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Research article

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Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection

J. Korea Inst. Struct. Maint. Insp. Vol. 21, No. 5, p.101-107

ISSN (print) :

2234-6937

ISSN (online) :

2287-6979

Received : 18 May 2017Revised : 8 June 2017Accepted : 15 June 2017

Publisher ID :

JKSMI-21-101

DOI :

10.11112/jksmi.2017.21.5.101

A Study on the Behavior of Concrete floors with Over-break in Railroad Tunnel

양주경 (Joo-Kyoung Yang) ¹^* 김효정 (Hyo-Jung Kim) ²

[1] 정회원, 청운대학교 토목환경공학과 교수, 교신저자

[2] 학생회원, 청운대학교 토목환경공학과 석사과정

^* Corresponding author : jkyang@chungwoon.ac.kr Department of Civil & Environmental Engineering, Chungwoon University, Incheon, 22100, Korea

1 :

• 본 논문에 대한 토의를 2017년 10월 1일까지 학회로 보내주시면 2017년 11월 호에 토론결과를 게재하겠습니다.

License (open-access, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) :

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

초록

터널공사의 발파공법의 특성상 여굴 발생은 필연적이라고 할 수 있다. 국내 터널 여굴 관련 설계기준에 의하면 공동구 바닥부의 여 굴처리는 채움 10 cm로 되어 있으나 설계 여굴량 이상의 깊이를 모두 콘크리트로 채우게 되면 공사비가 크게 증가한다. 철도터널은 항구적인 콘크리트 궤도를 적용 중에 있다. 그러나 철도터널에서 바닥 여굴이 발생할 경우 압축강도 18 MPa의 콘크리트 채움 시공(T=100 mm)을 하고 있고, 상부에 150 mm ~ 237 mm의 보조도상 콘크리트층, 240 mm 콘크리트 궤도(TCL층)를 시공하는 등의 레일 하부와 터널 암반 사이에 약 600 mm 두께의 콘크리트로 시공하고 있어 경제성이 매우 떨어지는 실정이다. 이 연구에서는 기존터널단면과 변경터널단면에 대해 각각 여굴 깊이에 따라 콘크리트 균열 수치해석 및 콘크리트 균열 위험도 분석, 콘크리트 균열 안정성 확보를 위한 터널 바닥콘크리트 소요 두께에 대한 적정성을 평가하였다.

Abstract

Over-break, which is excavated larger than planned line at tunnel excavation, is inevitable due to the nature of blasting. But regarding the bottom of the foundation, most of the domestic ordering organizations pay only 10 cm thick filled concrete when pouring concrete due to over-break. In accordance, the construction cost will increase greatly if all the depths of the designed over-break are filled only with concrete. When tunnel excavation occurs, concrete filling of 18 MPa(T = 100 mm) and 150 mm~237 mm auxiliary concrete layer and 240 mm concrete track(TCL) are applied to the upper part. The concrete is installed in an excessive amount of about 600 mm between the lower part of the rail and the tunnel rock bed. Therefore, in this study, it is necessary to analyze the concrete crack structure according to the depth of the existing tunnel and the modified tunnel section, and to evaluate the adequacy of the required thickness of the tunnel floor concrete for securing the crack stability of the concrete.

키워드

여굴, 철도터널, 터널 바닥콘크리트 소요두께, 채움콘크리트

Key words

Over-breack, Railroad tunnel, Floor concrete Thickness, Filled concrete

1. 서 론

터널을 굴착할 때에는 굴착공법과 원지반 조건에 따라 미 굴과 여굴이 발생하게 된다. 여굴은 어떠한 지반 조건에서도 발생할 수 있으나, 암반층에 설치되는 터널에서 더 많이 발생 하게 된다.

터널공사의 발파공법의 특성상 여굴 발생은 필연적이라고 할 수 있으나, 도로나 철도 터널공사에서 암반 이완을 최소화 하여 주변 암반을 과다하게 손상시키지 않고 붕락 및 보강작 업을 줄이는 것은 공사와 안정성 측면에서 중요한 문제이다. 또한 광산업 등 다른 분야와 비교하여 특히 터널에서는 여굴 을 최소화하는 정확한 발파가 요구되는데, 설계된 면적에 비 해 과다한 여굴이 발생하면 그 부분을 숏크리트와 같은 보강 재로 채워야 하므로 굴착 사이클 지연 및 터널 공사의 경제성 측면에서도 상당한 영향을 미치는 요인이 된다.

국내 터널 여굴 관련 설계기준에 의하면 도로 및 철도 대부 분의 발주기관에서 공동구 바닥부의 여굴처리는 채움(10 cm) 으로 되어 있으며, 그 이상의 깊이의 추가 여굴에 대해서는 별 도의 처리지침 및 기준이 명확히 명시되어 있지 않은 상태이 다. 하지만 현장에서 실제 발파를 하다보면 미굴 보다는 여굴 이 많이 발생하며, 그 양도 설계시 책정하는 양보다 훨씬 큰 경 우가 대부분이다. 설계는 기준에 의해 기초 바닥부 여굴량을 10 cm만 고려하고, 이를 콘크리트로 채우도록 되어 있으나, 설계 여굴량 이상의 깊이를 모두 콘크리트로 채우게 되면 공 사비가 크게 증가한다.

철도터널은 유지관리비 절감 및 터널 내의 밀폐된 공간에 서 궤도보수 작업의 개선을 위해 항구적인 콘크리트 궤도를 적용 중에 있으며, 노반 시공을 완료한 후 그 상부에 콘크리트 궤도를 시공하고 있다. 그러나 철도터널 바닥 여굴이 발생 할 경우 기존 압축강도 18 MPa의 콘크리트 채움 시공(T=100 mm반영)을 하고 있고, 상부에 150 mm∼237 mm의 보조도상 콘크리트층, 240 mm 콘크리트 궤도(TCL층)를 시공하는 등 의 레일 하부와 터널 암반 사이의 약 600 mm의 과도한 콘크리 트를 시공하고 있어 경제성이 매우 떨어지는 실정이다.

따라서 본 연구에서는 기존터널단면과 경제성이 유리한 변 경터널단면에 대해 각각 여굴 깊이에 따라 콘크리트 균열 구 조해석 및 오차별 콘크리트 균열 위험도 분석, 콘크리트 균열 안정성 확보를 위한 터널 바닥콘크리트 소요 두께에 대한 적 정성을 평가하고자 한다.

2. 해석조건

2.1. 콘크리트의 균열

콘크리트의 파괴는 항상 균열에 의해서 일어난다. 또한 콘 크리트는 생겨날 때부터 균열을 갖고 있다. 즉 콘크리트는 균 열을 항상 갖고 있으며 그 균열의 진전에 의해 파괴가 일어난 다는 것이다. 다만 우리가 어느 관점에서 보느냐에 따라 달리 이해할 수 있을 뿐이며 Witttmann은 콘크리트 재료의 균열 발 생에 대하여 micro level, meso level, macro level 등으로 나누 어 설명하였다. 먼저 여기서는 평균적 개념에서 콘크리트의 균열이 어떻게 진전되는가에 대하여 먼저 살펴보고자 한다.

Fig. 1에서 보는 바와 같이 초기 균열이 있는 경우 콘크리트 의 거동은 유리나 금속의 파괴거동과는 상당한 차이를 보인 다. 초기에 응력이 가해지면 Fig. 1(c)와 같이 균열 단에서 응 력집중현상이 일어나며, 응력이 일정한 한계를 벗어나지 않 으면 탄성적으로 거동하나 그 한계를 벗어나면 균열단에서 미 세균열(micro crack)이 발생하여 비선형성의 변화를 보이다가 곧 Fig. 1(e)와 같이 콘크리트의 인장 최대 응력에 도달하게 된 다. 이 미세균열이 더욱 커지고 변형률도 늘어나게 되면 균열 단에서는 유리나 금속재료와는 달리 변형연화(strain-softening) 현상이 일어나 변형률은 증가하나 응력은 감소하게 된다. 여 기서 변형률이 더 증가하게 되면 균열단에서는 주균열(main crack)이 발생하여 콘크리트는 더 이상 연속체가 될 수 없으 며, 이 때의 응력분포 및 변형률은 각각 Fig. 1(g), (h)와 같이 나타날 수 있다. 그러나 Fig. 1(h)의 k₁-k₂ 구간의 실제 변형률 은 나타낼 수 없으며 단지 이 구간에서의 전체 변위만을 나타 낼 수 있다. 이러한 과정을 거쳐 콘크리트가 파괴되는데, 이 때 위에서 언급한 변형연화현상과 미세균열의 발생 등이 콘 크리트 재료의 큰 특징이며 콘크리트의 비선형의 특성과 크 기효과에 큰 영향을 미친다.

Fig. 1

Fracture process in concrete

이와 같이 콘크리트 구조물에 어떠한 형태의 하중이 작용 하더라도, 콘크리트에서의 균열은 콘크리트 부재의 인장 변 형률에 의해서 일어난다. 인장력을 받으면 그 힘 방향으로의 인장 변형률이 발생하여 균열은 작용하중에 수직한 방향으로 발생되며, 반면 압축력을 받으면 Fig. 2에서와 같이 작용하중 에 나란한 방향으로 압축 변형률이 발생되고 포아송비의 효 과에 의해 힘과 수직한 방향으로 인장 변형률이 발생되어 균 열은 작용하중과 나란한 방향으로 발생하게 된다.

Fig. 2

Fracture process under compression

또한 하중의 재하속도에 따라 콘크리트 강도, 균열의 생성 과 분포, 균열 방향이 크게 바뀌게 된다. 그러나 미세하게 관 찰하면 균열의 발생은 앞에서 언급한 과정에 의하여 이루어 진다고 볼 수 있다.

콘크리트 구조물에서 발생하는 균열의 원인은 무수히 많 다. 또한 실제 콘크리트 구조물에서는 이러한 각각의 균열 원 인이 동시다발적이고 복합적으로 작용하여 나타나게 된다. 따라서 콘크리트 구조물에 나타나는 균열을 분류하는 방법도 다양하게 제시되고 있다. 일반적으로 제시되는 균열의 분류 방법은 구조물의 구조적 기능성에 따라 구조적 균열과 비구 조적 균열로 나누는 방법, 균열의 발생시기에 따라 경화 전 균 열과 경화 후 균열로 나누는 방법, 균열의 원인에 따라 나누는 방법, 균열이 발생한 구조물의 종류나 장소에 따라 나누는 방 법 등이 있다.

2.2. 해석 개요

본 연구에서는 터널 바닥 여굴 채움 콘크리트 및 보조도상 콘크리트 균열 안정성 검토를 위해 콘크리트 터널단면의 구 조해석을 진행하였다. 여굴 깊이에 따른 보조도상 콘크리트 와 지반의 조건에 따라 해석을 수행하였으며, 본 해석을 위해 Fig. 3과 같이 모델링하여 범용 구조해석 프로그램인 ANSYS WB를 사용하였다.

Fig. 3

ANSYS modeling

Tables 1, 2는 각각 터널 바닥 여굴 채움 콘크리트 및 보조도 상 콘크리트 유무에 따른 균열 안정성 검토를 수행하기 위하 여 사용된 도상콘크리트, 보조도상 콘크리트, 궤도채움 콘크 리트와 해석지반의 물성치를 표로 나타낸 것이다.

Table 1

Properties of concretes

Type	Modulus of elasticity (MPa)	Compressive strength (MPa)	Poisson’s ratio	Unit weight (kN/m³)

Concrete	27.537	30
track	27.537	30
Auxiliary
concrete	23.817	18	0.18	2,300
layer			0.18	2,300
Concrete	21.419	12
filling layer	21.419	12

Table 2

Properties of rocks

Type	Modulus of elasticity (MPa)	Poisson’s ratio	Internal friction angle (degree)	Unit weight (kN/m³)

Sedentary	60	0.30	28	20.0
deposit	60	0.30	28	20.0
Weathered	200	0.30	33	20.0
rock	200	0.30	33	20.0
Soft rock	1,200	0.28	35	24.0
Hard rock	14,000	0.25	40	27.0

본 연구에서는 기존 터널 단면과 변경 터널 단면에 대하여 가장 약한 지반인 풍화암에 대해서는 0 mm, 50 mm, 100 mm, 150 mm, 250 mm의 총 5가지 여굴 깊이를 해석변수로 설정하 였으며, 이보다 강한 지반인 연암과 경암에 대해서는 구조적 으로 가장 취약할 것으로 예상되는 여굴 깊이인 0mm에 대하 여 해석을 수행하여 비교, 검토하였다.

Fig. 4의 기존 터널과 터널 단면 개선안인 Fig. 5와 같이 변 경 터널 단면에 대해 여굴 깊이 따른 보조도상 콘크리트 와 풍 화암, 연암, 경암 등 지반을 고려한 일체형 모델링을 채택하여 수행하였으며, 터널의 총 길이는 10 m, 지반 깊이는 3 m로 설 정하여 해석을 진행하였다.

Fig. 4

Existing railroad tunnel section

Fig. 5

Modified railroad tunnel section

변경 터널 단면은 기존 터널 단면의 과도한 콘크리트 사용 을 줄여 원가 절감을 목표로 한 터널 바닥부 개선안이다. 가장 큰 차이를 나타내는 터널 바닥부 보조도상 콘크리트를 시공 하지 않고 암반부위에 터널 굴착시 발생하는 여굴을 채우는 채움 콘크리트 위에 바로 도상 콘크리트 및 궤도 채움 콘크리 트가 위치한다. 보조도상 콘크리트를 시공하지 않으므로 기 존 터널 단면에 비해 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

다음 Figs. 6, 7과 같이 기존 터널 단면에 대해서는 TCL층, 보조도상 콘크리트 150 mm, 채움 콘크리트로 모델링하였으 며, 변경 터널 단면에 대해서는 TCL층, 채움 콘크리트로 모델 링하였다.

Fig. 6

Modeling of existing tunnel section with over-break

Fig. 7

Modeling of modified tunnel section with over-break

터널 바닥 여굴 채움 콘크리트 및 보조도상 콘크리트 균열 안전성 검토를 위해 수행된 본 해석에서 터널 도상콘크리트 하중은 다음 Fig. 8과 같이 KRL-2012 기준 표준열차하중 재 하도를 바탕으로 하였다. 터널 길이 10 m의 등분포하중과 3 m 간격의 집중하중을 레일에 따라 재하하였으며, 열차의 진행 방향 Z방향을 제외하고 X, Y방향으로만 거동할 수 있도록 경 계조건을 고려하였다.

Fig. 8

Loads and locations

3. 해석결과 고찰

본 연구에서는 터널 바닥여굴 채움 콘크리트 및 보조도상 콘크리트 균열안정성 검토를 위해 기존 터널단면과 변경 터 널단면의 바닥 콘크리트부 여굴 깊이를 0 m, 50 mm, 100 mm, 150 mm, 250 mm로 변화시키고 지반 조건을 고려하여 해석을 수행하였다.

1) 최대인장응력을 검토할 수 있는 최대주응력, 최대압축응 력을 검토할 수 있는 최소주응력은 여굴 깊이에 따라 미세 한 차이가 있으나 균일하게 값이 나타나고 있으며, 기존 터 널단면의 최대주응력 값이 변경 터널단면에 비해 약 1.2 MPa 더 크게 나타났다.
2) Figs. 9~14의 응력분포를 보면 인장 및 압축 최대 응력값은 하중이 재하되는 TCL층에서 발생하는 것을 알 수 있으며, 여굴부의 채움콘크리트 부분에서는 여굴 깊이에 관계 없 이 균열이나 파괴를 유발하는 응력이 발생하지 않는 것으 로 나타났다.Fig. 10 Fig. 11 Fig. 12 Fig. 13
3) 변경 터널단면의 전체변형량이 기존 터널단면보다 비교 적 크게 나타나며 이는 보조도상콘크리트층의 부재로 인 한 변형 증가인 것으로 판단되나, 하중재하점 부근의 국부 적인 최대값이 0.7 mm 이하의 작은 값을 보이므로 변경단 면의 사용성에 문제가 없을 것으로 사료된다.
4) 콘크리트 균열발생기준 중 일반적으로 사용되고 있는 강 도기준을 적용하여 분석해 보면, 최대주응력이 TCL 층의 쪼갬인장강도를 초과하지 않으므로 변경단면의 철도하중 에 의한 균열발생가능성은 낮을 것으로 판단되며, 최소주 응력이 TCL층의 콘크리트 설계기준압축강도 값 이하로 나타났으므로 철도하중에 의한 압축파괴 가능성은 없을 것으로 사료된다.
5) Table 3의 최대주응력과 최소주응력 값은 Fig. 8에 보이는 바와 같이 절점 하중점 하부의 응력집중에 의한 국소적인 값이며, 실제 철도하중이 재하되는 레일부의 재하폭을 고 려한다면 이 값들은 Table 3의 결과보다 작게 나타날 것으 로 사료된다.

Table 3

Analysis results

		DO1	Total deformation (mm)	Maximum principal stress (MPa)	Minimum principal stress (MPa)	f_sp 5	f_ck 6

Existing section	WR2	0	0.313	4.384	17.131	Maximum Principal Stress < f_sp (4.3 MPa) ok.	Minimum Principal Stress < f_ck (30 MPa) ok.
		50	0.265	4.090	16.136
		100	0.184	4.389	17.126
		150	0.192	4.383	17.129
		250	0.147	4.372	17.136
	SR3	0	0.075	4.250	17.209
	HR4	0	0.040	4.291	17.184

Modified section	WR2	0	0.665	3.116	14.824
		50	0.590	3.214	14.759
		100	0.526	3.276	14.718
		150	0.452	3.325	14.686
		250	0.337	3.396	14.640

	SR3	0	0.088	3.437	14.614

	HR4	0	0.038	3.592	14.519

1. DO: Depth of Over-break

2. WR: Weathered Rock

3. SR: Soft Rock

4. HR: Hard Rock

5. f_sp : splitting tensile strength( f_sp ≈0.7 ( f c k + 8 ) )

6. f_ck : specified compressive strength

Fig. 9

Analysis results of existing section on weathered rock

Fig. 10

Analysis results of existing section on soft rock

Fig. 11

Analysis results of existing section on hard rock

Fig. 12

Analysis results of modified section on weathered rock

Fig. 13

Analysis results of modified section on soft rock

Fig. 14

Analysis results of modified section on hard rock

4. 결 론

본 연구에서는 기존 터널 단면과 변경 터널 단면에 대하여 가장 약한 지반인 풍화암에 대해서는 0 mm, 50 mm, 100 mm, 150 mm, 250 mm의 총 5가지 여굴 깊이를 해석변수로 설정하 였으며, 이보다 강한 지반인 연암과 경암에 대해서는 구조적 으로 가장 취약할 것으로 예상되는 여굴 깊이인 0 mm에 대하 여 해석을 수행하여 비교, 검토하였다.

여굴부의 채움콘크리트에서는 여굴 깊이에 관계없이 균열 이나 파괴를 유발하는 응력이 발생하지 않았으며, 변경 터널 단면의 전체변형량이 기존 단면보다 비교적 크게 나타났다. 변형량이 증가하는 이유는 보조도상 콘크리트층의 부재로 인 한 것으로 판단되나, 하중재하점 부근의 국부적인 최대값이 0.7 mm 이하의 작은 값을 보여 변경단면의 사용성에 문제가 없을 것으로 판단되었다. 변경단면 TCL 층의 최대주응력이 쪼갬인장강도를 초과하지 않고, 최소주응력이 설계기준압축 강도 값 이하이므로 변경단면의 균열발생가능성과 압축파괴 가능성은 매우 낮았다.

변경 터널 단면은 기존 터널 단면의 과도한 콘크리트 사용 을 줄여 원가 절감을 목표로 한 터널 바닥부 개선안으로 보조 도상 콘크리트를 시공하지 않으므로 기존 터널 단면에 비해 비용을 절감할 수 있는 이점이 있으며, 사용성 또한 문제가 없 을 것으로 판단된다.

감사의 글

이 연구는 2013년도 청운대학교 연구년 지원으로 수행된 것으로 이에 감사드립니다.

(1956), Proceedings., 19

(1963), Strains and stresses of concrete at initiation of cracking and near failure., ACI J. Proc., 60(7), 853-880.

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(1959), Physical Problems in the Testing of Concrete., Zement-Kalk-Gips (Wiesbaden), 12(1), 1-9.

(1958), Investigations Into The Strength of Concrete Under Sustained Load., RILEM Symposium on the Influence of Time upon Strength and Defomation of Concrete

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여굴깊이에 따른 철도터널 바닥 콘크리트의 거동에 관한 연구

초록

Abstract

키워드

Key words

1. 서 론

2. 해석조건

2.1. 콘크리트의 균열

Fig. 1

Fig. 2

2.2. 해석 개요

Fig. 3

Table 1

Table 2

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 6

Fig. 7

Fig. 8

3. 해석결과 고찰

Table 3

Fig. 9

Fig. 10

Fig. 11

Fig. 12

Fig. 13

Fig. 14

4. 결 론

감사의 글

Article Information (continued)

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2. 해석조건

2.1. 콘크리트의 균열

Fig. 1

Fig. 2

2.2. 해석 개요

Fig. 3

Table 1

Table 2

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 6

Fig. 7

Fig. 8

3. 해석결과 고찰

Table 3

Fig. 9

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4. 결 론

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