1. 서 론

터널의 종방향 하중전이는 굴진면의 전방과 후방으로 발생되며, 굴진면 후방으로 발생되는 하중전이는 터널에 추가적인 하중으로 작용하여 터널 안정성에 영향을 주게 된다. 그리고 터널 굴진면의 거동은 굴진면의 안정에 국한되지 않고 터널 종방향 하중전이에 따른 추가지보 등의 결정에 응용되고 있다. 터널 굴진면의 거동은 굴진면의 안정에만 국한되지 않고 터널 종방향 하중전이와 이에 대비한 추가 지보에 대해 관심이 커지고 있으나 터널 굴착에 의한 터널 종방향 아칭에 대한 연구는 대체로 굴진면 안정(Chambon and Corte, 1994; Idinger et al., 2011)에 초점을 맞춰 연구가 진행되어 왔다. Kim (2016)은 터널 굴진면의 변위형태에 대해 Lunardi (2000)의 현장계측 결과와 Ohde (1938)의 연구를 참고하여, 굴진면의 다양한 변위형태를 등변위, 상부 큰 변위 그리고 하부 큰 변위로 이상화하여 굴진면 변위에 따른 토압변화와 터널 천단상부 지반의 종방향 하중전이 특성에 대해 실험적으로 연구하였다. 연구결과 굴진면 변위형태는 굴진면에 작용하는 토압의 크기와 굴진면 전방지반의 파괴형상에 영향을 주고, 이는 터널 종방향으로 전이되는 하중의 분포와 크기에 영향을 준다는 것을 규명하였다. 한편, 터널상부 원지반의 지표가 수평인 경우, 지장물이 많거나 도시계획 등에 의해 평탄하지 않은 지형, 산지 등의 경우에는 터널 굴착지반의 응력분포가 균등하지 않으므로 종방향 하중전이 특성에 미치는 영향이 클 것으로 예상되나 이에 대한 연구는 거의 없는 실정이다.

따라서 본 연구에서는 지반의 경사를 0°, 10°, 20°, 30°로 모사하여, 종방향 응력조건의 변화 및 굴진면의 변위형태(상부 큰 변위, 등변위, 하부 큰 변위)에 따른 굴진면의 토압변화와 터널 천단상부의 종방향 하중전이 특성에 대해 실험적으로 연구하였다.

2. 모형실험

2.1 모형실험기

모형실험기는 모형토조와 모형터널로 구성되어 있다(Fig. 1). 모형토조의 크기는 D=300 mm (Width)×1500 mm (Height)×850 mm (Length)로 벽체는 굴진면과 염색사를 포설한 지반의 거동을 외부에서 관찰할 수 있도록 투명아크릴판으로 제작하였다.

Fig. 1.

Test equipment

모형지반 조성시 발생하는 토압으로 인해 벽체가 변형되는것을 방지하기 위하여 벽체외부에 강재프레임을 설치하였다. 모형터널은 0.30 m (Width) × 0.30 m (Height) × 0.30 m (Length) 규모의 정육면체 형상이고, 터널의 종방향 단면을 모사하였다. 모형터널의 상부와 하부는 각각 6개의 분리된 하중판을 설치하여 각 위치별로 초기토압과 굴진면 변위시 변화하는 하중을 측정하고 전면판(Front panel)은 강성이 있는 하중판을 설치하여 굴진면의 토압 변화를 측정할 수 있도록 하였다. 모형터널의 전면판은 굴진면의 변위형태에 따라 거동할 수 있도록 제작하였으며, 등변위 형태(Fig. 2(b))는 수평롤러를 장치하여 수평변위만 유발되도록 하였고 상부 큰 변위(Fig. 2(a)) 및 하부 큰 변위 형태(Fig. 2(c))는 회전 베어링을 장치하여 굴진면이 상부 또는 하부로만 변형되도록 하였다.

Fig. 2.

Displacement of tunnel face

2.2 모형지반

모형지반은 주문진 자연사를 사용하여 샌드커튼(Sand Curtain) 방식으로 균질한 지반을 조성하였다. 모형지반의 물리적 특성은 입도분포시험(KS F 2302), 최대․최소건조단위중량시험(KS F 2345)을 수행하여 파악하였고 모형지반을 공학적으로 분류(KS F 2324)하였다. 또한, 직접전단시험(KS F 2343)을 수행하여 모형지반의 역학적 특성을 파악하였다. Fig. 3(a), (b)는 입도분포시험과 직접전단시험결과이며, 모형지반의 물리적, 역학적 특성은 Table 1과 같다. 사질토를 이용한 모형지반은 낮은 응력수준에서도 변위‐응력관계의 분석이 가능하고, 상대밀도가 조밀한 사질토지반은 전단파괴시 응력변화 특성이 명확하여 시험 결과의 분석이 용이하므로 본 연구의 모형지반으로 이용하였다.

Fig. 3.

Basic property

Table 1. Soil properties

2.3 계 측

터널 굴진면의 변위형태에 따른 터널 주변지반의 거동을 분석하기 위해 굴진면 토압변화, 굴진면 변위, 모형터널 상․하부의 하중변화 및 지표침하량을 계측하였다. 모형터널의 상․하부를 각각 2개의 Load Cell이 설치된 하중판 6개로 제작하여 위치별로 전이되는 하중의 크기를 측정하였고, 전면판에 1개의 Load Cell을 설치하여 전면판에 작용하는 토압의 변화를 측정하였다. 전면판의 변위와 지표침하는 변위측정용 LVDT를 설치하여 측정하였다. 실험중 하중과 변위데이터는 실시간 모니터링과 동시에 저장이 가능한 정적 데이터로거를 이용해 수집하였다. 측정장치 및 데이터수집장치는 Table 2와 같다.

Table 2. Instrument type and capacity

2.4 실험방법 및 변수

본 연구에서는 얕은 토사터널에서 종방향 지반의 응력조건 변화 및 굴진면의 변위형태(상부 큰 변위, 등변위, 하부 큰 변위)에 따른 굴진면 토압변화와 터널 천단상부의 종방향 하중전이 특성을 규명하기 위해 모형실험을 수행하였다. 실험에 앞서 모형터널을 모형토조에 거치한 후 지반을 조성하였다. 모형지반의 토피고는 굴진면 직상부를 기준으로 1.0D (D:터널직경)로 고정하고 전후 지반의 지표경사가 0°, 10°, 20°, 30°가 되도록 지반을 조성하였다. 모형지반은 샌드커튼 방식으로 낙하고 0.7 m를 유지하며 균질한 지반이 형성되도록 조성하였다. 조성된 모형지반의 초기응력을 측정한 후 모형터널 전면판에 일정크기의 변위를 유발시키며 실험하고, 이때 변화하는 굴진면 토압과 터널 상부의 하중변화 및 지표변위를 측정하였다. 또한, 터널 굴진면 전방 지반의 변형을 관찰하기 위해 일정한 변위간격으로 사진을 촬영하였다. 모형실험은 지표면 경사각(A)과 굴진면 변위형태(상부 큰 변위, 등변위, 하부 큰변위)를 변수로 하고 굴진면 변위에 의한 굴진면 토압변화와 터널 천단상부의 하중전이 특성에 대해 실험하였다(Table 3).

Table 3. Variables of tunnel model test and outline

3. 실험결과

터널 종방향 지반의 응력조건 변화와 굴진면의 변위형태에 따른 터널 주변지반의 종방향 하중전이 특성을 파악하기 위한 모형실험을 수행하고 계측한 결과를 분석하였다.

3.1 굴진면의 거동특성 분석

3.1.1 굴진면 변위와 토압변화

굴진면의 변위 형태별로 굴진면 변위량과 굴진면의 토압 변화에 대해 분석하였다(Fig. 4). 각 실험조건에서 굴진면에 변위가 발생하면 굴진면 전방지반의 응력해방으로 굴진면의 토압은 감소하고, 지표경사가 커질수록 토압의 감소폭이 증가하는 경향을 나타냈다. 또한 굴진면의 변위 초기에 굴진면의 토압은 선형적이고 급격한 기울기를 그리며 감소하였다(Fig. 4(a)~(c)). 굴진면의 변위형태와 지표경사의 크기에 따라서 굴진면 토압 감소는 상이하게 발생하였는데 상부 큰 변위형태가 가장 작은 토압변화를 나타내고 등변위, 하부 큰 변위형태의 순서로 토압감소량이 커지는 것을 알 수 있다(Fig. 4(d)). 이는 굴진면의 변위형태로 형성되는 경계조건인 상부 힌지, 하부 힌지조건에 의해 굴진면 전방 지반의 거동이 영향을 받았기 때문으로 판단된다. 즉, 상부 큰 변위형태는 하부 힌지조건으로 굴진면 전방지반의 응력해방이 주로 굴진면의 상단부에서 국부적으로 이뤄지며, 하부 큰 변위형태는 상부 힌지조건으로 인해 굴진면 하단부에서 응력해방이 발생되므로 넓은 영역의 지반 이완이 발생되기 때문으로 분석되었다.

Fig. 4.

Load variation at face depending on displacement

또한 굴진면에서 동일한 변위가 발생하더라도 변위형태에 따라 굴진면의 변형면적이 달라지게 되는데 변형면적이 가장 큰 등변위 형태에서 굴진면 토압 변화가 크게 발생되는 것으로 보아 굴진면의 변형면적 또한 토압 변화에 영향을 주는 것을 알 수 있다(Table 4).

Table 4. Relation between tunnel face deformation type and deformation area

굴진면에 변위가 발생하면 굴진면의 토압은 선형적이고 급격한 기울기로 감소하다가 완만하게 변화하게 되는데, 변위초기에는 굴진면 전방지반이 탄성적인 거동을 하고 변위가 증가할수록 소성상태로 진전되어가는 형태를 나타내기 때문으로 분석하였다. 여기서, 굴진면 전방지반의 토압변화가 탄성적인 형태를 나타내는 선형부분을 지나 완만하게 변화하기 시작될 때를 굴진면 전방지반이 한계상태에 이른 것으로 판단하고, 이때의 변위를 한계변위라고 규정하였다. 굴진면의 한계변위는 Fig. 4와 같이 변위형태별로 다른 위치에서 발생되었고 변위형태가 동일한 실험조건에서는 토피고가 변화하더라도 유사한 변위에서 발생되었다. 굴진면의 한계변위()는 굴진면의 변위형태에 다른 변위에서 발생되므로 굴진면 높이(D)와 굴진면의 수평변위(Δs)의 비로 무차원화하여 표현하고 비교 분석하였다. 무차원화 했을때의 한계변위는 상부 큰 변위형태에서 0.09%, 등변위형태에서는 0.07%이고 하부 큰 변위형태는 0.11%에서 한계변위가 발생하였다. 굴진면의 한계상태에서 굴진면 토압은 상부 큰 변위에서 31.1~45.5%, 등변위에서는 25.3~40.1%, 하부 큰 변위에서는 21.7~29.0%까지 감소되었다(Table 5).

Table 5. Earth pressure and displacement at tunnel face failure

Fig. 5는 굴진면이 정지상태에서 한계상태에 이르기까지 굴진면의 토압 감소와 변위의 관계를 나타낸 것이다. 모든 변위형태에서 굴진면에 변위가 발생하면 토압은 한계변위()에 이르기 전, 변위 초기인 0.25 에 급격한 기울기로 감소하며 0.5 이후에는 완만하게 감소하였다. 세로축인 토압감소량을 기준으로 보면 굴진면 한계변위의 50%인 0.5 에서 토압감소량의 약 80%가 발생하고 있어 굴진면 변위초기에 한계상태 토압의 대부분이 감소된 것을 알 수 있다.

Fig. 5.

Relation between earth pressure and displacement at the failure

3.1.2 굴진면 전방지반의 변형형태

굴진면의 한계상태는 매우 작은 변위에서 발생되어 지반의 변형을 확인하기 어려우므로 한계상태 이후의 지반 변형을 관찰하여 그 형상을 추정하였다.

한계상태 이후의 지반변형은 모형지반 조성시 일정한 간격으로 포설한 염색사의 변화를 사진촬영하여 확인하였고 육안관찰이 가능한 동일한 변위에서 비교하였다. 동일한 굴진면 변위가 발생하더라도 굴진면 변위형태에 따라 굴진면의 변형면적은 달라지는데, 동일한 변위에서 등변위형태의 변형면적이 가장 크고 상부 큰 변위와 하부 큰 변위는 동일한 변형면적을 갖는다. 그러나 상부 큰 변위(Fig. 6), 하부 큰 변위(Fig. 8)와 같이 변형면적이 동일하더라도 굴진면 전방의 지반변형 형상은 다르게 발생하게 되는데, 이는 Table 4의 설명과 같이 굴진면의 경계조건에 의한 굴진면 응력해방의 범위에 따른 영향인 것으로 분석되었다. 체적변화가 가장 큰 등변위에서 침하 형태가 가장 크고, 상부큰변위 하부큰변위 순으로 나타났다. 굴진면 전방지반의 파괴형상은 다음 그림과 같이 상부 큰 변위는 터널 하부에서부터 직선형의 영역이 형성되고 하부 큰 변위는 하부가 볼록한 곡선형의 영역이 형성되었다. 특히 굴진면 변형면적이 클수록 전방지반의 파괴면적이 커지고, 지표경사가 증가할수록 파괴폭이 넓어지는 것을 알 수 있다(Fig. 6~8).

Fig. 6.

Loosened zone (maximum displacement on the top)

Fig. 7.

Loosened zone (constant displacement)

Fig. 8.

Loosened zone (maximum displacement on the bottom)

3.2 터널 천단상부의 하중전이 특성

굴진면에 변위가 발생되면 굴진면에 작용하는 토압이 감소하게 된다. 이때 굴진면의 토압변화와 함께 모형터널의 천단상부에서도 작용하중에 변화가 발생하는 것을 실험 중 계측을 통해 알 수 있었다. 터널 천단상부에 발생하는 하중의 변화는 굴진면의 응력해방에 의한 토압의 일부가 터널 천단상부로 전이되기 때문인 것으로 판단되며, 이 하중의 변화를 하중전이량이라고 규정하였다. 여기서는 굴진면 변위형태와 지표경사에 따른 터널 천단상부의 하중전이량에 대한 계측결과를 통해 터널 종방향 하중전이 특성을 분석하였다. 앞의 분석에서 굴진면의 토압은 굴진면 변위 초기에 가장 크게 변화하므로 굴진면 변위형태(상부 큰 변위, 등변위, 하부 큰 변위)와 지표경사(0~30°)에 대해 굴진면 한계변위의 초기값인 0.25 , 0.50 와 한계변위인 1.00 일 때의 하중전이량을 분석하였다. 터널 천단상부의 하중 측정위치는 굴진면에 근접한 측점 TA에서 1.0D이격된 TF까지이고 측점의 위치는 Table 3을 참조한다.

3.2.1 굴진면 변위초기의 하중전이(0.25 )

굴진면 한계변위의 25%일 때 터널 상부의 하중 전이특성을 분석하였다. 모든 변위형태에서 굴진면 근접부의 토압이 커지고 굴진면에서 이격 될수록 영향이 작아지는 하중전이 경향을 나타냈다.

최대 하중 증가는 등변위 12.0%, 하부 큰 변위 11.0%, 상부 큰 변위 9.1%가 발생하여 등변위일 때 가장 크고, 지표 경사에 따라서는 지표경사가 0°일 때 3.4~8.8%, 30°일 때 9.1~12.0%로 지표경사가 커질수록 전이되는 하중의 크기가 큰 것으로 분석되었다(Fig. 9). 터널 천단상부의 하중전이 경향은 지표경사가 0°일 때 하중전이 범위(측점 TA~TE)가 넓고 하중증가량은 작아지는 반면, 지표경사가 커질수록 하중전이 범위(측점 TA~TC)가 좁아지고 굴진면 인접위치에서 하중이 집중되는 경향을 보였다. 특히, 30°의 지표경사에서는 굴진면과 이격 될수록 하중의 변화가 없어 하중전이의 영향이 미치지 않는 것으로 나타났다. 이는 굴진면에서 이격되는 위치에서는 지표경사의 영향으로 토피가 점차 얕아져 터널 종방향으로의 하중전이가 원활히 전달되지 않기 때문으로 판단된다.

Fig. 9.

Load transfer on the crown (0.25 ε_a)

3.2.2 굴진면 변위초기의 하중전이(0.50 )

굴진면의 변위가 한계변위의 50%일 때 터널 천단상부로 전이되는 하중의 발생경향에 대해 분석하였다. 굴진면 변위형태에 따른 최대 하중전이량은 등변위 15.5%, 하부 큰 변위 17.0%, 상부 큰 변위 14.0%의 크기로 굴진면 한계변위의 25% (0.25 )일 때 보다 증가하였고, 하중분포 경향은 유사하였다. 지표경사에 따른 최대 하중전이량은 등변위 9.6~15.5%, 하부 큰 변위 11.9~17.0%, 상부 큰 변위 6.5~14.0%가 발생하여, 지표경사의 증가에 따라 하중전이량이 커지고, 분포형태는 굴진면 한계변위의 25%일 때와 유사하였다(Fig. 10).

Fig. 10.

Load transfer on the crown (0.50 ε_a)

굴진면의 변위형태가 상부 큰 변위(Fig. 10(a)), 등변위(Fig. 10(b))에서 지표경사가 0°, 10°일 때 굴진면에 근접한 측점 TA보다 TB에서 전이되는 하중이 커지는 경향을 나타냈다. 이는 하중전이 영역이 굴진면 후방으로 넓어지는 반면에 TA에서의 감소는 굴진면 전방지반의 이완이 점진적으로 확대되기 때문으로 판단된다. 지표경사 20° 이상에서는 굴진면 근접 측점(TA~TC)에서 전이되는 하중이 집중되어 증가하고 측점 TE 이후는 하중의 변화가 발생하지 않았다. 하부 큰 변위형태는 다른 변위형태와는 달리 터널상부 측점 TA~TC로 전이되는 하중이 감소하지 않고 지속적인 증가형태를 나타내었다(Fig. 10(c)). 이는 굴진면의 하부에서 변위가 발생하는 변위형태로 인한 지반경계조건의 영향으로 굴진면 전방지반의 이완이 터널 천단상부에 큰 영향을 주지 않은 것으로 판단된다.

3.2.3 굴진면 한계상태의 하중전이(1.00 )

굴진면이 한계변위일 때 변위형태에 따른 터널 천단상부의 최대 하중전이량은 등변위 16.0%, 하부 큰 변위 18.4%, 상부 큰 변위 15.4%가 증가하였다. 굴진면 한계변위 이내의 하중전이량 보다 크게 발생하고, 하중분포 형태는 유사하였다. 굴진면이 한계변위일 때 모든 굴진면 변위형태에서 지표경사가 커질수록 굴진면 후방에서도 터널 천단상부(측점 TD~TF)에 하중이 증가하였다. 지표경사에 따른 최대 하중전이량은 등변위 9.8~16.0%, 하부 큰 변위 11.6~18.4%, 상부 큰 변위 7.7~15.4%가 발생하여, 지표경사가 커질수록 하중전이량이 증가하고, 국부적인 영역에서 집중되었다(Fig. 11).

Fig. 11.

Load transfer on the crown (1.00 ε_a)

지표경사 10° 이하에서 상부 큰 변위(Fig. 11(a))와 등변위(Fig. 11(b))형태는 측점 TA의 하중전이량은 감소하고 TB와 TC에서 증가하는 경향이 뚜렷하게 발생되어, 굴진면 변위가 증가할수록 종방향 하중전이는 굴진면 후방으로 확대되고 있음을 알 수 있다. 지표경사 20° 이상에서는 측점 TC와 TD의 범위(0.5D)에서 하중전이량이 급격하게 감소하는 경향을 나타내어, 지표경사에 의한 토피고 감소가 하중전이에 영향을 주는 것으로 판단된다. 하부 큰 변위(Fig. 11(c))에서는 굴진면에 인접한 측점 TA에서 크고 TF에서 작아지는 선형적인 하중전이 분포를 나타내었으나, 지표경사가 커질수록 측점 TC와 TD의 범위(0.5D)에서 급격히 감소하는 경향으로 변화되었다.

3.2.4 굴진면 토압과 터널 천단상부의 하중전이의 관계

앞서 분석한 바와 같이 굴진면에 변위가 발생하면 굴진면에 작용하는 토압은 감소하고 터널 천단상부에서는 하중이 증가하는 경향을 나타냈다. 이를 통해 굴진면 변위에 의한 토압변화는 터널 종방향 하중전이와 관련이 있음을 알 수 있다. 따라서 굴진면의 토압변화와 터널 종방향의 하중전이의 관계를 도식화 하여 굴진면 변위형태에 따른 굴진면 토압-종방향 하중전이의 발생 경향을 분석하였다(Fig. 12). 여기서는 굴진면 토압변화와 종방향 하중전이의 차가 가장 크게 발생하는 지표경사 0°와 30°일 때, 굴진면 토압변화량과 터널 천단상부로 전이되는 하중의 합을 비교하였다.

상부 큰 변위에서 굴진면 한계변위의 25%일 때 굴진면의 토압은 한계상태의 67.1~69.3% (지표경사 0°~30°), 터널 천단상부에 전이되는 하중은 한계상태의 49.8~55.3% (지표경사 0°~30°)가 발생하였다. 굴진면 한계변위 100% 를 기준으로 50%일 때는 굴진면의 토압은 한계상태의 86.9~87.3% (지표경사 0°~30°), 터널 천단상부에 전이되는 하중은 한계상태의 83.9~86.9% (지표경사 0°~30°)가 발생하여, 동일한 변위에서 굴진면의 토압변화가 터널 천단상부의 하중전이량 보다 큰 폭으로 변화하는 경향을 나타냈다(Fig. 12(a)). 또한 등변위와 하부 큰 변위형태에서도 동일한 분포형태를 나타내었다(Fig. 12(b), (c)). 굴진면의 토압변화량에 따라 터널 천단 상부의 하중전이량의 크기와 발생경향이 유사한 형태로 변화되는 것을 통해 굴진면 변위에 따른 토압변화가 터널 종방향 하중전이에 직접적인 영향을 주고 있음을 알 수 있다. 또한, 굴진면 토압변화에 비해 터널 종방향으로 전이되는 하중전이량의 기울기가 완만한 것으로 보아 굴진면 전방지반의 이완에 의한 응력재분배 과정이 진행됨으로 인해 종방향 하중전이가 발생되는 것으로 판단된다.

Fig. 12.

Relation between tunnel face displacement and longitudinal load transfer

3.3 지표침하

굴진면에 변위가 발생하면 굴진면이 이완되고 변위가 증가할수록 굴진면의 이완이 확대된다. 굴진면의 지반이완은 터널 주변지반의 거동에 영향을 주고 얕은 터널에서는 그 영향이 지표침하의 형태로 나타난다. 이러한 현상은 굴진면의 변위형태에 따라서도 달라지며, 터널 종방향으로 응력조건이 변화되는 경사지반에서는 지표침하의 크기와 영역이 다양해 질 수 있다. 따라서 굴진면의 변위형태와 지표경사에 따른 지표침하를 계측하고 그 결과를 분석하였다.

3.3.1 굴진면 한계변위 이전의 지표침하(0.50 )

굴진면 한계변위의 50%에서 지표경사가 0°일 때 상부 큰 변위와 등변위형태는 굴진면 전방 +0.25D에서 최대 침하가 발생하고, 하부 큰 변위에서는 굴진면 전방 +0.5D에서 최대 침하가 발생하였다. 침하량의 크기는 등변위, 하부 큰 변위, 상부 큰 변위의 순서로 발생하였다.

지표경사가 커질수록 최대 침하량은 소폭 감소되지만 최대 침하 위치를 기준으로 굴진면 전방 즉, 지표경사 상부측에서 침하량이 증가하며 영역이 넓어지는 경향을 나타냈다(Fig. 13).

Fig. 13.

Ground surface settlement (0.50 ε_a)

3.3.2 굴진면 한계변위에서의 지표침하(1.00 )

굴진면이 한계변위일 때 상부 큰 변위와 등변위형태는 변위가 작을 때와 같이 지표경사 0°에서 굴진면 전방 +0.25D에서 최대 침하가 발생하고 하부 큰 변위는 굴진면 전방 +0.5D에서 최대 침하가 발생하였다. 굴진면 변위가 작을 때 보다 침하영역과 침하량이 증가하였다(Fig. 14). 지표침하의 크기는 굴진면 변위형태에 따라 등변위, 하부 큰 변위, 상부 큰 변위의 순서로 발생하였다. 지표경사에 따라서는 경사가 커지는 경우, 굴진면의 변위가 증가하면 침하량의 증가와 함께 침하영역이 넓은 영역에서 발생되었다. 이는 굴진면의 변위가 증가할수록 굴진면 전방지반의 이완영역이 지표까지 영향을 미치고, 지표경사가 커질수록 지반의 전단강도에 영향을 주기 때문으로 판단된다. 또한 지반의 느슨함은 지표경사가 커질수록 굴진면의 변위방향 즉, 지반의 거동방향과 맞물려 침하영역이 확대된 것으로 분석되었다.

Fig. 14.

Ground surface settlement (1.0 ε_a)

3.3.3 지표경사에 따른 지표침하

지표경사에 따른 지표침하 발생경향에 대해 분석하였다. 굴진면의 변위형태와 관계없이 지표경사가 증가할수록 좌우대칭이 아닌 굴진면에 가까울수록 경사가 급하고 굴진면에서 멀어질수록 넓고 완만한 형태의 침하경향을 보였다. 또한, 동일한 지표경사에서 최대 침하는 한계상태의 굴진면 변형면적이 가장 큰 등변위형태에서 크게 발생하였으나, 하부 큰 변위보다 굴진면 변형면적이 작은 상부 큰 변위는 지표침하가 가장 작게 발생하였다. 상부 큰 변위는 굴진면의 하단을 기준으로 상단이 회전하는 변위형태이고 하부 큰 위는 굴진면 상단을 기준으로 하단이 회전하는 변위형태므로 굴진면 응력해방 위치가 다르고, 상부 큰 변위형태는 터널 상부에서 시작하는 지반의 이완이 지표침하로 발생하기 까지 상대적으로 작은 변형이 수반되어 지표침하가 작게 발생된 것으로 판단된다(Fig. 15).

Fig. 15.

Ground surface settlement in various slopes

4. 결 론

본 연구에서는 터널 굴착시 종방향 응력조건의 변화와 굴진면의 변위형태(상부 큰 변위, 등변위, 하부 큰 변위)에 따른 굴진면의 토압변화와 터널 천단상부의 종방향 하중전이 특성에 대해 규명하기 위한 모형실험을 수행하였다. 이를 위해 지표경사가 0°, 10°, 20°, 30°인 모형지반을 조성하고 굴진면의 변위발생에 따른 굴진면의 토압, 터널 종방향 하중전이 경향 및 지표침하 영향을 연구하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1.굴진면에 변위가 발생하면 굴진면에 작용하는 토압은 감소하며, 지표경사가 커질수록 토압변화량은 증가하였다. 굴진면의 변위가 일정한 크기가 되면 지반이 한계상태에 도달하고 그 이후에는 토압이 수렴하는 경향을 나타냈다. 굴진면의 한계변위는 지표경사와는 무관하게 동일한 변위형태에서는 일정범위 이내에서 발생하였고, 등변위, 상부 큰 변위, 하부 큰 변위의 순서로 굴진면의 변위형태에 따라서 크게 발생하였다.

2.굴진면 변위에 따른 토압변화는 변위 초기에 급격한 기울기의 선형적인 형태로 감소하고 한계상태에 근접할수록 완만하게 감소하였다.

3.굴진면에서 변위가 발생하면 굴진면의 토압이 감소하고 터널의 천단상부의 하중이 증가하는데, 굴진면의 토압변화량에 따라 터널 천단상부의 하중전이의 크기와 발생경향이 변화되는 것을 통해 굴진면의 토압변화가 터널 종방향 하중전이에 직접적인 영향을 주는 것으로 판단된다.

4.종방향 하중전이 발생경향은 지표경사가 작으면 하중전이 영역이 넓어지고 지표경사가 커질수록 종방향으로 전이되는 경향이 감소하고 굴진면 부근에서 집중되었다. 또한 굴진면의 변위형태에 따라서 종방향으로 전이되는 하중의 분포경향도 달라지므로 종방향 지반의 응력조건과 굴진면의 변위형태는 터널 종방향 하중전이의 형태와 크기에 영향을 주는 것으로 분석되었다.

5.터널 굴진면에 변위가 발생되면 굴진면 전방 상부지반에 지반침하가 발생된다. 굴진면의 변위형태에 따라 굴진면의 한계변위에서 등변위가 가장 크고 하부 큰 변위, 상부 큰 변위의 순서로 침하가 발생되었으며, 지표 경사가 증가할수록 지표침하의 크기가 크고 침하영역이 넓게 분포하였다. 이는 지표경사가 커질수록 지반의 전단강도에 영향을 주고 굴진면의 변위방향과 지표경사의 방향이 지반의 거동과 맞물려 침하영역이 확대된 것으로 판단된다.