Consideration of stress and load state changes using measurement results of a shield tunnel in operation

Yong Hag Kim; Kook Hwan Cho

doi:10.9711/KTAJ.2024.26.5.463

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Technical Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. 30 September 2024. 463-476
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2024.26.5.463

Consideration of stress and load state changes using measurement results of a shield tunnel in operation

운용 중 쉴드터널 계측결과를 이용한 응력 및 하중상태 변화추이 고찰

Yong Hag Kim¹

Kook Hwan Cho²^*

김 용학¹

조 국환²^*

¹Ph.D. Candidate, Dept. of Railway Construction Engineering, Seoul National University of Science and Technology

²Professor, Dept. of Railway Construction Engineering, Graduate School of Railway, Seoul National University of Science and Technology

¹정회원, 서울과학기술대학교 철도전문대학원 박사과정

²정회원, 서울과학기술대학교 철도전문대학원 철도건설공학과 교수

^{*Corresponding Author}

License (open-access, https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

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ABSTRACT

The shield TBM method can eliminate environmental hazards such as noise and vibration, and is environmentally friendly and allows safe tunnel construction even in soft ground conditions, but there are many restrictions on its application due to its high construction costs compared to the NATM. Therefore, in order to increase the applicability of the shield TBM method, it is necessary to ensure economic efficiency by reducing construction costs, and it is very important to reduce segment construction costs, which account for the largest proportion of shield TBM tunnel construction costs at about 35 to 40%. As part of this, this paper considers the changes in segment stress during tunnel construction and operation, tunnel external load conditions, etc. through analysis of long-term measurement data of shield TBMs in Japan, which has abundant experience in shield TBM construction, and compares and analyzes the differences between predicted values at the design stage and measured values during operation. Through this, we study improvements to ensure segment economic efficiency at the shield TBM design stage.

Keywords

Shield TBM

Measurement

Segment

쉴드 TBM 공법은 소음 ‧ 진동 등의 환경위해요소를 배재할 수 있어 친환경적이며 연약한 지반조건에서도 안전한 터널건설이 가능하지만 기존 NATM 공법에 비해 고가의 공사비로 인해 적용에 많은 제약이 있다. 따라서 쉴드 TBM 공법의 적용성을 높이기 위해서는 공사비 절감을 통한 경제성 확보가 필요하며 이중 쉴드 TBM 터널 공사비의 약 35~40%로 가장 큰 비중을 차지하고 있는 세그먼트 공사비 절감이 매우 중요하다. 그 일환으로 본 논문에서는 쉴드 TBM 시공경험이 풍부한 일본의 쉴드 TBM 장기계측 데이터 분석을 통하여 터널 시공 및 운용 중 세그먼트 응력, 터널외부하중 조건 등의 변화추이를 고찰하고 설계단계의 예상치와 운용 중 계측값의 차이를 비교분석하였다. 이를 통하여 쉴드 TBM 설계단계에서 세그먼트 경제성 확보를 위한 개선사항을 연구하고자 한다.

키워드

쉴드 TBM

계측

세그먼트

MAIN

1. 서 론
2. 운용 중 세그먼트에 작용하는 토압산정 방법
3. 현장계측을 통한 세그먼트 작용 하중상태 변화고찰
3.1 Case 1 : ○○선 쉴드터널 계측결과 분석
3.2 Case 2 : 도쿄 ○○선 쉴드터널 계측결과 분석
3.3 Case 3 : ○○지구 공동구 쉴드터널 계측결과 분석
4. 결 론

1. 서 론

국내를 비롯하여 터널 선진국이라 할 수 있는 유럽, 일본 등에서는 기존의 재래식 터널 공법인 NATM 외에 기계화 시공(mechanized tunnelling method) 방식인 TBM 공법 적용이 계속적으로 증가 또는 보편화되고 있다. 이러한 이유는 기존의 NATM 공법 대비 TBM 공법은 터널시공이 어려운 연약지반 조건에서도 시공이 가능하며, 발파공해가 없어 친환경적이고, 천층터널 조건에서 인접구조물의 침하영향을 최소화하여 민원발생 소지가 적다. 추가적으로 공사기간이 단축된다는 점에서 적용사례 증가사유를 찾을 수 있다. 특히 최근 국가철도 공단에서는 쉴드 TBM의 활성화를 위한 기술적 ‧ 제도적 개선사항을 수립하기 위한 여러 가지 노력이 지속되고 있다.

국내의 경우 쉴드 TBM 공사가 마무리 된 이후 “시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법”에 따른 구조물 유지관리에만 초점을 맞추고 있어 쉴드 TBM 터널의 안정성 변화여부 파악이 불가한 상황이다. 그러나 일본의 경우 시공완료 이후 다양한 쉴드 TBM 계측관리를 통해 안정성 변화유무를 파악하는 연구자료가 다수 보고되고 있다(Lee et al., 2012; 2017). 이를 통하여 설계단계에서 예측한 세그먼트 라이닝의 작용하중 상태가 운용 중 어떠한 형태 및 크기로 작용하는 지를 파악할 수 있다.

직경 7.5 m 이상의 지하철 쉴드 TBM 터널의 경우 전체 공사비 중 약 25~40%로 가장 큰 비중을 차지하는 세그먼트 공사비의 절감을 위하여 합리적인 세그먼트 설계기법 및 신재료의 적용을 위해서는 쉴드 TBM 터널의 운영 중 안정성 변화추이 파악이 많은 도움이 된다(Lee et al., 2017).

따라서 본 논문에서는 쉴드 TBM 시공경험 및 관련연구가 풍부한 일본 쉴드 TBM 터널의 계측결과 분석을 통해 터널 시공 및 운용 중 외부하중 조건 등의 변화추이를 고찰하고 설계 시 예상치와 계측값의 차이를 분석함으로서 경제성 확보를 위한 설계 개선사항을 연구하고자 하였다.

2. 운용 중 세그먼트에 작용하는 토압산정 방법

세그먼트 라이닝은 지반하중과 수압을 지지하는 지하구조물로써의 기능과 함께 시공 중 쉴드기의 추진을 위한 반력대 기능도 함께 수행하여야 하며 공장에서 제작되어 적치, 운반 후 쉴드장비 내에서 설치되므로 세그먼트는 다양한 하중조건에 노출되게 된다. 따라서 시공 및 운용 중 세그먼트에 작용하는 다양한 하중조건을 고려한 안정성 검토가 필요하다(Kim et al., 2017).

본 논문은 운용 중에 시행한 계측자료 분석을 통한 세그먼트 라이닝 응력 및 변위 상태가 설계단계와 상이한 특성을 보이는지 여부를 파악하기 위한 것에 초점을 맞추고 있음에 따라 설계 시 지반조건에 따른 이완하중에 대한 산정방법을 고찰하였다.

토사지반을 대상으로 한 지반 이완토압의 기본식은 Terzaghi의 이완 토압 산정식인 Fig. 1을 따른다. 토피고가 얕거나 지반조건이 매우 불량한 경우는 터널 토피고 전체를 적용하여 연직토압을 산정하지만 보통의 조건에서는 굴착에 따른 지반이완을 고려한 연직토압을 산정한다. 이완하중 산정방법으로는 여러 가지 방법이 있으나 지반의 전단강도와 토피고를 고려할 수 있으며 보수적인 값을 보이는 Terzaghi 이완하중 산정방법이 주로 사용된다.

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Fig. 1.

Modified Terzaghi’s method of calculation for relaxation load

수평토압은 세그먼트가 설치되는 지반조건(점성토 및 사질토)에 따라 산정방향을 달리한다. 점성토 지반의 경우 토압과 수압이 일체로 작용하는 반면(토수일체), 사질토 지반에서는 토압과 수압이 분리해서 작용(토수분리)한다는 가정 하에 토압을 산정하게 된다(Table 1 참조).

Table 1.

Calculation of vertical and horizontal loads

Clay		Sand

Consider water and earth pressure together		Consider water and earth pressure separately

지하수위 하부에 터널이 시공되는 경우 토압과 수압을 모두 고려하여야 한다. 사질토에서는 토압과 수압을 분리하는 토수분리 방법을 적용하여야 하며, 이 경우의 이완토압은 다음과 같이 산정한다.

(1)

P_{v 1} = \frac{B_{1} \times (γ - c / B_{1})}{I_{0} \tan ϕ} \times (1 - e^{- K_{0} \tan ϕ \times (H - H w) / B_{1}}) + P_{0} \times e^{- K_{0} \tan ϕ \times (H - H w) / B_{1}}

(2)

\begin{aligned} P_{v 1} = & \frac{B_{1} \times (γ^{'} - c / B_{1})}{K_{0} \tan ϕ} \times (1 - e^{- K_{0} \tan ϕ \times H w / B_{1}}) + P_{v 1} \times e^{- K_{0} \tan ϕ \times H w / B_{1}} \\ = & \frac{B_{1} \times (γ^{'} - c / B_{1})}{K_{0} \tan ϕ} \times (1 - e^{- K_{0} \tan ϕ \times H w / B_{1}}) \\ + \frac{B_{1} \times (γ - c / B_{1})}{K_{0} \tan ϕ} \times (1 - e^{- K_{0} \tan ϕ \times (H - H w) / B_{1}}) \times e^{- K_{0} \tan ϕ \times H w / B_{1}} + P_{0} \times e^{- K_{0} \tan ϕ \times H / B_{1}} \end{aligned}

(3)

B_{1} = \frac{D c}{2} \times \cot (\frac{45^{\circ} + ϕ / 2}{2})

여기서, $P_{v 1}$ : 지하수위면에서의 이완 토압(kPa)

$P_{v c}$ : 링 정상부에 작용하는 이완 토압(kPa)

$K_{0}$ : 수평 토압과 연직 토압의 비

𝜙 : 흙의 내부마찰각(°)

$c$ : 흙의 점착력(kPa)

𝛾 : 흙의 단위체적중량(kN/m³)

𝛾′ : 흙의 수중 단위체적중량(kN/m³)

2 $B_{1}$ : 링 정상부의 이완폭(m)

$P_{0}$ : 상재하중(kPa)

$H$ : 토피 두께(m)

$H w$ : 지하수위면까지의 토피 두께(m)

$D c$ : 세그먼트 도심선의 직경(m)

점성토 지반의 경우 점착력 C≠0, 𝜙 = 0이라는 특성을 고려하여 다음의 식으로 산정한다.

(4)

P_{v c} = (γ - c / B_{1}) \times H + P_{0}

다층지반의 경우에는 상부의 층부터 차례로 층 경계에서의 $P_{v n}$ (n번째의 층 경계)을 계산하고, 이후 이 층의 경계를 지표면으로 하여 $P_{v n}$ 을 상재하중으로서, 그 아래층 경계에 대한 $P_{v n + 1}$ 을 계산하고, 끝으로 터널 정상부에서의 $P_{v c}$ 를 구하며, 다음의 식을 따른다.

(5)

P_{v 1} = \frac{B_{1} \times (γ_{1} - c_{1} / B_{1})}{K_{0} \tan ϕ_{1}} \times (1 - e^{- K_{0} \tan ϕ_{1} \times H_{1} / B_{1}}) + P_{0} \times e^{- K_{0} \tan ϕ_{1} \times H_{1} / B_{1}}

(6)

\begin{aligned} P_{v c} = & \frac{B_{1} \times (γ_{2} - c_{2} / B_{1})}{K_{0} \tan ϕ_{2}} \times (1 - e^{- K_{0} \tan ϕ_{2} \times H_{2} / B_{1}}) + P_{v 1} \times e^{- K_{0} \tan ϕ_{2} \times H_{2} / B_{1}} \\ = & \frac{B_{1} \times (γ_{2} - c_{2} / B_{1})}{K_{0} \tan ϕ_{2}} \times (1 - e^{- K_{0} \tan ϕ_{2} \times H_{2} / B_{1}}) + \frac{B_{1} \times (γ_{1} - c_{1} / B_{1})}{K_{0} \tan ϕ_{1}} \times (1 - e^{- K_{0} \tan ϕ_{1} \times H_{1} / B_{1}}) \times e^{- K_{0} \tan ϕ_{2} \times H_{2} / B_{1}} \\ + P_{0} \times e^{- K_{0} (\tan ϕ_{1} \times H_{1} + \tan ϕ_{2} \times H_{2}) / B_{l}} \end{aligned}

(7)

B_{1} = \frac{D c}{2} \times \cot (\frac{45 ° + ϕ_{2} / 2}{2})

여기서, $P_{v 1}$ : 층 경계에서의 이완 토압(kPa)

$P_{v c}$ : 링 정상부의 이완 토압(kPa)

$K_{0}$ : 수평 토압과 연직 토압의 비

$H_{1}$ , $H_{2}$ : 제 1, 2층의 토피 두께(m)

$ϕ_{1}$ , $ϕ_{2}$ : 제 1, 2층의 흙의 내부마찰각(°)

$c_{1}$ , $c_{2}$ : 제 1, 2층의 흙의 점착력(kPa)

$γ_{1}$ , $γ_{2}$ : 제 1, 2층의 흙의 단위체적중량(kN/m³)

2 $B_{1}$ : 링 정상부의 이완폭(m)

$P_{1}$ : 상재하중(kPa)

$D c$ : 세그먼트 도심선의 직경(m)

3. 현장계측을 통한 세그먼트 작용 하중상태 변화고찰

3.1 Case 1 : ○○선 쉴드터널 계측결과 분석

본 현장은 지하철 ○○선 쉴드터널 현장으로써 이토압식 쉴드공법을 이용하여 총연장 907 m의 지하철 터널을 시공하였다(Ariizumi et al., 1998). 세그먼트는 외경은 9.4 m에 두께는 440 mm인 RC세그먼트가 사용되었으며 터널 통과구간의 지반조건은 N치 0~4타의 연약한 충적 점성토층이다. 터널 종단 및 형상은 각각 Fig. 2 및 Table 2와 같다.

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Fig. 2.

Tunnel and geological profile

Table 2.

Overview of ○○ line tunnel layout

Tunnel length		907 m
Shield external diameter		𝜙 9,600 mm
Average depth		13.7~15.4 m
Segment	Type	RC segment
	External diameter	𝜙 9,400 mm
	Thickness	440 mm
	Width	1,500 mm

세그먼트에 작용하는 토압 및 휨모멘트, 축력 등을 계측하여 시공 중 및 운용 중 세그먼트 거동을 파악하기 위하여 터널 내 2개소에서 변위 및 세그먼트 응력 계측을 측정하였다. 주요 계측기기 배치상황은 Fig. 3과 같으며 계측기간은 장기적인 세그먼트 거동파악을 위하여 세그먼트 조립직후부터 8개월간 계측을 시행하였다.

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Fig. 3.

Overview diagram of measurement cross section

시공 중 세그먼트에 작용하는 하중은 굴진 및 세그먼트 조립을 할 때마다 큰 압력 변화를 보인다. 세그먼트 조립 직후에는 터널 벽면과 tail seal의 접촉으로 인해 약 170~280 kN/m²이나 뒤채움재 주입압(3.58 kN/m²)으로 인해 최대 320 kN/m²까지 상승했다가 4링을 굴진한 약 1일 경과 후 뒤채움재가 경화됨에 따라 약 200~290 kN/m²으로 안정화된 경향을 보인다(Fig. 4). 세그먼트의 초기 하중이후, 시간 경과에 따라 서서히 감소하는 경향을 보이며 3개월 경과 후에는 감소량이 거의 없어지면서 6개월가량 경과하면서 일정한 값에 수렴하였다. 세그먼트 계측값이 안정됐다고 판단한 8개월 후의 설계 시 예상하중과 비교해보면, 설계하중에 연직하중은 52%~75%, 수평하중은 48~79% 보이는데(Fig. 5 참조) 이는 뒤채움재 경화에 따른 뒤채움압의 소산과 굴착에 따른 토압이 주변 지반 및 세그먼트 구조물에 재분배되면서 결과적으로 세그먼트에 작용하는 하중이 보다 작은 값으로 보이는 것으로 추정된다.

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Fig. 4.

Variation of working load on segment

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Fig. 5.

Comparison of design versus actual earth pressure distribution

3.2 Case 2 : 도쿄 ○○선 쉴드터널 계측결과 분석

당 현장은 도쿄대학에서 발진하여 코라쿠엔역에 도달하는 총연장 1,064 m의 ○○선 ○○공구로써 이수식 쉴드공법을 이용하여 복선쉴드터널을 건설하였다(Yahagi et al., 2004). 쉴드외경은 10.0 m이며 세그먼트 외경은 9.8 m이고 RC 세그먼트 2종류 및 ductile 세그먼트 3종류가 사용되었다. 세그먼트 라이닝 설치 후 두께 150~200 mm의 2차 라이닝콘크리트 및 인버트 콘크리트를 타설하였다. 상세한 계측현장 개요 및 터널단면은 Table 3과 같다.

터널 관통부의 지반조건은 Fig. 6과 같이 도쿄층의 사질토 및 점성토, 역암층 및 제4기 홍적세층이 존재하며 대부분의 구간에서 N치 40 이상의 양호한 도쿄 사질토층을 통과하고 있다.

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Fig. 6.