지반반응곡선과 지보재 압력

지반반응곡선의 정의

지반반응곡선은 터널 굴착 후 내공변위에 따라 지반의 내압이 줄어드는 과정을 나타낸 곡선이다.

가로축은 계측으로 쉽게 재는 내공변위, 세로축은 굴착면에 작용하는 지반 내압이다.

이 곡선으로 지보재를 언제, 얼마나 강하게 설치할지 판단하는 근거를 얻는다.

그래프의 축

가로축은 굴착 후 벽면이 중심 쪽으로 움직인 양인 내공변위다.

세로축은 굴착면을 향해 지반이 되받는 내압이다.

내공변위가 커지면 지반 내압은 줄어든다. 이 관계가 곡선의 모양을 만든다.

탄성과 소성 구간

굴착 직후 지반이 탄성 상태이면 내공변위가 커질수록 막는 압력이 줄어든다.

응력이 강도를 넘어 항복한 영역을 소성영역이라 한다. 소성영역이 생기면 곡선이 완만해진다.

곡선이 꺾이는 점은 소성영역이 생기기 시작하는 시점을 뜻한다.

평형점과 지보 압력

지반반응곡선과 지보재 특성곡선을 같은 좌표에 겹쳐 그린다.

두 곡선이 만나는 교점을 평형점이라 한다. 지보재가 받는 압력과 변위가 여기서 정해진다.

교점에서는 지반과 지보재의 힘이 평형을 이루어 내공변위가 멈춘다.

지보 설치 시기

지보를 언제 설치하느냐에 따라 교점의 위치, 즉 지보 압력이 달라진다.

막장 가까이에서 빨리 설치하면 변위가 작을 때 지보가 힘을 받아 압력이 커진다.

설치가 늦어 변위가 이미 커지면 지반이 응력을 풀어 지보 압력은 작아진다.

이 원리가 숏크리트 타설과 록볼트 설치 시기를 조절하는 근거가 된다.

계측과 록볼트 추가 시공 기준

정답은 작아진다. 변위가 이미 커진 뒤 설치하면 지반이 응력을 풀어 지보 압력이 줄어든다.

계측 결과가 예측 범위를 벗어나면 록볼트 추가, 지보 강성 증가 등으로 보강한다.

표준안전 작업지침은 벽면 변형이 록볼트 길이의 약 6% 이상이면 추가 시공을 판단하게 한다.

계측 항목은 내공변위, 천단침하, 지중·지표침하, 록볼트 축력, 숏크리트 응력이다.

헷갈리는 점과 정리

헷갈리기 쉬운 첫 번째는 세로축을 변위로 잘못 쓰는 실수다.

가로축은 내공변위, 세로축은 지중 내압이어야 한다.

두 곡선을 따로 그리면 교점의 의미를 설명할 수 없다. 반드시 같은 좌표에 겹쳐 그린다.

정리하면 평형점에서 지보압과 변위가 정해지고, 설치 시기가 변위와 지보 효과를 좌우한다.