[토질 및 기초 기술사] 137회 1교시 기출문제 2번

2. 터널 심도에 따른 최대 및 최소 수평주응력

 

Ⅰ. 개요

- 터널 굴착 전 지중에 존재하는 초기응력은 연직응력(σv)과 수평응력( σh)으로 구분된고, 수평응력은 방향에 따라 최대 수평주응력( σH,max)과 최소 수평주응력( σh,min)으로 나뉘며, 심도 및 지각 변동에 따라 그 크기가 변화함

Ⅱ. 심도에 따른 수평주응력의 분포 특성

1) 연직응력(σv): 토피고(H)와 단위중량(γ)에 비례하여 선형적으로 증가 (σv = γ x H)

2) 수평응력(σh): 측압비(K)를 통해 산정 (σh = K x σv).

3) 심도별 측압비(K)의 변화 (Sheorey 공식 등):

   ① 천단부 (얕은 심도): 지각 변동, 침식 등으로 인해 $K$값이 1.0보다 큰 경우가 많음 (수평응력 > 연직응력)

   ② 심부 (깊은 심도): 심도가 깊어질수록 자중의 영향이 커지며 $K$값은 점차 1.0에 수렴하는 경향을 보임

Ⅲ. 최대 및 최소 수평주응력의 발생 원인

1) 지형적 요인: 계곡이나 능선 등 지형의 경사에 따라 응력 집중 및 완화 발생

2) 지질 구조적 요인: 단층, 습곡 등 과거 지각 변동의 흔적에 따라 방향성 발생

3) 이방성: 암반 내 불연속면(절리)의 방향에 따라 σ(H,max)와 σ(h,min)의 차이가 심화됨

Ⅳ. 터널 설계 및 시공 시 고려사항

1) 터널 선형 결정: 가급적 최대 수평주응력 방향과 터널 축을 평행하게 설계하여 벽체 응력 집중 최소화

2) 단면 형상: K > 1인 경우 가로로 긴 타원형이 유리하며, K < 1인 경우 세로로 긴 타원형이 구조적으로 안정

3) 낙반 및 락버스트: 고지압 심도 터널에서는 응력 해방으로 인한 취성 파괴 유의.

Ⅴ. 기술자적 제언

- 터널 심도에 따른 응력 상태를 정확히 파악하기 위해서는 설계 단계에서 수압파쇄법이나 응력해방법을 통한 실측이 선행되어야 한다. 특히 이방성이 강한 암반에서는 σ(H,max) 방향을 고려한 지보 설계(Rock Bolt 배열 등)를 통해 터널의 장기적 안정성을 확보하는 것이 기술사의 핵심 역량이다.