• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권5호
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• pp.543-561
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• 2020

본 논문은 터널 강지보 지지구조의 효과에 대한 연구 결과이다. 터널 굴착에 있어 상·하 반단면 굴착 공법은 상반굴착 후 지반이 불량한 경우, 강지보재의 지지력 부족으로 강지보재의 침하가 발생한다. 상반 굴착부에 설치된 강지보재 기초부가 하반을 굴착함에 따라 자체 하중, 측압 등 여러 영향으로 강지보재의 침하가 발생된다. 이로 인하여 터널 내공유지 곤란 및 안전성에 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 강지보재 지지구조체를 개발하였다. 이를 검증하기 위해 Terzaghi 이론식을 이용한 하중 및 하반 굴착으로 발생하는 ΔP를 구해 수치해석을 통한 구조검토 및 검증, 숏크리트 및 강지보재의 재료상사를 통한 축소모형 실험으로 지지구조체 유·무에 따른 거동특성을 분석하였다. 그 결과, 풍화토~연암 각 지반의 경우 토피고 10~40 m 구간에 대해 20.100~198.423 kN의 지지구조가 필요한 것으로 나타났다. 또한 축소모형 실험 결과 강지보재 지지구조체 설치 시 강지보재의 침하는 미설치시의 50% 수준으로 나타났다. 본 연구를 통하여 강지보재 지지구조체의 설치로 시공 시 발생하는 불확실성 및 여러 문제점을 보완할 수 있을 것으로 보여진다. 또한 강지보재 지지구조체 설치로 안정성, 경제성 및 공기 단축등과 같은 여러 효과로 적용성 또한 클 것으로 판단된다.

• 대한토목학회논문집
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• 제32권5C호
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• pp.221-229
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• 2012

NATM터널의 안정성 확보를 위해 지반조건이 불량한 경우 숏크리트에 격자지보나 H형강 등의 강지보를 보강하는 경우가 많다. 그러나 설계 시 강지보를 숏크리트가 경화되기 전 임시지보재로 간주하여 수치해석 시 고려하지 않는 것이 일반적이며, 수치해석에 고려하더라도 모델링 방법이 다양하다. 본 연구에서는 휨강도실험, 압축강도실험, 그리고 실대형실험을 통하여 강지보와 숏크리트 합성부재의 거동과 하중 부담률을 분석하였다. 또한 실험과 같은 조건에서 숏크리트와 강지보의 고려방법을 달리하여 수치해석을 실시하여 실험결과와 비교분석하였다. 연구결과 숏크리트와 강지보는 경계면에서의 미끄러짐(slip)으로 인하여 일체로 거동하지 않으며, 수치해석 시 휨모멘트는 강지보가 모두 부담하고 축력은 숏크리트와 강지보가 압축강성비에 따라 분담하는 것으로 고려하는 것이 적절한 것으로 평가되었다.

• 대한토목학회논문집
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• 제37권2호
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• pp.357-367
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• 2017

강지보로 보강된 터널 숏크리트 라이닝은 그 기하학적 형태로 인해 외부하중이 작용됨에 따라 휨 모멘트와 축력이 동시에 발생하게 된다. 숏크리트는 축력 수준에 따라 휨 강성이 달라지며, 이로 인한 심한 비선형 거동을 보인다. 또한 강지보 유형에 따라 역학적으로 상이한 지보 성능을 가진다. 본 연구에서는 화이버 단면 요소(fiber section element)를 이용해 압축력과 휨 모멘트를 동시에 받는 강지보-숏크리트 라이닝의 비선형합성거동을 평가할 수 있는 수치모델을 제시하였고, 이를 활용해 강지보 유형에 따른 합성지보 성능을 수치적으로 분석하였다. 또한, 지반-구조물 상호작용을 구현하기 위해 지반의 연화(softening) 거동을 고려하여 수정된 hyperbolic 모델을 제시하였다. 제시된 수치모델은 기존 아치형 실험체의 하중실험 결과와 해석결과를 비교하여 검증하였으며, 수치해석을 통해 강지보 유형에 따른 라이닝의 합성거동을 분석하였다. 해석결과를 통해, 복철근 형태의 강지보가 기존 H형강과 유사한 극한 하중 지지력을 가지는 것을 확인하였다. 또한 강재량 증가가 잔류 지지력 향상에 크게 기여하였으며, 지보재 주변의 지반강성이 증가함에 따라 강지보 유형에 따른 최대 하중지지력 개선 효과는 작아짐을 확인하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제10권3호
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• pp.269-282
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• 2008

일반적으로 터널설계와 관련된 수치해석에서 강지보의 효과가 고려되지 않고 있다. 최근 연약한 지반에 위치하는 얕은 터널 건설의 증가에 따라 터널의 안정성 해석에 강지보가 굴착으로 재 분포된 하중의 일부를 부담한다는 개념 하에 숏크리트와 함께 강지보의 효과를 적용한 사례가 늘고 있다. 이와 같은 해석에서 강지보는 여러 방법으로 고려될 수 있다. 본 논문에서는 숏크리트와 강지보의 발생응력을 알아보기 위하여 FLAC 2D를 이용하여 (1) 강지보를 고려하지 않는 일반적인 방법, (2) 숏크리트의 모멘트를 고려하지 않는 등가합성단면법, (3) 숏크리트와 강지보의 압축력과 휨모멘트를 모두 고려하는 등가합성단면법, 그리고 (4) 각각의 빔 요소로서 모델링하는 방법을 포함하는 4가지 방법에 대해 수치해석을 실시하였다. 그 결과, 강지보의 지보효과를 고려한 경우가 그렇지 않은 방법에 비해 현실적이며 경제적인 설계에 접근할 수 있는 것으로 나타났다. 강지보를 고려하는 3가지 해석방법은 지반 조건에 따라 조금씩 다른 경향을 나타내므로 설계조건 및 상황에 맞는 적절한 사용이 필요하다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제13권5호
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• pp.395-411
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• 2011

본 논문은 록볼트를 강지보와 체결한 신개념 지보시스템을 연구하였으며 본 연구를 수행하기 위해 실험 및 수치해석을 실시하였다. 실험적 연구로서 축소모형실험을 사질토지반에서 실시하여 기존의 지보시스템과 신개념 지보시스템을 비교하였으며, 신개념 지보시스템의 축소모형실험 결과를 확인하기 위해 수채해석을 실시하였다. 터널에 신개념 지보시스템을 적용할 경우 터널의 손상을 감소시키는 것을 확인하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제10권3호
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• pp.245-256
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• 2008

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.

• 터널과지하공간
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• 제18권3호
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• pp.226-238
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• 2008

숏크리트의 지보성능을 보완하기 위해 사용되는 강지보재는 매우 효과적인 것으로 평가되지만 강지보재 종류별 성능이 파악되지 못하여 설계에 제대로 반영하지는 못하고 있다. 본 연구에서는 여러 가지 강지보재에 의해 보강된 숏크리트의 특성을 휨인성 시험을 통하여 파악하고, 그 결과를 수치해석에 반영하고자 하였다. 시험결과 철근보강 숏크리트는 H 형강이나 격자지보에 비해 지보능력이 다소 못 미치는 것으로 나타났는데, 이는 시험체가 휨인장 파괴를 유도하기에는 다소 짧아서 전단파괴가 발생하였기 때문인 것으로 나타났다. 수치해석을 이용한 안정성 해석 시 숏크리트와 강지보재를 별도로, 그리고 이들 복합체에 대한 등가물성을 구하여 각각 해석한 바 두 결과가 잘 일치하여 등가물성을 이용한 복합체 해석으로도 간편하게 강지보재의 효과를 모사할 수 있었다.

• 한국강구조학회 논문집
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• 제24권3호
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• pp.267-278
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• 2012

본 논문은 신형식 사각 격지지보의 구조 성능 평가를 다룬다. 지금까지 NATM 공법을 이용한 터널 시공 시 콘크리트 라이닝 시공 전까지 터널 배면을 지지하는 구조체로서 H형 단면 강지보 및 삼각 격자지보가 주로 사용되었다. H형 단면 강지보는 동일 단면 높이를 갖을 때 삼각 격자지보보다 우수한 휨 성능을 보이지만, 단면이 복부판 및 플랜지로 구성되어 있어서 숏크리트 타설 후 콘크리트 라이닝 내부에 배면 공동이 많이 발생한다. 이를 해소하기 위해 개발된 삼각 격자지보는 숏크리트와 우수한 부착성을 보이나 부재와 부재 간 용접부에서의 파손이 빈번하게 발생한다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 사각 격자지보가 개발되었고, 본 논문에서는 유한요소해석 및 하중재하실험을 통해 사각 격자지보의 구조 성능을 객관적으로 분석하였다. 해석연구에서는 강지보의 일반적인 성능평가방법인 4점 재하 휨 하중 해석을 수행하였고, 여기에 더하여 아치 해석을 통해 아치의 항복 하중 및 좌굴 하중 역시 검토하였다. 4점 재하 휨 하중 실험을 통해 사각 격자지보의 극한 상태 하중을 분석하였고, 기존의 격자지보에서 문제되었던 부재 간 접합부의 파손 여부를 검토하였다. 이렇게 해석 및 실험을 통해 신형식 사각 격자지보의 주요한 구조 성능을 평가하였고 이를 기존 격자지보와 비교하였다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제39권7호
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• pp.31-37
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• 2023

터널은 지중에 건설되는 구조물이므로 육안으로 터널 강지보재의 위치 등의 확인이 불가능하다. 이에, 터널 유지관리시에는, 일반적으로 GPR 이미지를 활용하여 강지보재 탐지를 수행한다. 인공신경망을 통한 GPR 이미지 분석에 대한 연구는, 주로 지하배관, 도로 손상 등의 탐지에 집중되어 있으며, 강지보재 등의 터널 GPR 데이터를 분석한 사례는 해외와 국내 모두 제한적이다. 본 연구에서는, 합성곱 신경망을 기반으로 하는 1단계 객체인식 알고리즘인 YOLO를 활용하여, GPR 데이터를 바탕으로 한 터널 강지보재의 위치 탐지를 자동화하고, 그 성능을 분석한다. 원본 이미지 데이터는 총 512개이며 원본 이미지 데이터로 이루어진 데이터 세트와 원본 이미지 데이터와 증식기법이 적용된 이미지 데이터를 병합한 2,048개의 데이터로 이루어진 데이터 세트를 해석에 활용하였다. 증식한 데이터를 사용한 모델의 강지보재 누락율(전체 강지보재와 탐지하지 못한 지보재 숫자의 비율)은 0.38%, 원본 데이터만을 활용한 모델의 강지보재 누락율은 7.18%로 나타났다. 따라서, 분석 자동화 측면에서는, 증식기법이 적용된 데이터 세트를 활용하는 것이 더 실용적일 것으로 판단된다.

• 터널과지하공간
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• 제9권3호
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• pp.204-213
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• 1999

터널 굴착 방법 중 NATM에서는 숏크리트, 록볼트, 강지보재 등이 주요 지보재로 사용되고 있다. 강지보재 중에서 격자지보(Lattice Girder)라 불리는새로운 지보재가유럽에서 개발되어 기존의 H형강 지보재를 대체하여 사용되고 있다. 격자지보는 강봉을 삼각형태로 용접하여 만든 것으로 가벼워 시공이 빠르고, 또한 숏크리트와의 결합특성이 좋아 앞으로 NATM 터널에 널리 사용될 전망이다. 본 연구에서는 국내 터널에 있어서 격자지보의 현장 적용성을 평가하기 위하여 대단면 고속철도 터널에서 현장시험시공을 실시하였으며, 기존의 H형강 지보재와 비교분석 하였다. 현장시험 결과 격자지보는 터널굴착 후의 지반하중을 충분히 지지할 수 있으며 지반변위를 효과적으로 억제할 수 있음을 알 수 있었다.