A numerical study on the analysis of behavior characteristics of inclined tunnel considering the optimum direction of steel rib

강지보재 최적 설치방향을 고려한 경사터널의 거동특성에 대한 수치해석적 연구

The steel rib, one of the main support of tunnel, plays a very important role to stabilize tunnel excavation surface until shotcrete or rockbolt starts to perform a supporting function. In general, a steel rib at the horizontal funnel is being installed in the direction of gravity which is known favorable in terms of constructability and stability. However, as the direction of principal stress at the inclined tunnel wall is different from that of gravity, the optimum direction of steel rib could be different from that at the horizontal tunnel. In this study, a numerical method was used to analyze the direction of force that would develope displacement at the inclined tunnel surface, and that direction could be the optimum direction of steel rib. The support efficiency of steel rib could be maximized when the steel rib was installed to resist the displacement of the tunnel. Three directions which were recommended for the inclined tunnels in the Korea Tunnel Design Standard were used for the numerical models of steel rib direction. In conclusion, the results show that all displacement angle of the models are almost perpendicular to the tunnel surface regardless of face angle. So if the steel rib would be installed perpendicular to the inclined tunnel surface, the support efficiency of steel rib could be maximized.

터널 주지보재의 하나인 강지보재는 굴착 후 숏크리트 또는 록볼트의 지보기능이 발휘되기까지 터널 굴착면의 안정을 도모하는데 매우 중요한 역할을 수행한다. 일반적으로 수평터널의 강지보재는 중력방향으로 설치되고 있으며 시공성 및 안정성 측면에서 모두 유리한 것으로 알려져 있다. 그러나 경사터널의 경우는 터널 벽면에 작용하는 주응력 방향과 중력방향이 서로 다르기 때문에 최적의 강지보재 설치방향은 수평터널에서의 중력방향과는 다를 수 있다. 본 연구에서는 수치해석 방법을 이용하여 경사터널 벽면에 작용하는 힘의 작용방향을 규명하였으며 그 방향이 최적의 강지보재 설치방향이 될 수 있다. 즉, 강지보재의 지보효율은 터널 변위가 발생하는 방향으로 저항하도록 설치하는 경우에 최대가 될 수 있다. 국내 터널설계기준에서 제안하고 있는 경사터널에서의 세 가지 강지보재 설치방향을 모델로 설정하여 단계별 해석을 통한 비교검토를 수행하였다. 연구결과 경사터널 벽면에서의 변위 발생각은 막장경사와 관계없이 모두 터널 굴착면에 수직한 방향과 유사한 각도로 발생하므로 경사터널에서의 강지보재는 터널 굴착면에 수직인 방향으로 설치하는 경우가 지보효율 측면에서 보다 유리한 것으로 검토되었다.