3차원 수치해석을 이용한 터널막장 전방 지반 상태의 예측

Rock mass includes natural discontinuities such as joints and faults during its formation. Discontinuities are also referred as planes of weakness because of their weak mechanical characteristics. In the design of underground structures, it is necessary to consider the properties of discontinuities to insure the stability. During the excavation of a tunnel, these discontinuities have to be identified as early as possible so that proper change in excavation method or support design can be made accordingly. The excavation of the tunnel in a stable rock mass causes a 3-dimensional arching effect around the excavation face. It was revealed by previous studies that the existence of a weak zone or a fault zone ahead of tunnel foe induces a typical displacement tendency of convergence. For better understanding of the meaning of influence/trend lines of various displacement components, three-dimensional numerical analyses were conducted while varying deformation moduli, thicknesses and orientations of discontinuities. Numerical results showed that the changes in influence/trend lines of various displacement components were very similar to those by measurements. The discrepancies from the expected values were dependent on the physical properties, thicknesses and orientations of discontinuities. 암반은 지각을 형성하는 암석의 집합체로서 지질학적인 생성 과정에서 단층, 절리 등의 역학적 불연속면을 포함하고 있다. 이러한 불연속면은 구조상 매우 취약하므로 지하 암반구조물의 안정성을 확보하기 위해서는 불연속면의 특성을 고려한 설계가 필수적이며, NATM터널 시공 시에는 이러한 불연속면을 가능한 빨리 확인하여 굴착공법 및 지보체계의 변경이 조속히 이루어져야 한다. 지하 암반 중에 터널을 굴착하게 되면, 터널 막장면을 포함한 무지보 굴착면 주위에 발생하는 3차원적 응력 전이 현상으로 인하여 막장 전방에 연약대가 존재하거나 파쇄대가 존재하는 경우에 터널의 내공 변위가 특정한 경향을 나타내는 것이 기존 연구 결과로 알려져 있다. 막장 전방의 불연속면 상태에 따른 내공변위 경향을 알아보기 위하여 막장 전방에 존재하는 불연속면의 변형계수, 두께, 방향성 등을 변화시켜가며 3차원 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과에서 다양한 변위성분의 영향선과 경향선의 변화가 실제 측정값들과 비슷하다는 것을 알 수 있었으며 불연속면의 물성, 두께, 방향성에 따라 값의 변화 정도가 달라지는 것으로 나타났다.