표제지

ABSTRACT

목차

제1장 서론 17

1.1. 연구배경 17

1.2. 연구의 목적 18

1.3. 논문의 구성 19

제2장 유지관리 측면에서의 NATM터널 정밀안전진단 21

2.1. 서론 21

2.2. NATM터널의 설계 및 시공 22

2.2.1. 설계 유지관리 착안사항 22

2.2.2. 시공 유지관리 착안사항 23

2.3. 유지관리를 위한 정밀안전진단 27

2.3.1. 정밀안전진단 27

2.3.2. NATM터널(무근)의 상태평가방법 33

2.3.3. NATM터널(철근)의 상태평가방법 34

2.4. 정밀안전진단이 실시된 NATM터널 35

2.5. 소결론 35

제3장 운영중 NATM터널 결함 특성 및 특수성 분석 36

3.1. 서론 36

3.2. 무근콘크리트 라이닝 균열 38

3.3. 철근콘크리트 라이닝 균열 42

3.3.1. 철근배근을 따라 발생하는 균열 46

3.3.2. 덕트슬래브/Ceiling 설치에 따른 균열 47

3.3.3. 2,3 Arch 형식에 따른 균열 48

3.3.4. 인버트 설치에 따른 균열 50

3.4. 그 외 라이닝 결함 53

3.4.1. 철근배근과 관련된 결함 53

3.4.2. 라이닝 두께와 관련된 결함 54

3.5. 소결론 65

제4장 종방향균열과 라이닝 두께에 대한 상태평가 항목의 재검토 66

4.1. 서론 66

4.2. NATM터널(무근)의 상태평가 69

4.2.1. 무근라이닝의 상태평가 방법 69

4.2.2. 정밀안전진단이 실시된 터널 70

4.3. 정밀안전진단 결과를 반영한 종방향균열 발생 요인분석 71

4.3.1. 지보패턴의 영향 72

4.3.2. 지보재 시공조건의 영향 77

4.3.3. 콘크리트라이닝 재료특성의 영향 79

4.4. 콘크리트라이닝 두께의 영향 83

4.5. 소결론 88

제5장 GPR탐사를 통한 라이닝의 두께분포 및 배면상태 평가 90

5.1. 서론 90

5.2. GPR탐사 93

5.2.1. 개요 93

5.2.2. GPR 탐사를 통한 라이닝 배면 조사방향 96

5.2.3. GPR탐사가 수행된 터널 99

5.3. GPR탐사에 따른 라이닝 두께 분포 및 배면상태 특성 100

5.3.1. 라이닝 두께 분포의 적합도 분석 100

5.3.2. 횡단 라이닝 두께분포 및 배면상태 분석 102

5.3.3. 종단 라이닝 두께분포 및 배면상태 분석 109

5.4. 소결론 114

제6장 라이닝 두께분포 및 배면상태를 고려한 응력분포 116

6.1. 서론 116

6.2. 기존 연구 및 정밀안전진단의 해석절차 118

6.2.1. 기존 연구 118

6.2.2. NATM터널(무근)의 안전성 평가 119

6.2.3. 라이닝 배면 상태 120

6.2.4. 라이닝 두께 평가 121

6.3. 라이닝 두께 및 배면상태를 반영한 안전성평가 방법 123

6.3.1. 해석 모델의 개요 123

6.3.2. 해석결과 분석 125

6.4. 소결론 142

제7장 요약 및 결론 143

참고 문헌 148

APPENDIX 162

표 2.1. NATM터널(무근) 상태평가의 결함별 점수 체계 29

표 2.2. NATM터널(무근) 라이닝 상태평가 결함별 점수 체계 33

표 2.3. NATM터널(철근) 라이닝 상태평가 결함별 점수 체계 34

표 3.1. NATM터널과 다른 공법터널의 설계, 시공, 운용중의 비교 37

표 3.2. NATM터널 무근라이닝에서 정의된 균열패턴 39

표 3.3. NATM터널 무근라이닝에서 분석된 균열의 종류와 시공 및 굴착지반 조건 41

표 3.4. 터널별 균열밀도 비교 43

표 4.1. NATM터널에서 발생된 종방향균열에 관한 연구 68

표 4.2. NATM터널(무근)의 균열의 평가기준 69

표 4.3. NATM터널(무근)의 라이닝 두께관련 평가기준 70

표 4.4. 분석된 NATM터널(무근)의 요약 71

표 4.5. 지보패턴에 따른 균열밀도 분석 73

표 4.6. 시공환경과 라이닝물성에 따른 종방향균열의 발생에 대한 분석 79

표 4.7. GPR분석을 통한 균열발생빈도와 라이닝 두께의 상관도 분석 85

표 5.1. 터널 라이닝 건전도 평가를 위한 비파괴 시험관련 연구 92

표 5.2. GPR탐사를 이용한 라이닝 두께 분석된 터널 99

표 5.3. 횡단두께 분석을 통한 좌·우 라이닝 두께 차이 107

표 5.4. 분석된 터널의 라이닝 두께 분포 특성 110

표 5.5. 터널 반지름과 라이닝 두께 분포 특성에 따른 종방향균열의 상관성 112

표 6.1. 기존 수치해석의 검토 118

표 6.2. 기존 수치해석에서의 경계조건의 비교 119

표 6.3. 천단 중앙점의 모멘트(MN-m)와 축력(MN) 126

표 6.4. 등분포하중에 따른 압축 또는 인장 균열 발생시점 135

표 6.5. 편분포하중에 따른 압축 또는 인장 균열 발생시점 139

그림 2.1. NATM터널 라이닝 일반도 22

그림 2.2. NATM터널(철근)의 설계시 고려사항 23

그림 2.3. NATM터널 시공절차의 모식도 24

그림 2.4. NATM터널(철근)의 라이닝 타설 모식도 25

그림 2.5. 절밀안전진단의 일반적인 항목 및 절차 28

그림 2.6. 광학스캐너를 이용한 NATM터널 라이닝의 외관조사 절차 29

그림 2.7. 내구성조사 항목 및 분석방향 30

그림 2.8. 안전성평가 결과 산정방법 31

그림 3.1. 무근라이닝의 균열별 모식도 38

그림 3.2. 고속철도터널의 균열밀도의 비교 42

그림 3.3. 형식별 균열발생밀도율의 비교 44

그림 3.4. 라이닝 무근구간과 보강구간의 차수별 균열밀도분포 특성 45

그림 3.5. 철근배근을 따라 발생하는 균열 및 내구성 시험 46

그림 3.6. 경계조건 및 도로환경으로 발생되는 슬래브 하면 특이균열 48

그림 3.7. 2 Arch터널의 특이균열과 필라의 결함 49

그림 3.8. 인버트 유무에 따른 특이균열 51

그림 3.9. NATM터널의 일반적인 보강재의 위치별 노출전경 54

그림 3.10. NATM터널 철근라이닝의 현장타설 절차 55

그림 3.11. 채움부족으로 인한 라이닝 두께 조사 및 보강 예시 57

그림 3.12. GPR탐사로 분석된 라이닝 두께와 반원형균열 상호관계 58

그림 3.13. NATM터널(무근) 측벽과 천장부의 박락 사례 60

그림 3.14. NATM터널 화재에 의한 라이닝 박락 사례 62

그림 3.15. NATM터널 지진피해로 인한 박락 사례 63

그림 3.16. 지하수 흐름으로 인한 콘크리트 용탈로 인한 열화 사례 64

그림 4.1. 터널크기와 지반조건에 따른 NATM터널 4개의 그룹의 굴착지보패턴 75

그림 4.2. 지보패턴 및 그룹에 따른 균열밀도 76

그림 4.3. 종방향균열과 1차지보재의 상관관계 78

그림 4.4. 라이닝종방향균열과 터널의 시공환경 및 재료적 특성의 상관도 분석(1/2) 81

그림 4.4. 라이닝 종방향균열과 터널의 시공환경 및 재료적 특성의 상관도 분석(2/2) 82

그림 4.5. GPR탐사로 분석된 라이닝 두께와 설계두께의 비교 84

그림 4.6. 라이닝 두께부족과 균열발생과의 상관도 분석 86

그림 4.7. 종방향균열의 대표적인 사례(BR 터널) 87

그림 5.1. NATM터널에서 수행되는 GPR탐사의 모식도(1/2) 94

그림 5.1. NATM터널에서 수행되는 GPR탐사의 모식도(2/2) 95

그림 5.2. GPR탐사 신호를 통한 배면상태 분석 96

그림 5.3. 라이닝 배면의 들뜸/ 공극의 상태 97

그림 5.4. 일반적인 GPR탐사 결과 분석 98

그림 5.5. 두께분포 특성을 위한 GPR 탐사 위치도(예시) 99

그림 5.6. GPR 탐사에 의한 MSR_D터널의 라이닝 두께 분포 103

그림 5.7. GPR 탐사에 의한 MSR_D 터널의 라이닝 두께 종방향균열의 상관성 104

그림 5.8. DY터널의 라이닝 두께 분석 106

그림 5.9. SPS_T터널의 라이닝 두께 분석 108

그림 5.10. x² 검증에 의한 라이닝 두께의 확률밀도함수(예시) 111

그림 5.11. 두께 분포에 따른 총균열 빈도의 연관성 113

그림 5.12. 두께 분포에 따른 종방향균열 빈도의 연관성 113

그림 6.1. 변위제어법(CCM)에서의 NATM터널의 거동특성 117

그림 6.2. 안전성평가 절차와 본 연구의 평가 절차 비교 120

그림 6.3. 무근콘크리트의 설계 비교 122

그림 6.4. 콘크리트 라이닝 두께변화 모델 개략도 123

그림 6.5. 콘크리트 라이닝 두께변화 모델(Case1~Case4) 124

그림 6.6. 콘크리트 라이닝 두께변화 모델의 구분 125

그림 6.7. 자중만에 의한 모멘트-축력도의 검토 127

그림 6.8. 반지름 및 두께변화에 따른 모멘트-축력도(t＝0.3m) 128

그림 6.9. 반지름 및 두께변에 따른 모멘트-축력도(t＝0.4m) 128

그림 6.10. 비선형해석에서 사용된 압축, 인장모델의 응력-변형률 관계 모식도 129

그림 6.11. 하중증분에 따른 천단 중앙 8개 요소의 평균 최대주응력 131

그림 6.12. Case 4+에 대한 하중증분에 따른 균열발생 상태의 분석 132

그림 6.13. 사례별 적용된 분포하중 예시 133

그림 6.14. 균열발생 예시 134

그림 6.15. 압축 또는 인장균열 발생시점에서의 천단 중앙부 모멘트와 축력(1/2) 136

그림 6.15. 압축 또는 인장균열 발생시점에서의 천단 중앙부 모멘트와 축력(2/2) 137

그림 6.16. 사례별 적용된 편분포하중 예시 138

그림 6.17. 하중증분에 따른 압축균열에서 인장균열로 진전(예시) 139

그림 6.18. 압축 또는 인장균열 발생시점에서의 천단 중앙부 모멘트와 축력(1/2) 140

그림 6.18. 압축 또는 인장균열 발생시점에서의 천단 중앙부 모멘트와 축력(2/2) 141

 Since 1980, the New Austrian Tunnelling Method (NATM) has mostly been adopted for tunnelling work in Korean peninsula along with the mechanized tunnelling method. The precise inspection for safety and diagnosis (PISD) has been conducted for service-in tunnels, which have been operational for more than 10 years. The PISD includes visual inspection, durability tests, various surveys for serviceability, state assessment, structural assessment, and grading the facilities. In this study, using the PISD results performed on 81 operational NATM tunnels, the crack patterns in NATM tunnels were inspected and analyzed; more specifically, the correlation between the longitudinal cracks and the secondary lining thickness was studied in depth.

Firstly, crack patterns were analyzed and categorized into seven patterns for the un-reinforced concrete lining of the NATM tunnels. Then, effect of reinforcement was studied using the concept of crack ratio which is defined to be crack length divided by tunnel length. It was found that the crack ratio decreases as the lining was reinforced with single re-bar; and decreases even more when reinforced with double re-bar. It means that the more the lining is reinforced, the less the crack ratio is. Results of the PISD also revealed that the lining thickness was less than the designed value in many cases mainly due to deficiency in workmanship during casting of the lining concrete, spalling, leaching, etc. Among all the inspected defects, the longitudinal crack and the deficiency in thickness of lining were the most representative ones in the NATM tunnel which were found in almost every diagnosed tunnel.

Secondly, 12 NATM tunnels were inspected to figure out the cause of longitudinal cracks for the purpose of modifying the scoring items in the state assessment of the NATM tunnel, which are closely related to the longitudinal crack and the thickness of concrete lining. All investigated tunnels were classified into four groups depending on the shape and usage of each tunnel. The causes of longitudinal crack occurrence were analyzed by investigating the correlations between the longitudinal crack and the following four factors: the patterns of ground excavation; construction state of primary support system; characteristics of material properties of the concrete lining; and thickness of lining which was obtained by GPR surveys. It was found that influencing factors causing longitudinal cracks in the lining were closely related with the construction condition of the primary support system, i.e. shotcrete, rockbolt, and steel-rib; crack occurrences were not much affected by the excavation patterns. As for the properties of concrete lining materials, occurrence of the longitudinal crack was mostly affected by the following three items: w/c ratio; contents of cement; and strength of lining. When estimating the lining thickness of the concrete lining by GPR tests and taking thickness effect into account in the statement assessment, it was concluded that increase of the index score by an average of 0.03 (ranging from 0.01 up to 0.071) is needed; a more realistic way of state assessment should be proposed in which the increased index score caused by lack of lining thickness should be taken into account.

Thirdly, lining thickness distribution and its behind state (particularly, its void state) were analyzed using the GPR survey data performed on 12 currently operating NATM tunnels. Results of GPR analysis showed that void areas were mostly detected between concrete lining and primary support, particularly, near the crown of the tunnels. The lining thickness in the left-hand side of the tunnel was different from that of the right-hand side by 8.6~253.5mm when measured in transverse direction. It was also found that longitudinal cracks were prevailed in the area lining thickness was sharply changed for three tunnels. Longitudinal thickness distribution at the crown was also studied and tested by performing 3 goodness-of-fit tests in order to find the most suitable thickness distribution. Normal and/or Weibull distribution (or similar distribution) fit most suitably to the measured data if the measured average thickness was larger than designed one; Gamma and/or Inverse Gauss distribution fit to the measured data reasonably well if the measured average thickness was less than the designed value of thickness. Since actual lining thickness can be a potential index when assessing the state and safety of the unreinforced NATM tunnel lining, measuring of the lining thickness with GPR survey might be needed rather than assuming the thickness is always constant and same with the designed value.

Finally, numerical analysis was carried out to investigate effect of the lining thickness variation on the stresses applied to the lining. It was found that the lining stresses were within the allowable limit in spite of the variation of lining thicknesses under the condition of self-weight loading. However, if additional loading is applied besides the self-weight load, such as loosing load induced from the adjacent ground, zones of tensional stresses did appear causing cracks in the concrete lining; these phenomena occurred more frequently adjacent to the thinner lining thickness zones and/ or with the increase of the tunnel radius.