지침 한국도로공사_설계실무자료집_2009년_8-4_개방형 터널 인버트(Invert) 도입방안
2024.02.28 14:35
8-4 개방형 터널인버트(Invert) 도입방안
기술심사처-2696
(2008. 12. 4)
Ⅰ. 검토배경
친환경적 갱구부 설치에 따라 토사부 개착터널이 증가추세이며,
토사부 개착터널에 설치되는 인버트(Invert) 규모 과다
현행 개착터널 인버트는 일률적으로 폐합 형태로 설계
- 개착터널 하부 지지력 및 침하 검토를 통하여 인버트 설치여부 결정
개착터널 하부 깎기부는 작업차량이나 다짐장비에 의해 지반물성치개량이 가능한 지역임을 감안하여 해석
- 지반 수준에 맞는 개량된 지반물성치 적용이 필요함
☞ 지반, 시공여건 등 설계조건에 따른 합리적인 구조해석 방안 제시로 안정성,
경제성있는 하부 인버트 형상 도출
Ⅱ. 현행 설계방법
해석단면
개착터널 기초부 안정해석에 의한 폐합인버트 설계
o 대부분의 경우 개량전의 원지반 상태의 물성치를 추정하여 안정해석
- 다짐에 의한 지반개선이 고려되지 않은 지반물성치 사용
o 지반조건 및 구조해석조건에 따른 지반반력과 허용지지력, 침하량 산정
- 허용침하량 이내 and 지반반력<허용지지력 ⇒ 인버트 미설치
- 허용침하량 초과 or 지반반력>허용지지력 ⇒ 폐합 인버트 설치
o 인버트 설치 조건시 휨모멘트에 저항할 수 있는 철근콘크리트 폐합단면 설계
문제점
o 개착터널 안정 해석시 지반반력 영향이 적은 부분까지 동일단면으로 보강
o 개방형 형태는 고려하지 않고 철근콘크리트 폐합형만으로 설계
→ 경제성 저하, 시공중 공사차량 통행 불편
Ⅲ. 설계방법 개선
목 적
다양한 형태의 인버트 도입과 불필요한 단면 축소를 통하여 경제성 향상
개선내용
o 『개방형 인버트』적용
- 안정성 검토 : 지점부 내․외측 저판을 점진적(0~1m)으로 연장시키면서 안정성 검토
- 인버트 적용 : 지반반력과 침하량이 허용지지력 및 허용 침하량을 만족하는 범위까지 철근콘크리트로 기초저판과 일체화되게 적용
o 구조 해석시 실제지반 및 시공조건에 맞는 지반 정수값 적용
- 가급적 지반조사에 의한 값을 적용하되 공사단계에서 작업차량이나 다짐장비에 의해
지반물성치를 상향시킬 수 있음을 감안하여 지반정수값 고려
☞ 개선 전․후 인버트 비교 “예시”
▶ 다양한 조건에 따른 해석 ”예” 『범용 해석프로그램 사용』
ⅰ) case2 : 내측저판 고정, 외측저판 길이증가
|
외측길이증가 |
반력 (kN/m2) |
변위 (m) |
허용지지력(kN/m2) |
허 용 침하량 (m) |
안정성 판정 |
|||||
|
c= 0kPa |
c= 10kPa |
c= 15kPa |
c= 0kPa |
c= 10kPa |
c= 15kPa |
침하량 검 토 |
||||
|
1.0m |
446 |
0.022 |
219 |
320 |
370 |
0.025 |
N.G |
N.G |
N.G |
O.K |
|
2.0m |
266 |
0.013 |
269 |
369 |
419 |
0.025 |
O.K |
O.K |
O.K |
O.K |
ⅱ) case3 : 내측저판 길이증가, 외측저판 1m 고정
|
내측길이증가 |
반력 (kN/m2) |
변위 (m) |
허용지지력(kN/m2) |
허 용 침하량 (m) |
안정성 판정 |
|||||
|
c= 0kPa |
c= 10kPa |
c= 15kPa |
c= 0kPa |
c= 10kPa |
c= 15kPa |
침하량 검 토 |
||||
|
1.0m |
447 |
0.024 |
269 |
369 |
419 |
0.025 |
N.G |
N.G |
N.G |
O.K |
|
2.0m |
438 |
0.025 |
319 |
417 |
469 |
0.025 |
N.G |
N.G |
O.K |
O.K |
Ⅳ. 기대효과
인버트 설치공사비 1,100천원/m/2차로 절감
o 현행방법 : 2,500천원/m, (편도2차로 터널기준, 폐합인버트 9.0m)
o 개선방법 : 1,400천원/m, (편도2차로 터널기준, 개방인버트 5.0m 경우)
인버트 설치공사중에도 작업차량통행이 가능하여 시공성 향상
Ⅴ. 적용방안
방침 수립이후 설계하는 터널
공사중인 터널은 공사주관부서의 판단에 따라 적용여부 결정.
※ 인버트(invert) 구조해석 결과 : 별첨
별첨
터널 인버트(Invert) 구조해석
□ 사용소프트웨어 : Midas-Civil
□ 재료 및 단면특성
o 재료 물성치
|
구 분 |
탄성계수(Eo, MPa) |
프와송비 |
지반반력계수 |
|
콘크리트 |
27,800 |
0.17 |
- |
|
지 반 |
3 |
- |
Kvo(Bv/30)-3/4 (Kvo=1/30×Eo) |
o 단면특성
|
폭(m) |
라이닝 두께(m) |
기초 두께(m) |
기초 폭(m) |
매개변수 |
|
13.15 |
0.40 |
0.9 |
4 |
인버트 길이 |
□ 해석을 수행한 인버트 내․외측 길이 변화
|
|
외측길이(m) |
|||
|
0 |
1 |
2 |
||
|
내측 길이(m) |
0 |
● |
● |
● |
|
1 |
● |
● |
|
|
|
2 |
● |
● |
|
|
|
3 |
● |
|
|
|
☞ 기본적으로 필요한 내측길이 2m 일 경우를 내측길이 0m로 간주함
□ 사용 element
▷ 라이닝 : beam element(요소수 28개)
▷ 기초저판 : beam element(mesh 간격 50cm)
▷ 지반 : 비선형 압축스프링(저판 element의 각 node에 적용)
□ 하중조건
o「콘크리트 구조설계기준」 (2007. 10, 건설교통부) 적용
|
case1 |
comb.U1 |
=1.4(D+F+Hv) |
|
|
case2 |
comb.U21 |
=1.2(D+F+(T1))+1.6(L+αH*Hv+Hh)+0.5(Lr or S or R) |
|
|
case3 |
comb.U22 |
=1.2(D+F+(T2))+1.6(L+αH*Hv+Hh)+0.5(Lr or S or R) |
|
|
case4 |
comb.U23 |
=1.2(D+F+(T3))+1.6(L+αH*Hv+Hh)+0.5(Lr or S or R) |
|
|
case5 |
comb.U24 |
=1.2(D+F+(T1+T2))+1.6(L+αH*Hv+Hh)+0.5(Lr or S or R) |
|
|
case6 |
comb.U25 |
=1.2(D+F+(T2+T3))+1.6(L+αH*Hv+Hh)+0.5(Lr or S or R) |
|
|
case7 |
comb.U26 |
=1.2(D+F+(T1+T3))+1.6(L+αH*Hv+Hh)+0.5(Lr or S or R) |
|
|
case8 |
comb.U27 |
=1.2(D+F+(T1+T2+T3))+1.6(L+αH*Hv+Hh)+0.5(Lr or S or R) |
최대값 |
|
case9 |
comb.U3 |
=1.2D+1.6(Lr or S or R)+(1.0L or 0.65W) |
|
|
case10 |
comb.U4 |
=1.2D+1.3W+1.0L+0.5(Lr or S or R) |
case9 same |
|
case11 |
comb.U5 |
=1.2*D+1.0E+1.0L+0.2S |
case9 same |
|
case12 |
comb.U61 |
=1.2(D+F+(T1))+1.6(L+αH*Hv+Hh)+0.5(Lr or S or R) + 0.8Hh |
반토압적용 |
|
case13 |
comb.U62 |
=1.2(D+F+(T2))+1.6(L+αH*Hv+Hh)+0.5(Lr or S or R) + 0.8Hh |
반토압적용 |
|
case14 |
comb.U63 |
=1.2(D+F+(T3))+1.6(L+αH*Hv+Hh)+0.5(Lr or S or R) + 0.8Hh |
반토압적용 |
|
case15 |
comb.U64 |
=1.2(D+F+(T1+T2))+1.6(L+αH*Hv+Hh)+0.5(Lr or S or R) + 0.8Hh |
반토압적용 |
|
case16 |
comb.U65 |
=1.2(D+F+(T2+T3))+1.6(L+αH*Hv+Hh)+0.5(Lr or S or R) + 0.8Hh |
반토압적용 |
|
case17 |
comb.U66 |
=1.2(D+F+(T1+T3))+1.6(L+αH*Hv+Hh)+0.5(Lr or S or R) + 0.8Hh |
반토압적용 |
|
case18 |
comb.U67 |
=1.2(D+F+(T1+T2+T3))+1.6(L+αH*Hv+Hh)+0.5(Lr or S or R) + 0.8Hh |
반토압적용 |
|
case19 |
comb.U7 |
=0.9D+1.3W+1.6(αH*Hv+Hh) |
case19 same |
|
case20 |
comb.U8 |
=0.9D+1.0E+1.6(αH*Hv+Hh) |
|
|
Load |
Unit |
memo |
|
D |
tonf |
Dead load |
|
Hv |
m |
수직이완하중 |
|
Hh |
m |
수평이완하중 |
|
T1 |
℃ |
계절별온도하중 |
|
T2 |
℃ |
내외면온도차 |
|
T3 |
℃ |
건조수축 |
|
F |
tonf |
Flow |
|
Load |
Unit |
memo |
|
S |
tonf |
Snow |
|
R |
tonf |
Rain |
|
Lr |
tonf |
Live roof |
|
W |
tonf |
Wind |
|
E |
tonf |
Earthquake |
|
L |
tonf |
Live |
|
h |
m |
토피 |
☞ 경계요소를 비선형 스프링 element로 적용했으므로 하중중첩을 할 수 없음.
따라서 모든 하중case를 각각 별개의 하중계수로 구성하여 해석 수행함.
□ 해석모델
□ 해석결과
- 해석수행결과 최대연직변위와 최대반력이 산정된 하중case8에 대하여 정리함.
|
구 분 |
내측0m 외측0m (I0, O0) |
내측1m 외측0m (I1, O0) |
내측2m 외측0m (I2, O0) |
내측3m 외측0m (I3, O0) |
내측0m 외측1m (I0, O1) |
내측1m 외측1m (I1, O1) |
내측2m 외측1m (I2, O1) |
내측0m 외측2m (I0, O2) |
|
최대변위 (mm) |
30 |
34 |
37 |
39 |
22 |
24 |
25 |
13 |
|
최대반력 (KN/㎡) |
732 |
705 |
683 |
669 |
446 |
447 |
438 |
266 |
☞ 해석결과도
