Developed cities given the currently increased population and a lack of ground space have led to the burying of supply facilities. Therefore, utility tunnels and electric power tunnels have steadily been installed. Thereby, it is possible to improve urban aesthetics, removal of road transportation failure factors and to meet future demand on the supply while also preventing disasters and well maintaining by high supply reliability levels.
Utility tunnels and electric power tunnels have been used in Korea since the 1970s, and the length of the each tunnel is more than 330km. However, 76% of utility tunnels and 42% of electric power tunnels are installed over 20 years ago. Therefore, the problems of concrete deterioration and increased capacity demand have recently surfaced.
Extending the life times of structures by remodeling and offering improved performance through enlarged internal spaces is required. Therefore, tunnel widening has been proposed. Tunnel widening can be accomplished by both of open cut and excavation methods. Allowing for problems associated with open cut methods. Such as traffic problems and adjacent construction appraisals, the widening of an existing tunnel by means of an excavation method is considered as an appropriate solution.
Although there are widening construction practices in japan and Europe, targets are limited to only railway and road tunnels. Construction data covering box-type, shallow tunnels are not obtainable. Research on the tunnel widening of utility tunnels is incomplete compared to the need for this type of construction. Therefore, the aim of this study is to review tunnel widening construction practices for application to box-type, shallow tunnels to find appropriate methods for these cases and to investigate ground behaviors during and after tunnels widening operations by means of a numerical analysis
Two- and three-dimensional finite element analyses were conducted to evaluate displacement and stress changes using MIDAS GTS/NX. The analyses are carried out for various ground conditions and the aging of lining while also different widened sizes. In addition, ground behaviors during sequential excavation processes were evaluated. In order to compare these results, the relative stiffness metric is used.
As a result, the ground behavior during and after the widening of box-type shallow utility tunnels considering the widened size and the ground conditions is investigated, and relationship between subsidence and stress changes is clarified. It is expected. It is expected that these results can be applied during tunnel widening construction processes.
도심의 발달과 더불어 부족한 지상 가용면적의 대안으로 공급시설의 매설이 이루어져왔고, 여러 지중 공급시설을 공동 수용할 수 있는 공동구 및 전력구가 꾸준히 설치되고 있다. 이로서 도시미관 향상, 도로교통 장애요인 제거, 장기 공급 수요에 대한 탄력적인 대응과 더불어 재해예방 및 유지관리, 지하공간의 효율적 활용 등 사회 경제적인 경쟁력을 갖추게 되었다.
국내의 경우 공동구와 전력구는 1970년대를 시초로 각기 300km이상의 연장을 이루고 있다. 다만 도심개발의 역사가 깊어짐에 따라 설치 후 20년에 경과한 시설이 공동구 총 연장의 75.7%, 전력구의 경우 41.8%에 이르렀고 노후, 열화로 인한 시설물 안전, 시설 낙후와 좁은 수용공간으로 인한 공급량 제한 등의 문제가 제기되고 있다.
이와 같이 공동구, 전력구와 같은 터널형 도심설비의 수명연장 및 성능개선이 요구되는 가운데, 기존터널의 내공확장을 통한 문제해결이 제안되었다. 터널 내공의 확장 시공법으로 개착공법, 굴착공법이 있으나, 반복 개착으로 인한 교통마비, 도시 구조물로 인한 개착 불가 등의 사유로 지중 굴착에 의한 확장 기술이 요구된다. 한편 기존터널 내공확장, 소위 확폭 기술은 유럽 및 일본에서 시공한 사례가 있으나, 그 대상이 철도터널, 도로터널로 한정되어 개착실 설비가 많은 박스형 저심도의 조건에서는 그 사례를 찾을 수 없다.
저심도 박스형 터널을 대상으로 한 확폭의 필요성이 제고되는 가운데, 유사 시공사례 또는 관련 연구가 매우 미비한 실정으로, 본 연구에서는 문헌조사와 더불어 관련 이론을 정리하였으며, 도로 및 철도터널을 대상으로 하던 확폭 공법을 분류하여 박스형 터널에 적용였고, 이를 바탕으로 저심도에 개착식 박스형 터널에 적용하기 위한 확폭 공법을 검토하였다.
검토된 확폭 공법을 대상으로, 유한요소 해석프로그램을 활용하여 2차원 및 3차원 해석하였다. 확폭시 지표면 인접 구조물에 영향을 미칠 수 있는 지표침하와 구조물의 안정성을 판단할 수 있는 천단침하 및 터널 확폭시 지중응력의 변형을 중점적으로 분석하였으며, 느슨한 토사지반부터 경질의 암반까지 다양한 지반조건에서 해석을 실시함에 있어 터널 확폭의 규모를 달리하여 그 영향을 비교분석 하였고, 다양한 지반조건에서 지반거동양상을 비교하기 위하여 지반의 탄성계수간 비율을 나타내는 상대강성비를 적용한 해석을 실시하였다. 한편, 굴착단계의 영향을 분석하기 위하여 3차원 시공단계 해석을 실시하여 시공 스텝별 지반거동을 분석하였다. 그 결과, 지반의 조건, 확폭의 규모에 따른 지반 침하 및 응력변형의 관계를 규명하였으며 공법의 현장 적용시 지반 거동 양상 분석을 위한 본 연구 결과의 활용을 기대한다.
