기존 지하철정거장 하부 UPRS 공법 적용시 유한요소해석에 의한 안정 해석 및 관리 기준에 관한 연구
저자
발행사항
수원 : 경기대학교 대학원, 2020
학위논문사항
학위논문(박사)-- 경기대학교 대학원 : 도시방재학과 2020. 2
발행연도
2020
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
경기도
기타서명
FEM Analysis and Management Criteria in UPRS Method under Existing Subway Station
형태사항
xi, 78 p. : 삽도 ; 26 cm
일반주기명
경기대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
지도교수:이영생
참고문헌 : p. 72-74
UCI식별코드
I804:41002-000000054821
소장기관
서울의 도시철도망이 그물망 같이 연결되어 있고 기존 지하철망에서 추가로 남북간, 동서간 그리고 서울외곽의 주변 도시에서 서울의 도심으로 대량의 교통인구를 신속하게 수송하기 위하여 새로운 지하철 노선이 신설되고 있으며 앞으로 GTX A, B, C 노선이 건설될 예정으로 있어서 기존노선과의 정거장 환승을 위하여 기존 정거장 하부에 새로운 정거장의 건설은 불가피하다.
환승거리 단축을 위해 불가피하게 기존 정거장 하부를 굴착하여 그 하부에 정거장을 신설함에 있어서는 비개착공법으로의 시공은 피할 수 없는 선택이고 비개착공법은 강관 추진 방식에 의고 시행되며 사용하는 강관의 크기에 따라 소구경(직경 600mm∼800mm), 중구경(직경800mm∼1,000mm)과 대구경(직경 1,000mm 이상) 으로 추진 방식을 구분할 수 있다.
본 연구의 대상이 되는 공법은 강관 추진후 버팀대로 지지강성 확보 후 현장타설방식으로 기존 지하철 구조물을 횡단하는 UPRS 공법이다. 공법별 문제점과 장·단점이 있으나 그 중에 우수한 UPRS 공법을 선택하여 강관추진 진행 과정에 따른 변위, 내부 굴착에 따른 변위 및 강관의 응력변화, 하부 굴착에 따른 기존 지하철정거장 안정성에 미치는 결과를 파악하여 강관 추진시와 내부 굴착시 침하량이 3호선 지하철 궤도 유지관리 기준상의 허용 침하량과의 분석을 3D 해석과 2D 해석의 비교로 검토한 결과, 최대 침하량의 경우 2D 해석결과가 3D 해석에 비하여 다소 크게 값이 산출 되었으니 큰 차이를 보이지 않고 있는 것이 파악되었다. 따라서 모델링과 계산시간에 많은 시간과 노력이 소요되는 3D 해석 보다는 2D 해석을 수행하더라도 충분히 요구하는 정도의 성과를 도출해 낼 수 있을 것으로 판단된다.
UPRS 공법 적용에 대한 기존 연구 중 대심도(지하 20m), 확폭부(폭 25.7m)에서의 수치해석을 통한 연구로는 처음 검토 하는 사례로서, 지하철정거장 하부 UPRS 공법 적용으로 인한 구조물 안정성 검토시 허용응력 기준과, 구조물에 대한 허용 침하량 기준(25mm) 이하로 관리하여야 할 것이나 제일 중요한 것은 지하철 정거장 궤도에 대한 허용 침하량 기준(9mm) 이내 준수가 안정검토 수행시 결정적인 요소일 것으로 판단된다. 본 연구에서의 결과 값이 두 조건을 충족하나 계산상의 오차, 시공상의 부주의로 인하여 기준치 이상의 결과가 나오지 않도록 세심한 관리가 필요하다.
UPRS 공법 적용 후 내부 굴착과정은 1차 반단면 굴착 후 중간 버팀재 설치, 연이어 2차 반단면 굴착의 순서로 진행되는데, 단계별 굴착에 따른 침하 해석결과, 1차 굴착 단계 보다는 2차 굴착 단계에서 침하는 9%, 휨응력은 25% 전단응력은 20%가 큰 것으로 나타났다. 따라서 2차 굴착 작업 시 세심한 주의와 계측 등을 통한 안정 관리가 요구된다. 비개착 강관추진 완료 후 내부 굴착 시 굴착 단계별 최대 침하량과 응력의 변화추이를 검토하여 이때 발생되는 침하도 궤도 관리 기준을 충족하는지의 여부와 굴착시의 안정성 관리기준을 제시하여 안전사고 예방에 기여하고자 한다. UPRS 공법 적용 후 내부 1차 반단면 굴착 후 중간 버팀재를 설치하지 않을 경우에 대한 해석에서도 허용응력 기준과 정거장 궤도 허용 침하량 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 정거장 궤도 침하량의 경우 수치 해석결과의 오차 가능성과 지반조건, 현장조건의 불확실성 등을 감안한다면 여유가 충분치 않을 것으로 판단된다. 따라서 안정성 대비 차원에서 UPRS 공법 추진 시 철저한 계측관리 등 안전관리를 통해 건설재해를 사전 예방하고 향후 이에 대한 더 많은 연구, 검토를 수행함으로써 중간 버팀재의 역할, 설치 여부에 대한 타당성 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
As Seoul’s urban railway network is connected like a mesh, and new subway lines are added to the existing subway network to quickly transport a large traffic population between south and north, between east and west and from cities in the outskirts of Seoul to downtown Seoul, And GTX lines A, B and C are scheduled to be constructed, construction of new stations below existing stations for transfers to and from existing lines is inevitable.
When installing new stations by excavating below existing stations to reduce transfer distance, construction based on the non-open-cut method is an inevitable choice, and the non-open-cut method is implemented according to the steel pipe jacking method. The steel pipe jacking method is divided into the small-diameter (600mm ~ 800mm), medium-diameter (800mm ~ 1,000mm) and large-diameter (1,000mm or greater) jacking method.
The method that this study deals with is the UPRS (Upgraded Pipe Roof Structure) method, i.e. the cast-in-place method of securing stiffness with struts after steel pipe jacking, which traverses the existing subway structure. Different methods have different advantages and disadvantages, but among them, this study will select the UPRS method, an excellent non-open-cut method. The finite element displacement analysis, the finite element stress analysis, the displacement according to the steel pipe jacking process, the displacement according to internal excavation, the change in the stress of the steel pipe, and the influence of excavation below on the stability of existing subway stations were studied, and 3D and 2D analysis were compared to analyze the settlement during steel pipe jacking and internal excavation, and the allowable settlement according to the Line No. 3 subway rail maintenance standards. As a result, it was found that the 2D analysis assessed a slightly greater maximum settlement than the 3D analysis, but the difference was negligible. Accordingly, it is advisable to use the 2D analysis, which will be able to produce the required outcome, rather than the 3D analysis, which requires a lot of time and effort for modeling and calculation.
According to the studies based on the numerical analysis of the very deep section (20m underground) and the very wide section (25.7m wide) among studies of the UPRS method, during the review of the stability of structures due to the application of the UPRS method below subway stations, as the first case of review in this paper, it must be below the allowable stress standards and the allowable settlement standard (25mm) for structures. Most importantly, however, it is believed that compliance with the allowable settlement standard (9mm) for subway stations tracks will be a deciding factor during review of stability. The result values of this study satisfy the two conditions, but meticulous care is required to prevent results above the thresholds from occurring due to errors in calculation or negligence in construction.
As for the internal excavation after the UPRS method is applied, the middle struts will be installed after the first half section excavation, and the second half section excavation will be done. The analysis of settlement due to stage-by-stage excavation showed that the settlement was 9% greater, the bending stress was 25% greater and the shearing stress was 20% greater in the second excavation stage than in the first excavation stage. Accordingly, it will be necessary to manage stability through meticulous care and measurement during the second excavation. This study will contribute to prevention of safety accidents by reviewing changes in the maximum settlement and stress in each excavation stage during internal excavation after completion of the non-open-cut steel pipe jacking will be reviewed, and showing whether the settlement at this time satisfies the track management standards and presenting the standards for managing stability during excavation. The analysis of cases where the middle struts are not installed after the application of the UPRS method and the first internal half section excavation also revealed that the allowable stress standard and the allowable settlement standard for subway tracks were satisfied. In case of the settlement of station tracks, however, if the probable errors of the results of numerical analysis, and the uncertainty of soil conditions and site conditions are taken into consideration, it seems that there is no sufficient margin. Accordingly, it will be more advisable to prevent construction disasters through safety management, such as thorough measurement management when the UPRS method is used, to ensure stability, and conduct feasibility studies about the role and installation of middle struts by carrying out more researches and reviews.
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