numerical results from the suggested approach are compared with those of a realistic model. The comparison suggests that two cases make best approximation to a realistic solution: One is related to the series-parallel stiffness system (hereafter SPSS) in which bulb and steel are coupled in parallel and then connected to the ground in series, and the other is the series stiffness system (hereafter SSS) in which only bulb and steel are coupled in series. The SPSS is recommended for stiffness calculation of pre-reinforced zones because the SSS is inconvenient and time-consuming. The SPSS provides slightly bigger vertical displacement at tunnel crown in weathered rock than other cases and give almost identical results to a realistic model for horizontal displacement at tunnel spring line and ground surface settlement. Displacement trends on weathered rock and weathered soil are similar. The SPSS which is suggested in this paper represents the behavior mechanism of pre-reinforced area effectively.

대단면 터널에서 시공되는 사전보강공법에 의한 보강영역의 보강효과를 수치해석적으로 모델링하기 위한 다양한 방법이 제시되고 있지만 실무자들은 공학적인 방법보다는 경험적인 방법과 문헌을 참고하여 설계를 수행하고 있다. 따라서 본 연구에서는 상용 프로그램에서 직접적으로 적용할 수 있는 사전보강 영역의 물성치 결정에 있어서 거시적 접근법의 개념을 기반으로 미시적 접근법을 적용한 등가 물성치를 결정하는 기법을 제시하고 3차원 수치해석을 통한 실제모델 해석결과와 다른 여러 미시적 접근법들과의 비교 분석을 수행하여 타당한 보강영역 물성치 결정기법을 제시하였다. 해석 결과 구근과 강관의 병렬연결 강성이 원지반과 직렬로 연결되는 사전보강영역의 직병렬 강성 시스템과, 구근과 강관의 직렬 강성 시스템이 실해와 가장 근사한 변위를 예측하였으나 후자의 경우 그 모델링 과정이 복잡하므로 본 연구에서는 간편법으로써 직병렬 강성 시스템을 제안한다. 직병렬 강성 시스템은 천단변위에 대해 풍화암 지반에서는 약간 안전측으로, 내공변위와 지표면 변위에 대해서는 정밀모델의 결과와 거의 동일하게 거동하는 것으로 분석되었으며 풍화토와 풍화암 지반에서 동일한 변위 경향성을 나타낸다. 본 연구에서 제시된 사전보강영역의 직병렬 강성 시스템은 실제모델로 대표되는 보강지반의 거동 메카니즘을 효과적으로 나타내는 것으로 분석된다.