본문 바로가기
KERD
논문KCI 등재

3차원 유한요소해석을 통한 shield TBM 터널 근접시공에 의한 인접 단독말뚝의 거동에 대한 연구

A study on the behaviour of pre-existing single piles to adjacent shield TBM tunnelling from three-dimensional finite element analyses

전상준|이철주|전영진|전승찬
사단법인 한국터널지하공간학회 (Korean Tunnelling and Underground Space Association)|2020.01|한국터널지하공간학회 논문집 (Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association)|제22권 제1호|pp. 23-46|DOI https://doi.org/10.9711/KTAJ.2020.22.1.023

0

조회

0

다운로드

3

인용

0

참고문헌

키워드

방수쉴드 TBMShield TBM세그먼트 라이닝Segment lining수팽창지수재지수재 배열수Hydrophilic rubber waterstopNumber of layer of waterstopWaterproofing
주제분류토목공학

초록

본 연구에서는 터널 근접 시공으로 인한 기 존재 단독말뚝의 공학적 거동을 파악하기 위하여 터널로부터 말뚝선단의 이격거리와 막장압의 변화를 고려한 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 수치해석에서는 터널 막장압을 고려하여 말뚝의거동을 분석하였으며, 터널굴착으로 유발되는 지반침하, 말뚝두부침하, 말뚝축력 및 말뚝-지반 사이의 경계면에서 발생하는 전단응력을 고찰하였다. 말뚝이 터널 크라운(crown) 바로 상부에 위치하고 말뚝선단까지의 수직 이격거리가0.25D (여기서, D는 터널직경)인 경우 초기 응력의 50%에 해당하는 막장압을 적용할 경우 25%의 막장압을 적용한 것과 비교한 결과 말뚝두부의 침하가 약 38% 감소하였다. 또한, 막장압의 크기가 작을수록 지반침하, 말뚝의 축력 및 말뚝-지반 사이에서 발생하는 전단응력이 증가하며, 말뚝이 터널굴착 영향권 밖에 존재할 경우 말뚝에는 압축력 형태의 축력이 발생하였다. 따라서 막장압의 크기 및 터널-말뚝선단의 상대위치는 지반 침하와 말뚝 침하에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 본 연구에서 수행된 연구결과의 경우 기존에 보고된 연구결과를 바탕으로 비교분석을 실시하였으며, 터널굴착으로 인한 말뚝의 거동을 심도 있게 분석하였다.

Abstract

In the current work, a series of three-dimensional finite element analyses have been carried out to understand the behaviour of pre-existing single piles to adjacent tunnelling by considering the tunnel face pressures and the relative location of pile tips with respect to the tunnel. The numerical modelling has analysed the effect of the face pressures on the pile behaviour. The analyses concentrate on the ground settlements, the pile head settlements, the axial pile forces and the shear stress transfer mechanism at the pile-soil interface. The head settlements of the pile (the vertical distance between the pile and the tunnel: 0.25D, where D is the tunnel diameter) directly above the tunnel crown with the face pressure 50% of the in-situ horizontal soil stress at the tunnel springline decreased by about 38% compared to corresponding settlements with a face pressure 25% of the in-situ horizontal soil stress at the tunnel springline. Furthermore, it was found that the smaller the face pressure, the larger the tunnelling-induced ground movements and the axial pile forces were and the higher the degree of the shear strength mobilisation at the pile-soil interface. When the piles were outside the tunnel influence zone, compressive pile forces were developed due to tunnelling. It has been found that the ground settlements and the pile settlements are heavily affected by the face pressures and the position of the pile tip relative to the tunnel. In addition, the computed results have been compared with relevant studies previously reported in literature. The behaviour of the piles has been extensively examined and analysed by considering the key features in great detail.

참고문헌 (43)

  1. 안창균, "쉴드 TBM 뒤채움압 산정 및 침하영향에대한 수치해석적 연구", 한국터널지하공간학회 논문집, 20(2), pp.269~286 (2018), 사단법인 한국터널지하공간학회[DOI]
  2. Bolton, M.D., "A guide to Soil Mechanics", pp.313~ (1991), M D & K Bolton
  3. Brinkgreve, R. B. J., "Reference manual, Plaxis 3D 2015 User’s Manual", 1~284 (2015)
  4. Cheng, C. Y., "Finite element analysis of tunnel-soil-pile interaction using displacement controlled model", Tunnelling and Underground Space Technology, 22(4), pp.450~466 (2007)
  5. 조원섭, "단층파쇄대 규모 및 조우 조건에 따른 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 특성 분석", 한국터널지하공간학회 논문집, 16(4), pp.403~415 (2014), 사단법인 한국터널지하공간학회
  6. 조원섭, "뒷채움 주입 거리에 따른 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 특성 분석", 한국터널지하공간학회 논문집, 16(2), pp.213~224 (2014), 사단법인 한국터널지하공간학회[DOI]
  7. Davisson, M. T., "High capacity piles", Proceedings of Lecture Series in Innovations in Foundation Construction, pp.81~112 (1972), ASCE
  8. Dias, T. G. S., "Pile tunnel interaction: Literature review and data analysis", Proceedings of the ITA World Tunnel Congress 2014, Iguassu Falls, pp.1~10 (2014)
  9. Dias, T. G. S., "Pile-tunnel interaction: A conceptual analysis", Proceedings of the 8th International Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, pp.251~255 (2014), CRC Press
  10. Feng, S. H., "Centrifuge modelling of pile responses due to tunnelling", Proceedings of the The 15th KKCNN Symposium on Civil Engineering, pp.201~206 (2002)
  11. Hartono, E., "Physical Modelling in Geotechnics", pp.833~838 (2014)
  12. Hong, Y., "Settlement and load transfer mechanism of pile group due to side-by-side twin tunnelling", Computers and Geotechnics, 64, pp.105~119 (2015)
  13. Jacobsz, S. W., "The effects of tunnelling on piled foundations", Ph.D., pp.2002
  14. Jacobsz, S. W., "Centrifuge modelling of tunnelling near driven piles", Soils and Foundations, 44(1), pp.49~56 (2004)
  15. 전영진, "막장압의 크기를 고려한 Shield TBM 터널 근접시공이 단독말뚝의 거동에 미치는 영향에 대한 연구", 한국터널지하공간학회 논문집, 20(6), pp.1003~1022 (2018), 사단법인 한국터널지하공간학회[DOI]
  16. 전영진, "터널근접시공에 의한 기 존재하는 인접말뚝의 거동에 지반보강이 미치는 영향에 대한 연구", 한국터널지하공간학회 논문집, 19(3), pp.389~407 (2017), 사단법인 한국터널지하공간학회[DOI]
  17. 전영진, "말뚝의 횡방향 이격거리를 고려한 터널굴착이 인접 단독말뚝 및 군말뚝에 미치는 영향에 대한 연구", 한국터널지하공간학회 논문집, 17(6), pp.637~652 (2015), 사단법인 한국터널지하공간학회
  18. 전영진, "견고한 점토층에서 실시된 터널근접시공으로 인한 단독말뚝의 거동에 대한 연구", 한국지반환경공학회 논문집, 16(6), pp.13~22 (2015), 한국지반환경공학회[DOI]
  19. Kaalberg, F. J., "Dutch research on the impact of shield tunneling on pile foundations", Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, Proceedings of the 5th International Conference of TC28 of the ISSMGE, pp.123~131 (2005)
  20. Lee, C. J., "Three-dimensional numerical analyses of the response of a single pile and pile groups to tunnelling in weak weathered rock", Tunnelling and Underground Space Technology, 32, pp.132~142 (2012)
  21. 이철주, "사용 중인 단독 및 군말뚝의 측면에서 실시된 터널굴착으로 인한 말뚝의 거동", 한국터널지하공간학회 논문집, 14(4), pp.337~356 (2012), 사단법인 한국터널지하공간학회[DOI]
  22. 이철주, "풍화암에서 실시된 터널굴착으로 인한 단독말뚝 및 군말뚝의 거동", 대한토목학회 논문집C, 32(5), pp.199~210 (2012), 대한토목학회
  23. Lee, C. J., "Responses of single piles to tunnelling-induced soil movements in sandy ground", Canadian Geotechnical Journal, 44(10), pp.1224~1241 (2007)
  24. 이철주, "말뚝선단의 위치가 터널근접 시공에 의한 말뚝의 거동에 미치는 영향에 대한 연구", 한국터널지하공간학회 논문집, 17(2), pp.91~105 (2015), 사단법인 한국터널지하공간학회
  25. Lee, C. J., "The influence of tunnelling on the behaviour of pre-existing piled foundations in weathered soil", Geomechanics and Engineering, 11(4), pp.553~570 (2016)
  26. Lee, J. H., "Behavior of the superstructure subjected to TBM tunnel excavation sequence", Proceedings of the KSCE 2012 Convention Conference & Civil EXPO, pp.1334~1337 (2012)
  27. 이용주, "기존 파일기초에 근접한 터널굴착으로 인한 전단변형률 형성에서의 경계선", 한국터널지하공간학회 논문집, 10(3), pp.283~293 (2008), 사단법인 한국터널지하공간학회
  28. Liu, C., "Pile and pile group response to tunnelling using a large diameter slurry shield-Case study in Shanghai", Computers and Geotechnics, 59, pp.21~43 (2014)
  29. Mair, R. J., "The influence of tunnelling and deep excavation on piled foundations", Proceedings of the Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, pp.21~30 (2014)
  30. Marshall, A. M., "Tunnelling in sand and its effect on pipelines and piles", Ph.D., pp.2009
  31. Mroueh, H., "A simplified 3D model for tunnel construction using tunnel boring machines", Tunnelling and Underground Space Technology, 23(1), pp.38~45 (2008)
  32. Ng, C. W. W., "Effects of the construction sequence of twin tunnels at different depths on an existing pile", Canadian Geotechnical Journal, 51(2), pp.173~183 (2014)
  33. Ng, C. W. W., "Three-dimensional centrifuge modelling of the effects of twin tunnelling on an existing pile", Tunnelling and Underground Space Technology, 35, pp.189~199 (2013)
  34. Ng, C. W. W., "Three-dimensional centrifuge modelling of pile group responses to side-by-side twin tunnelling", Tunnelling and Underground Space Technology, 43, pp.350~361 (2014)
  35. Pang, C. H., "The effects of tunnel construction on nearby pile foundation", Ph.D., pp.2006
  36. Plaxis 3D, "Reference manual, Plaxis 3D User’s Manual", ~ (2018)
  37. Selemetas, D., "The response of full-scale piles and piled structures to tunnelling", Ph.D., pp.2005
  38. Selemetas, D., "Response of full-scale piles to EPBM tunnelling in London Clay", Géotechnique, 67(9), pp.823~836 (2017)
  39. Selemetas, D., "The response of full-scale piles to tunnelling", Proceedings of the International Symposium on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground, pp.763~769 (2005)
  40. Soomro, M. A., "Lateral behaviour of a pile group due to side-by-side twin tunnelling in dry sand: 3D centrifuge tests and numerical modelling", Computers and Geotechnics, 101, pp.48~64 (2018)
  41. Williamson, M.G., "Tunnelling effects on bored piles in clay", Ph.D., pp.2014
  42. Xu, Q., "A case history of shield tunnel crossing through group pile foundation of a road bridge with pile underpinning technologies in Shanghai", Tunnelling and Underground Space Technology, 45, pp.20~33 (2015)
  43. 유광호, "쉴드 TBM 터널의 gap parameter와 뒤채움재를 고려한 수치모델링 방법에 대한 연구", 한국터널지하공간학회 논문집, 19(5), pp.799~812 (2017), 사단법인 한국터널지하공간학회[DOI]

관련 논문AI추천

막장압의 크기를 고려한 Shield TBM 터널 근접시공이 단독말뚝의 거동에 미치는 영향에 대한 연구김정섭, 박병수, 이철주, 전상준, 전승찬, 전영진사단법인 한국터널지하공간학회 · 한국터널지하공간학회 논문집2018 · 제20권 제6호Shield TBM 터널시공으로 유발된 말뚝선단의 변형이 말뚝거동에 미치는 영향에 대한 연구박병수, 이철주, 전영진, 최영남사단법인 한국터널지하공간학회 · 한국터널지하공간학회 논문집2024 · 제26권 제3호말뚝선단의 위치가 터널근접 시공에 의한 말뚝의 거동에 미치는 영향에 대한 연구이철주, 전영진사단법인 한국터널지하공간학회 · 한국터널지하공간학회 논문집2015 · 제17권 제2호말뚝의 횡방향 이격거리를 고려한 터널굴착이 인접 단독말뚝 및 군말뚝에 미치는 영향에 대한 연구김성희, 이철주, 전영진사단법인 한국터널지하공간학회 · 한국터널지하공간학회 논문집2015 · 제17권 제6호사용 중인 단독 및 군말뚝의 측면에서 실시된 터널굴착으로 인한 말뚝의 거동이철주사단법인 한국터널지하공간학회 · 한국터널지하공간학회 논문집2012 · 제14권 제4호Open face 터널시공으로 인한 단독말뚝의 거동이철주사단법인 한국터널지하공간학회 · 한국터널지하공간학회 논문집2012 · 제14권 제5호

이 간행물의 다른 논문 (8건)

폐광산 지반의 역학적 특성 추정을 위한 최적설계 기법에 관한 연구문현구, 정혁상, 박성현, 김영수, 손민pp. 1-21쉴드 TBM 세그먼트 지수재의 배열수 변화에 따른 방수성능 평가정훈, 이석원, 김범주, 정경한, 함수권pp. 47-58부본선 건설을 위한 기존 지하철 터널의 운영 중 확폭 방안에 대한 기초연구이효범, 윤희택, 이나현, 최항석, 전종훈, 고성일pp. 59-76수중터널 지반 접속부 안정성 확보를 위한 터널 설계에 대한 수치해석적 연구조계춘, 강석준pp. 77-89Shield TBM 챔버 내 mixing bar 교반 효율에 대한 기본연구김상환, 안준규, 조성우, 이경헌, 황병현, 김연덕pp. 91-105
원문 보기