Using underground space has been an attractive option, especially for urban areas. Construction of underground structures in cities is bound to have existing structures adjacent. Therefore, predicting and mitigating damage caused by tunneling-induced ground movements is an important goal for designing underground facilities. On the other hand, the shield TBM (Tunnel Boring Machine) is a tunnel construction method that simultaneously advances and supports the face and excavated wall. It mechanically excavates, generating less vibration, noise, and dust than the conventional blasting method, so the application of shield tunneling is gradually expanding in urban areas. However, the ground settlement caused by shield tunneling has been evaluated by performing numerical analysis on the site before construction and applying a simple empirical formula. Thus, developing an algorithm that can predict the ground settlement induced by shield tunneling variables during construction is necessary.
In this dissertation, the ground settlement induced by tunneling is considered to be caused by excavation and controlled by supporting, so it is tried to investigate how the support system of shield tunneling affects the surrounding ground, how much the surrounding ground transfers the ground loss to the surface, and how much ground settlement occurs in what form. For this purpose, the ground movements for a circular tunnel excavation with supporting pressure were first understood by deriving an analytical closed-form exact solution in a two-dimensional linear elastic half-plane. As a result, it was found that the analytical solution with the internal support pressure is more suitable for simulating the settlement troughs than the solution with the conventional gap parameters, and it required to analyze both the support pressure and deformation of supporting material for the settlement induced by construction variables of shield tunneling. Then, the three-dimensional elasto-plastic behavior of the ground and shield tunneling sequence were numerically simulated to develop a field-applicable surface settlement prediction algorithm. For the shield TBM support system consisting of face pressure, slurry injection for over-excavation, and grout injection for tail voids, the settlement affected by pressure and stiffness of support materials were quantitatively analyzed by numerical parametric studies. The ground-support loss was introduced based on the results, which is the weighted ground loss by the investigated support mechanism of shield tunneling. In addition, ground correction coefficients were introduced to the ground-support loss for each stage to derive the maximum surface settlement according to construction variables, and a settlement prediction program was developed and applied to the construction fields. Furthermore, the ground settlement evaluation method using centrifuge testing was proposed to predict and control ground settlement induced by groundwater inflow and particle loss, which are governed by complex and independent geological factors and geotechnical factors.
도심지에서는 주거지 및 기반시설물이 밀집되어 지하 공간 활용의 필요성이 점차 증대되고 있으며, 도심지 지하 구조물의 건설은 인접한 지표 및 지중 구조물에 끼치는 영향을 사전에 예측하고 억제할 필요가 있다. 한편, 쉴드 TBM은 막장면과 주면을 동시에 지보하며 굴진하는 공법으로, 기계식 굴착을 통해 기존의 재래식 발파공법보다 적은 진동, 소음, 분진 등을 발생시켜 도심지에서의 적용이 점차 확대되고 있다. 하지만 쉴드 TBM 시공에 의한 지반침하에 대해 시공 이전에 해당 현장에 대한 수치해석을 수행하고 간단한 경험식을 적용하여 침하를 평가하고 있는 실정이다. 따라서 쉴드 TBM 시공 변수에 의한 지반침하를 시공 중에 예측할 수 있는 알고리즘을 개발할 필요가 있다.
본 논문에서는 터널 시공에 의한 지반침하에 대해, 굴착에 의해 유발되어 지보에 의해 억제된다고 판단하였고 이에 따라 쉴드 TBM 지보 방법이 주변 지반에 어떤 영향을 끼치는지, 주변 지반은 발생한 지반 손실을 얼마나 지표에 전달하는지, 그리고 지표의 침하는 어떤 형태로 얼마나 발생하는지를 규명하고자 하였다. 이를 위해 먼저 원형 터널 굴착면에 지보압을 가하였을 때의 지반 거동에 대해 이차원 탄성 매질에서의 해석적 엄밀 해를 도출하여 이해하고자 하였다. 그 결과, 기존의 갭 파라미터를 부여한 해석 해보다 지보압 가압 조건을 부여한 해가 침하 형상 모사에 더 적합하다는 것을 확인하였고, 이를 통해 시공 변수들의 침하 영향에 대해 지보압과 지보재의 변형을 함께 분석할 필요가 있음을 알 수 있다. 현장 적용 가능한 침하 예측 알고리즘을 개발하기 위해 지반의 삼차원 탄소성 거동 및 쉴드 TBM 굴착을 수치해석적으로 모사하였다. 막장압, 과굴착에 대한 슬러리 주입, 그리고 테일 보이드에 대한 그라우팅재 주입으로 구성된 쉴드 TBM 지보 시스템에 대해서 매개변수 해석을 통해 각 지보재별로 주입압력과 지보강성의 침하 영향을 정량적으로 분석하였고, 이를 기반으로 지보 메커니즘에 의해 평가된 지반 손실인 지반-지보 손실을 도출하였다. 또한, 각 단계별 지반-지보 손실에 지반보정계수를 도입하여 시공 변수에 따른 지표최대침하량을 도출하였고, 이를 기반으로 침하예측 프로그램을 제작하여 시공 현장에 적용하였다. 추가로, 지반공학적인 변수들뿐만 아니라 지질학적 요인에 지배적인 영향을 받는 지하수 유입 및 입자 유실로 인한 지반침하를 시공 이전에 예측하여 제어하기 위하여 원심모형실험 기법을 활용한 입자 유실 및 지반침하 평가 방법을 제안하였다.
