KDS 설계기준 271020 터널 안정성 해석

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1. 일반사항

1.1 목적

• 본 기준은 터널 안정성 해석에 대한 기준을 제시합니다.

1.2 적용범위

• 본 기준은 설계 적용된 지보패턴의 적정성 평가, 시공 중 역해석에 의한 터널 안정성 평가, 그리고 터널 주변구조물의 안정성 평가 등에 적용됩니다.

1.3 참고 기준

1.3.1 관련 법규

• 본 기준의 관련 법규는 KDS 27 10 05(1.3.1)을 따릅니다.

1.3.2 관련 기준

• 본 기준의 관련 기준은 KDS 27 10 05(1.3.2)를 따릅니다.

1.4 용어의 정의

• 본 기준의 용어정의는 KDS 27 10 05(1.4)를 따릅니다.

1.5 기호의 정의

• 해당 사항 없음

1.6 해석과 설계원칙

• 해석 시에는 지형 및 지반조건, 지하수 조건, 터널의 형상 및 위치, 시공방법 및 터널주변 지반의 지보특성을 고려해야 하며, 해석기법은 2차원 해석이나 3차원 해석을 채택할 수 있습니다. 2차원 해석을 실시할 경우에는 3차원적 실제 지반거동을 고려해야 합니다.
• 해석 수행 시 고려 사항
  • 해석영역은 터널의 규모, 지반조건 및 주변 기존 시설물 등을 고려하여 설정해야 하며, 터널 굴착해석 결과의 오차가 크지 않도록 충분한 영역을 설정해야 합니다.
  • 해석모델은 단계별 굴착의 영향이 포함되도록 하되 경계요소, 무한요소와 같은 특수한 경계 조건을 부여하는 경우를 제외하고는 설계자의 판단에 따라 터널 좌
    ·우는 터널 굴착폭의 3배 이상, 하부는 터널 높이의 2배 이상, 상부는 지표면까지를 해석영역으로 해야 합니다. 단, 상부토피가 매우 큰 경우에는 상부 지반조건의 영향이 포함될 수 있는 별도의 모델을 적용할 수 있으며, 지하수 흐름을 고려한 침투해석(Seepage analysis)이 필요한 경우에는 해석영역을 확장할 수 있습니다.
  • 해석에 사용하는 지반특성치는 해당 지반의 시험 결과를 토대로 추정된 값을 사용해야 합니다. 단, 공사의 규모 또는 현장 여건상 시험 결과를 얻을 수 없는 경우에는 터널공학 기술자의 판단에 의하여 유사 지반의 지반특성치를 적용할 수 있습니다.
  • 해석에 사용되는 모든 프로그램은 그 적합성이 확인되고 지반의 거동을 모사(Simulation)할 수 있는 기능을 보유해야 하며, 터널의 단계별 굴착을 재현하고 지반의 변위와 응력, 지보재의 변위와 부재력을 계산할 수 있어야 합니다.
• 해석순서
  • 사전조사: 지반 및 지하수위 조사, 터널설계단면, 시공단계, 굴착공법, 표준지보패턴 등의 자료수집
  • 모형화: 지반과 지보재의 특성, 해석영역, 해석순서, 경계조건, 구성모델 등의 결정
  • 수학적 계산 수행
  • 결과 출력: 지반의 변위와 응력, 지보재의 변위와 부재력에 대한 수치 또는 분포도, 소성영역 등의 출력
  • 종합평가: 터널의 내공변위 및 지보재의 부재력에 근거한 터널안정성 평가 및 주변 구조물의 거동 평가
  • 해석순서는 해석조건에 따라 조정 가능
  • 터널의 일반적인 해석 흐름도: 그림 1.6-1 터널 해석 순서
• 사전조사에서는 지반조사 자료, 터널 설계단면, 시공단계, 굴착공법, 표준지보패턴과 같은 관련 자료를 바탕으로 해석모델과 지반특성치를 설정해야 합니다.
• 종합평가에 직접 적용된 수치 및 도표 등의 내용은 상세히 기술해야 하며, 적용되지 않는 각종 해석 결과는 수록하지 않는 것을 원칙으로 하되 평가조건에 따라 변경할 수 있습니다.
• 터널 안정성 해석을 위한 입력자료
  • 해석에 필요한 입력자료는 지반특성치, 지반의 초기응력, 지하수위, 지보재특성치, 사용되는 보조공법재의 특성치 등입니다.
  • 지반의 초기응력은 터널거동에 큰 영향을 미치므로 현장에서 측정한 값, 경험식 또는 추정식으로부터 산정해야 합니다.
  • 보조공법 중 지반보강을 목적으로 주입한 경우에는 보강된 지반특성치가 필요하며, 기계적 보강을 실시한 경우에는 각각의 재료를 지보재로 보고, 지보재의 특성치를 입력하거나, 보강지반으로 환산하여 보강된 지반특성치를 사용해야 합니다.
  • 지반조건이 불량하여 강지보재를 적용하는 경우에는 강지보재를 고려한 수치해석을 수행할 수 있습니다.
• 하중
  • 해석 시에는 터널의 거동에 영향을 미치는 하중을 고려해야 합니다.
  • 하중 산정 시 고려사항
    • 원지반의 초기응력은 지반의 단위중량, 터널깊이 및 측압계수를 고려하여 결정해야 합니다.
    • 수압은 지하수위를 고려하여 결정해야 합니다. 비배수형 터널의 경우에는 지하수위를 고정하여 정수압으로 하고, 배수형 터널의 경우에는 지하수위의 변화를 고려하여 수압을 정해야 합니다.
    • 터널 상부에 구조물 하중이나 도로와 철도의 교통하중이 작용하는 경우에는 외부하중으로 고려해야 합니다.
    • 지형과 지반조건에 따라 터널에 편압이 작용할 우려가 있는 경우에는 편압의 영향을 고려해야 합니다.
    • 갱구부에 대하여는 지역적 특성, 터널 상부의 지층두께, 지형, 지반조건 등에 따라 지진의 영향이 예상되는 경우에는 이의 영향을 설계에 반영해야 합니다.
    • 장기간에 걸쳐 시간 의존적인 지반의 크리프(Creep)현상이 예상되는 경우에는 크리프하중을 고려해야 하며, 일시적인 지보재인 경우에는 이를 고려하지 않아도 됩니다.
• 터널 안정성 해석방법
  • 터널안정성 해석방법에는 수치해석적 방법, 이론해를 이용하는 방법, 경험적 방법 등이 있으므로 필요에 따라 적절한 방법을 선택하여 사용해야 합니다.
  • 수치해석적 방법을 이용할 경우에는 공학적으로 공인되어 널리 사용되고 있으며, 대상 지반 및 설계조건들을 적절히 모사할 수 있고, 지반의 거동을 적절히 해석할 수 있는 기능을 보유한 해석 프로그램을 이용해야 합니다.
  • 이론해를 이용하는 방법은 계산이 간편하여 시간을 절약할 수 있으나 한정된 가정조건하에서만 해석이 가능하기 때문에 수치해석, 계측 결과 등의 설계, 시공사례의 분석을 통하여 유사한 결과를 보일 경우에 한하여 사용하는 것을 원칙으로 합니다.
  • 경험적 방법은 기존의 터널 설계로부터 획득한 경험을 기초로 예상되는 상황을 가정하여 지반의 거동을 예측하고 적절한 지보재를 채택하는 방법으로, 다음과 같은 단계로 안정성 해석을 수행해야 합니다.
    • 정량적인 암반분류법에 의한 암반등급 평가
    • 암반등급과 시공성과의 상관성 파악
    • 무지보 유지시간, 무지보 터널폭, 필요 지보량 등을 정량적으로 표현한 시공성 검토

1.7 구조설계도서

• 터널해석보고서

2. 조사 및 계획

2.1 조사 및 계획 일반

• 해당 사항 없음

2.2 조사

• 본 기준의 조사는 KDS 27 10 10 (2.2)를 따릅니다.

2.3 계획

• 해당 사항 없음

3. 재료

3.1 재료 일반

• 해당 사항 없음

3.2 재료특성

• 해당 사항 없음

3.3 품질 및 성능시험

• 해당 사항 없음

4. 설계

4.1 해석 결과의 평가

• 해석 결과 평가 시 반영사항
  • 터널의 안정성 평가
  • 유사터널의 계측 결과와 검증 평가
  • 인접 구조물과 상호 영향 평가
  • 굴착으로 인한 지반침하 영향 평가
• 굴착 단계별로 터널주변의 지반과 지보재에 대한 응력, 변위, 발생 소성영역 등을 검토하여 터널의 구조적인 안정성을 평가해야 합니다.
• 해석 결과는 유사터널의 응력 및 내공변위, 지표침하, 지중변위 등의 계측 결과와 비교ㆍ검증하여 평가해야 합니다.
• 터널굴착의 영향범위 내에 위치한 인접 구조물에 대한 영향 정도와 상호 안정성을 평가해야 합니다. 인접 구조물이 지반의 거동에 영향을 미칠 경우, 지반침하 영향 평가 시 구조물과 지반의 강성 및 경계조건을 고려해야 합니다.
• 터널굴착의 영향범위 내에 도로, 철도, 건물과 같은 시설물이 위치할 경우에는 터널굴착에 의해 발생 가능한 지반침하 영향을 평가해야 합니다.

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