바르셀로나 지하 노선 터널의 내벽 부분에 대한 현장 스트레스 시험

새로운 L9 지하 노선의 건설은 현재 바르셀로나에서 공사가 진행 중인데, 내벽 부분에 대한 하중 시험을 요구하는데, 이는 차량 이동 등급이 2단계인 단일 터널로 구성되어 있습니다. 현장 시험을 맡기로한 결정은 기술적이고 결제적인 고려 때문이었습니다.

소개

새로운 L9 지하 노선의 건설은 현재 바르셀로나에서 공사가 진행 중인데, 내벽 부분에 대한 하중 시험을 요구하는데, 이는 차량 이동 등급이 2단계인 단일 터널로 구성되어 있습니다. 현장 시험을 맡기로한 결정은 기술적이고 결제적인 고려 때문이었습니다. 이들 시험은 1:1 척도 시험 부분을 사용하며, 2005년 12월에 착수 되었습니다.

내벽 부분들은 강화 막대 없는 SFRC (Steel Fiber Reinforced Concrete, 강철 선 강화 콘크리트)로 양산 되었습니다. 하중 시험의 주요 목적은 특별히 이 검사를 위해 설계 되었고, 이들 터널 내벽 요소들의 특성에 대한 실험적 증거를 얻는 데 있었는데, 이들 내벽은 SFRC로 제작되고 다른 어떤 전통적인 강화 없이, 집중된 토압(土壓)을 받게 됩니다. 하중은 HBM 압력 트랜스두서를 사용하여 측정 됩니다.

L9 프로젝트는 터널로 구성 되는 데, 약 길이가 40 km 이고, 직경 12m인 터널용 굴삭 기계로 작업이 되었습니다(그림1). 튜브는 7 + 1 부분으로 각각 폭이 1.8m에 전체 두께는 0.35 m입니다.

이미-혼합된 부분에서 SFRC의 사용은 일반적인 것은 아닙니다. 그러나, 이는 틀에서 제거하는 동안에, 그리고 이어지는 운송 및 설치 동안에, 손상의 가능성을 줄이고, 이들 부분들의 강도를 증가 시킬수 있습니다. 실험실 조건 하에서 1:1 척도로 내벽 부분에 대한 실험은 사전에 네델란드와 독일에서 수행 되었지만, 실제 현장조건에서의 하중 시험은 이전에 시행 된 적이 없습니다.

시험 개념 및 측정 설정

하중 시험의 목적은 SFRC 터널 내벽 부분의 특성에 대한 이해를 개선하는 것입니다. 현장 시험은 합리적인 것인데, 이는 시험 하려는 부분의 특성에 대해 이웃하는 링의 영향을 계산하는 것이 가능하기 때문입니다. 터널 굴착 기계의 축방향 압력으로 인한 링 사이의 세로 방향으로 잔존하는 압축 스트레스에 주로 영향을 받는 다는 것을 추정 할 수 있습니다.

그림. 1: 지하 노선 L9의 내벽의 단면 (단면 4a)

추가로, 결과는 추정한 하중 및 내벽 부분에 대한 정지 계산에서 사용된 방법을 점검하는 데 매우 가치가 있었습니다. 이들은 또한, 내벽 부분에 대한 건설 재료로 SFRC의 적합성을 평가하는 데도 사용 되었습니다.

두 개의 링 부분의 외부 곡선 표면에 설치된 3개의 유압 플랫-배드 프레스를 사용하여, 시험 개념은 하중을 적용하였습니다. 이들 프레스는 그림2에서 와 같이 배열 되었고, 그래서 곡면의 상부 끝에서 수직 대칭 배열로 48°의 영역을 다루게 됩니다.

그림. 2: 링에서 부분K의 위치, 유압 플렛-베드 프레스(flat-bed press)의 제안된 하중 방향

움푹 들어간 곳의 위치와 플렛-베드 프레스의 설치가 그림3에서 보입니다.

그림. 3: 유압 플렛-베드 프레스(flat-bed press)의 위치 및 설치

현장 시험의 장단점

기술적 이점:

1. 콘크리트 건설의 반응은 실제 현장 조건 하에서 결정 되었습니다.
2. 모든 요소에 대한 충격이 고려되었는데, 이는 방사형의 컴포넌트를 따라 내벽과 지반 사  

 이에 접촉하는 탄젠트 컴포넌트들이 고려 되었다는 것을 의미합니다.
3. 링 사이에 세로 방향으로 미리 스트레스를 가하고 감하는 것은 실제 조건 하에서 실행 됩니다.
4. 시험 전의 스트레서/스트레인 상태는 내벽이 설치되고 난 후의 터널에서 ‘정상 상태’와 일치 합니다. 

현장 시험의 단점:

• 1. 현장 및 사출 모르타르의 기계적 특성에서 자연적 불확실성으로 인해 결과를 해석하는 데   에 어려움이 있습니다.
  2. 사전에 정의된 하중 적용 영역으로 측정이 시행 되는 것과 같이, 소급적용하여 미리 스트레스를 가하는 잭(jack)의 위치를 바꾸는 것은 불가능 합니다.
  3. 내벽의 손상을 피하기 위해 임계 하중 이하로 하중을 가해야 합니다.
  4. 시험 순서는 반듯이 생산 프로그램과 잘 맞아야 합니다.

 

경제적 이점

1. 특별한 공간 또는 장소 및 비싼 실험 장비가 필요하지 않습니다. 2. 현장에서 사용되는 측정 기기는 이 시험 중에 또는 끝이난 후에 다른 곳에서 사용 할 수 있습니다.

시험에서의 한 부분은 16개의 SFRC 링(rings)으로 구성되어 있는데(강화 막대는 없이), 여기에서 5개는 내장형 스트레인 게이지, 압력 트랜스두서 및 변위 트랜스두서가 연결 부위에 장착 되어 있읍니다. 총 150개의 SG와 18개의 압력 트랜스두서는 내벽 부분 사이의 연결 부위에서 탄젠트 및 수직 움직임을 측정하기 위해 사용됩니다. 이는, 링들 사이의 연결의 2-D 변위 트랜스두서(그림5) 및 링의 부분 사이의 연결에서 탄젠트 움직임을 측정하기 위한 44개의 변위 트랜스두서와 일치하는 것입니다. 모든 센서는 외부 측정 기기와 시험이 시작 되기 전에 연결이 되어 있습니다. 

그림. 4: 변위 트랜스두서를 사용한 변형 측정

그림. 5: 2D 두 링 사이의 커브 정점에서의 변위(방사 및 세로)

유압 시스템 및 압력 트랜스두서

3개의 장창된 플렛-베드 프래스는 개별적으로 제어 되는 데, 이는 오직 유압 오일 공급을 제어하는 목적인 3개의 수동 벨브를 이용합니다. 파이프 시스템의 압력은 900 bar로 설정된 전기 오일 펌프로 생성 되고 제어 되는데, 이 압력은, HBM의 P2VA1/200 압력 트랜스두서를 사용하여, 데이터 수집 장치로 측정하고 기록 되는데, 이는 매우 높은 민감도를 가집니다 (그림6); 프레스에서의 1bar는 10 kN의 힘에 상응합니다. 압력 트랜스두서의 기술 데이터는 표1에 요약되어 있습니다.

 표. 1: 사용된 압력 트랜스두서의 기술 데이터

높은 샘플링 레이트의 데이터 수집 시스템이 필요하지 않은데, 이는 하중이 순전히 정적이고 잘못 될 가능성이 매우 낮기 때문입니다. 그 대신에, 복합 기술과 같이 동작하는 데이터 수집 시스템이 6 1/2의 해상도로 사용 되고 (데이터 저장기기) 최대 샘플링 레이트는 초당 60 채널 입니다. 매 2초 마다 측정된 값이 데이터로 수집 됩니다. 결과는 압력 트랜스두서가 매우 신뢰할 만하다는 것을 보여 줍니다. 그림6은 오일펌프, 값 및 압력 트랜스두서, 그림7은 유압 회로의 레이아웃을 보여 줍니다.

 
그림. 6: 오일 펌프, 값 및 압력 트랜스두서 

그림. 7: 유압 회로의 도해

하중 가하기(Loading)

하중을 가하는 것은 3 단계로 이루어져 있으며 그림8에서 볼 수있습니다. 0 단계에서 프레스에 100 kN의 하중이 가해지고 거의 18시간 동안 지속 됩니다. 이 준비단계는 프레스 압력의 완화 및 전체 시스템의 상태에 대한 정보를 제공 합니다. 1단계에서 프레스에 500 kN의 하중이 가해 집니다. 프레스 No. 3은 이번 단계의 시작에서 작동 하지 못합니다. 2 단계에서, 1500 kN의 하중이 프레스1 과 프레스2에 의해, 둘 다 동시에 그리고 따로 가해집니다.

 
그림. 8: 시험 동안의 힘-시간 커브

측정 결과

표2는 다양한 하중 조합에 대한 커브의 정점에서의 수직 편향을 보여 줍니다. 프레스2을 사용하여, 1500 kN의 하중으로 2단계에서, 최대 수직 편향인 3.1 mm이 이르게 됩니다. 완전한 하중 프로세스 따르면, 잔존 수직 편향은 1.2 mm입니다 (하중이 가해지는 동안 편향의 38 %).

표. 2: 정점에서 최대 및 잔존 수직 편향

향후 결과는 다음 도해에서 볼 수 있는데, 여기에서 압력과 변형은 y 축과 시간의 x축을 따라 표현 할 수 있습니다.

그림9는, 1500 kN가 둘 모두에 이를 때까지, 두 압력이 내벽에 계속 부하를 가하는, 2단계에서 커브의 정정에서 링 사이의 압력 경향 및 방사형 이동을 보여 줍니다. 이는 시험 동안에 가해진 최대 하중이었습니다. 방사형 이동은 하중이 가해진 링(1838)의 양쪽 면에서 대칭 되지는 않았습니다. 그림9에서 볼수 있는 것과 같이, 다른 링들 사이에서 이들은 실제적으로 무시해도 되는 것입니다.

그림10은 정점에서 링들 사이의, 또한 2단계 동안에, 압력 및 관련 수직 이동을 보여 줍니다. 이들 두 프레스는 또한 여기에서 최대 하중을 가합니다. 내벽 부분 A2 및 A3 사이의 수직 연결의 원주형 이동은 이 경우에서도 또한 대칭이지는 않습니다. 대칭에서의 이러한 부족은, 내벽 부분을 건설 하는 동안, 프레스의 위치가 벗어난 것에 기인한 것입니다.

그림. 9: 터널의 정점에서 링 사이의 방사 방향의 압력 및 이동 (하중 가하기 2 단계)

그림. 10: 부분 A2 및 A3 사이의 세로 연결에서 원주의 방향의 압력 및 이동

그림. 11: 2 단계가 완료 된 뒤에, 노출된 내부 터널 표면의 틈 패턴

 

40 ~ 500 kN 사이의 하중에서 내벽 부눈 A2에서 커브 정점의 근처에서 첫 틈이 나타 났으며, 여기에서 가해진 하중은 동시적인 것으로 1단계에서 프레스1 과 2가 수행을 하였습니다. 프레스가 가한 1500 kN에서 틈 패턴은 그림 11에서 볼 수 있습니다. 주요 틈은 터널의 세로 축에 평행으로 발생하고 있다는 것을 볼 수 있습니다. 이는, 그리고 이웃하는 링들은 거의 움직이지 않는 다는 사실이, 가해진 하중의 대부분을 하중을 받은 리이 흡수했다는 것을 의미하는 것으로 해석 될 수 있습니다. 그림12는 2단계 이후, 커브의 내부에 틈을 보여 줍니다. 이들 틈으로 물이 샙니다. 터널 상부 위로 지하 수면 높이가 10 미터로 됨에 따라, 이러한 물이 새는 것이 예상되었습니다.

그림. 12: 2단계 이후의 균열(crack)

결론

현장에서 하중을 가하는 시험이 현제 건설중이 바르셀로나에서 지하 노선 L9의 내벽에서 시행 되었습니다. 이 시험의 주요 목적은 실제 운영 조건하에서, SFRC 부분의 하중 지지 용량의 실험적 증거를 얻는 데 있었습니다. 가해진 하중은 이들 부분에서 이동과 심각한 틈을 발생할 만큼 충분 했습니다. 플렛-베드 프레스를 이용하여 다양한 압력의 조합을 통해, 내벽에 대하여, 6개의 다른 하중 이형(異形)을 얻을 수 있었습니다. 링의 외부 표면에 가해진 최대 하중은 3000 kN이었습니다.

다음의 결론은 실험 조사로 이루어진 것입니다:

 • 이웃하는 링들은 하중이 가해진 링의 정체적인 반작용에 단지 무시할 정도로 영향을 받습니다. 이동은 하중이 가해진 내벽 부분 및 이웃하는 링들의 사이에 분명히 보여집니다.
• 하중이 가해진 것으로 영향을 받은 영역은 하중이 가해진 링의 절반 상부에 한정 됩니다. 하중이 가해진 링의 하부에 설치된 트랜스두서는 하중이 가해지는 동안에 어떠한 변화도 거의 보여주지 않았습니다.
• 하중이 가해진 링의 변형은 주로 내벽 부분의 사이에 세로 방향 연결의 회전에서 기인합니다.
• 계획 단계 동안에 수행된 비선형 2D 분석은, 측정된 값과 비교할 수 있는 개별적인 링들에 대한 변형을 밝혀 주었습니다. 추가적인 분석은 더 나은 결과 해석을 위해 수행 될 것입니다.

공지

저자는 바르셀로나, GISA(Gestió d’Infraestructures, S.A.)에서 지하 노선 L9을 계획하고 건설에 책임을 다한 공공 기업에 감사들 보냅니다. 이러한 연구에 자금을 주었기에, 카탈로니아 UPC의 기술 대학에서 토목 공학 부서에서 이를 수행 할 수 있음을 가사 드립니다. 그리고 저자는 또한 UTE L9, Payma Cotas 및 UPC엣 온 모든 참여 인원들에게 감사드리며, 특히 개인적으로 구조 엔지니어링 실험실의 Mr. Carlos Hurtado, Mr. Jordi Lafuente, Ms. Roser Valls, Ms. Marta de la Torre 및 Ms. Gemma Viladomat에게 감사 드립니다.

참조

[1] Molins, C.: Investigación teórica y experimental del revestimiento de túneles a base de anillos de dovelas prefabricadas: diseño de un ensayo in situ del revestimiento del túnel de la L9 del Metro de Barcelona. Sèrie Investigació: 706-I01-05. Departamento de Ingeniería de la Construcción, Universitat Politècnica de Catalunya. Barcelona 2005

[2] Molins, C., Marí, A. R., Aguado, A., P: Proyecto de prueba de carga del revestimiento del túnel a base de dovelas prefabricadas de la L9 del Metro de Barcelona. Proceedings of the III ACHE - Congreso de Puentes y Estructuras de Edificación de la Asociación, 14 -17 November 2005, 893-905, Saragossa, Spain