최근 도심지를 관통하는 철도나 도로 인접구간에서 저토피 구간 내 지중박스 구조물을 시공하는 사례가 증가하고 있다. 기존의 원형터널은 터널굴착으로 인한 지표침하량 예측을 위한 다양한 경험식이 제안되어 이를 활용한 침하 영향 범위 산정 및 이완영역을 사전에 평가할 수 있는 지표로 활용되고 있다. 그러나 박스구조물 굴착 시 침하형상에 대한 연구는 미진한 실정으로 이에 대한 예측을 보다 정확하게 하기 위한 방법이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 저토피 구간에서 박스구조물을 굴착 및 설치할 때 발생하는 지반 거동을 분석하기 위한 연구를 수행하였다.
구조물을 설치할 때 기존에 사용되던 방법에는 경험적 방법(Empirical Methods), 해석적 방법(Analytical Methods), 실험적 방법(Experimental Methods), 수치해석적 방법(Numerical Analysis Methods)등이 있다. 이러한 다양한 방법 중 본 논문에서는 인공신경망기법(ANN)과 수치해석적 방법(Numerical Analysis Methods)을 통해 지중박스구조물 시공 시 침하 형상 예측 방법을 제안하고자 하였다.
Peck(1969), O’Reilly(1983)등이 수행한 다양한 선행연구들을 분석하여 박스구조물에 적용했을 때의 한계점을 파악하였다. 대부분의 기존 제안식의 경우 박스구조물이 아닌 원형터널에 대한 침하 형상 곡선식으로 제안되어 왔으며, 이를 박스구조물에 적용했을 때와 지하수위가 있는 경우에는 다소 차이가 발생하는 경향을 확인하였다. 본 논문에서는 Plaxis 8.6을 활용하여 수치해석을 수행하였고 이로부터 추출된 결과값을 활용하여 침하형태와 프로파일을 분석하고자 하였다. 수치해석 수행 시 Mohr-Coulomb 소성이론 및 Plane Strain 방법을 적용하여 지반조건(탄성계수, 점착력, 단위중량, 내부마찰각), 토피고, 박스의 형태 및 크기, 과굴(Overcut)의 크기에 따라 540가지의 수치해석을 수행하였고, 이로부터 추출된 결과값을 활용하여 침하형상을 분석하고자 하였다. 분석 결과, 지중박스구조물의 경우 원형 터널보다 최대 침하량 및 침하 영역이 더 크게 나타나는 경향을 확인하였다. 기존식과 수치해석 결과를 비교하였을 경우에는 침하 발생에 의한 이완영역이 지중박스구조물 폭의 1.3배 이후 구간에서 차이가 점점 커지는 것을 확인하였으며, 이는 구조물 굴착에 의한 주변 영역의 응력 불균형이 구조물 형상에 따라 다르고 박스구조물의 경우 원형터널에 비해 단면이 가지는 크기가 크기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 지하수위의 유무에 따른 분석을 수행한 결과 기존식에서는 지하수위가 있을 때 예측값이 정확하게 반영을 하지 못하는 것을 확인하였다. 한편, 지반조건별 침하분포에 대한 비교를 했을 때 탄성계수(E)와 점착력(c)이 침하량에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 확인하였다. 과굴(Overcut)에 의한 크기에 따른 큰 차이는 발생하지 않았으나 박스 구조물의 경우 차이가 더 크게 나타나는 것을 확인하였다. 따라서 본 논문에서는 지하수위에 대한 영향을 고려한 지중박스구조물에 대한 침하 형상 예측식을 제안하였다.
또한, 임의의 매개변수(지반조건, 구조물의 크기 및 형태, 토피고, 과굴의 크기) 조건에서 지중박스구조물의 침하형상을 보다 정확하게 예측하기 위해서 인공신경망기법(ANN)을 활용한 최대침하량 산정 모델을 구축하였으며 이를 검증하기 위해 현장 계측 데이터와 비교하였다. 그 결과 개선된 침하 형상 모델의 적용성을 확인할 수 있었다.
이를 바탕으로 지중박스구조물을 설치할 경우 인접 구조물에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 이를 위해 교통하중 및 지중구조물 시공에 의한 인접 건물과 매설관 등의 변위제한 기준을 파악하였으며, 6가지의 매개 변수(지반 탄성계수, 지반 점착력, 박스의 크기, 과굴 크기, 건물 및 매설관의 이격거리)를 고려한 확률론적 접근을 통한 위험도 모델을 제안하고자 하였다. 본 위험도 모델은 각각의 변위제한 기준 초과확률을 산정하고 이를 다시 전체 시스템에 대한 확률로 산정하게 됨으로써, 기존의 결정론적 방법에 기초한 위험도 평가방법을 개선하고자 하였다.