이완하중 (Terzaghi 암반하중)

이완하중의 정의

이완하중은 터널을 파면 주변 암반이 풀려 지보재에 걸리는 연직 하중이다.

풀린 암반의 무게를 라이닝과 지보재가 떠받는다. 이것이 이완하중이다.

연직 이완하중은 암반의 단위중량 γ와 이완고 Hp의 곱으로 구한다.

아칭과 이완영역

굴착 직후 천단부 암반은 처지려 하고, 주변 암반이 힘을 옆으로 전달한다.

힘을 전달하는 구간이 아칭 영역이다. 아칭 안쪽에서 지지를 잃은 암반이 이완영역이다.

아칭 효과가 살아 있으면 라이닝에 전달되는 하중은 줄어든다.

하중을 정하는 세 요인

이완하중의 크기는 세 가지로 결정된다.

첫째는 이완영역의 높이와 폭, 둘째는 암반 강도와 불연속면, 셋째는 굴착 방법과 지보 시점이다.

이 세 요소가 나빠질수록 하중은 커진다.

과굴착 범위

발파로 설계선 밖의 암반이 깨지면 이완영역이 넓어진다. 이것이 과굴착이다.

블록성 암반에서 Terzaghi가 제시한 최대 예상 과굴착 범위는 0.25B에서 1.1(B+ht)까지다.

B는 터널 폭, ht는 터널 높이다. 이 범위는 이완 블록의 크기를 가늠하는 기준으로 쓰인다.

계산 예제

가상의 블록성 암반 터널에서 폭 B는 10m, 높이 ht는 8m라고 하자.

상한은 1.1(B+ht)로, 하한은 0.25B로 구한다.

상한을 직접 계산해 보자.

흔한 실수

앞 문제의 정답은 상한 19.8m이고, 하한은 2.5m다.

첫째, Terzaghi 이완하중을 모든 지반에 적용하는 것은 실수다.

둘째, 수평 층상암반의 이완하중은 수직 층상암반보다 크다. 대소 관계를 답안에 쓴다.

셋째, 발파 손상은 암반 강도를 낮춰 이완하중을 키운다.

넷째, 지보가 늦으면 이완영역이 위로 진행해 아치가 올라간다.

정리와 직접 풀기

이완하중은 터널 굴착 후 지보재에 걸리는 연직 하중이다.

산정은 암반상태 분류에 따라 방법을 달리하고, 발파 손상과 지보 시점을 반영한다.

블록성 암반의 과굴착 범위는 0.25B에서 1.1(B+ht)까지다. 지보 지연 시 아치가 어떻게 되는지 직접 풀어 보자.