Numerical analysis of pre-reinforced zones in tunnel considering the time-dependent grouting performance

터널 사전보강영역의 경시효과를 고려한 수치해석 기법에 관한 연구

Auxiliary support systems such as the reinforced protective umbrella method have been applied before tunnel excavation to increase ground stiffness and to prevent the large deformation. However, determination procedure of geotechnical parameters along the construction sequence contains various errors. This study suggests a method to characterize the time-dependent behavior of pre-reinforced zones around the tunnel using elastic waves. Experimental results show that shear strength as well as elastic wave velocities increase with the curing time. Shear strength and strength parameters can be uniquely correlated to elastic wave velocities. Obtained results from the laboratory tests are applied to numerical simulation of tunnel considering its construction sequences. Based on numerical analysis, initial installation part of pre-reinforcement and portal of tunnel are critical for tunnel stability. Result of the time-dependent condition is similar to the results of for $1{\sim}2$ days of the constant time conditions. Finally, suggested simple analysis method combining experimental and numerical procedure which considering time-dependent behavior of pre-reinforced zone on tunnel would provide reliable and reasonable design and analysis for tunnel.

대형 대단면 터널의 시공시 지반 변형을 억제시키고 지반의 강성을 증가시키며 차수 및 지수를 확보하기 위해 다양한 사전 보강공법들이 굴착전 막장 천단부 전방에 적용되고 있으나 물성치 결정 및 시공단계 해석에 있어서 여러 오류를 안고 있다. 본 연구에서는 탄성파를 이용하여 사전보강영역의 시간 의존적 강도 및 강성 특성을 분석하는 기법을 제시하였다. 실내실험을 통해 획득한 탄성파속도와 전단강도는 경화시간에 따라 증가하며, 전단강도와 전단강도정수는 탄성파 속도와 일정한 관계를 갖는 것으로 분석된다. 재령에 따른 탄성계수와 점착력을 터널의 시공단계에 따른 시뮬레이션에 적용하여 경시효과가 터널 변위 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 해석결과 $1{\sim}2$일 강도 및 강성을 적용한 결과가 경시효과를 고려한 경우와 갱구부에서 유사한 거동을 하며, 특히 초기 시공부분 및 갱구부에서 터널의 안정성에 큰 영향을 미치는 것으로 분석된다. 본 연구에서 제안된 기법을 통해 향후 사전보강영역의 경시효과를 고려한 터널 거동해석을 위해 실내실험과 수치해석을 병용하여 신뢰성 있는 터널 해석 및 설계를 수행하는 것이 바람직 할 것이다.