< Previous38 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2고성능 지보재를 활용한 급속 카린시안 공법 적용 사례5. 현장여건 및 기존 카린시안 공법의 문제점5.1 현장여건카린시안 터널공법은 최소 터널 피복두께가 확보되지 않거나, 지반조건이 매우 불량하여 NATM 굴착 시 지반의 아칭효과를 기대하기 어려운 경우, 주변여건의 제약 및 안정성 확보가 불리한 지형, 대형장비 진입 곤란 및 환경훼손 문제가 심각하게 발생되는 구간 등에 주로 적용되는 공법이다. 그러나 본 현장의 경우 크라운 아치 콘크리트 구조물 시공을 위한 공사용 차량 통행은 폭이 협소(3.0m 이하)한 마을 진입로 및 농로를 이용해야하므로 시공성이 매우 낮으며, 공사중 극심한 지역주민의 민원이 예상되었다.5.2 기존 카린시안 공법의 문제점○○터널 저토피 제2구간에 적용되는 카린시안 공법은 그림 9와 같이 원지반 또는 계획 토피고까지의 되메우기에 의한 과도한 토피하중으로 인해 터널에 직접적인 토피하중이 전달되지 않도록 크라운 아치(Crown Arch) 콘크리트 구조물이 시공됨에 따라 시공공정이 복잡하고, 콘크리트 구조물 시공 시 원지반과의 결속시공이 제대로 이뤄지지 않게 될 경우, 터널 1차 지보재에 상부 토피하중이 전이되어 터널의 변형 및 구조적 안정성이 취약해질 수 있다.특히, 크라운 아치(Crown Arch)하부 되메움지반 형성이 매우 어려워, 실제 토피하중에 대한 응력집중이 발생되지 않는 크라운 아치(Crown Arch) 콘크리트 구조물 형성이 어려운 문제점이 있다. 또한, 크라운 아치 콘크리트 구조물은 설치범위, 두께 등과 같이 제원에 대한 명확한 기준이 없는 실정이므로 설계단계에서 안전측 위주의 주관적 판단 또는 경험에 의존하게 되므로 과다설계가 될 수 있다.저토피 제2구간에 적용되는 카린시안 공법은 크라운 아치 콘크리트 구조물을 시공함으로써 굴착공법 및 시공여건에 의한 문제점이 발생할 수 있는 것으로 파악됨에 따라 카린시안 공법의 현장 적용 시 합리적이고 공학적 타당성과 안정성을 확보할 수 있는 굴착공법 변경이 요구되는 것으로 검토되었다.6. 급속 카린시안 공법 설계6.1 급속 카린시안 공법 개요당초설계 Crown Arch 카린시안 터널공법은 여러 문제점을 내포하고 있다. 복잡한 시공공정에 의한 시공성 저하 및 공사기간 증대, Crown Arch 콘크리트-지반 결속부 구조적 안정성 취약, 그리고 Crown Arch 콘크리트 하부 Arch형상 지반형성 곤란 및 계획 성토고까지 되메<그림 9> 기존 카린시안 공법의 시공단계Vol. 20, No. 3 39움 시 Crown Arch 콘크리트의 과대변형 및 응력집중 가능성이 존재하였다. 또한, 철근보강 Crown Arch 콘크리트 및 터널 라이닝 중복 시공으로 과도한 안정성 확보에 따른 경제성 저하의 문제점이 있다.기존 카린시안 공법 시공을 위한 현장여건은 Crown Arch 콘크리트 시공을 위한 빈번한 공사차량 진입 곤란, 협소한 통행로(3.0m 이하 마을진입로 및 농로)조건으로 공사차량 교행불가 및 극심한 민원발생의 문제점이 있었고 저토피 제2구간은 철도부지로 터널공사 완료까지 유용이 가능한 여건이었다.따라서 당초설계 카린시안 터널공법(Crown Arch 콘크리트)적용의 문제점 개선을 위하여 다음과 같은 설계개념을 정립하여 과업 ○○터널 현장에서 적용되고 있는 숏크리트+강지보 보강시스템과 저토피구간의 시공조건을 고려한 시공계획 개선을 통하여 그림 10 및 그림 11과 같이 개선된 카린시안 터널공법(강지보+숏크리트) 적용계획을 수립하였다.○○터널에 적용되는 강지보+숏크리트 시스템 적용에 의한 시공공정 단순화로 시공성 증대 및 공사기간 단축을 도모하였고, 구조적으로 취약한 카린시안 보강재 저점부에 대한 강성결합구조(사부재 보강 및 콘크리트 일체 기초부 형성)를 적용하였다. 강지보+숏크리트 현장타설로 공사차량 운행 최소화로 협소한 마을진입로 및 농로 사용가능, 민원 최소화를 도모하였다. 저토피 제2구간 전․후 NATM구간 콘크리트 라이닝 시공공정에 포함되는 콘크리트 라이닝 시공으로 시공성 및 경제성 증대(고가의 Crown Arch 콘크리트 중복설치 배제)와 충분한 저토피구간 공사용 부지 사용 가능으로 단계적인 되메움 시공을 통한 안정성 확보 및 경제성 증대를 도모하였다.6.2 급속 카린시안 공법 최종안○○터널 저토피 제2구간의 굴착공법 변경 계획에 따른 지보패턴 산정 결과는 표 2와 같다. 지보패턴 SD-1 적용연장은 과업구간의 지반조건, 시공성 및 안정성과 당초계획된 지보패턴 CD-1 적용구간을 종합적으로 고려하여 계획하였다.<그림 11> 변경 카린시안 터널공법(강지보+숏크리트) 보강 입체도<그림 10> 변경 카린시안 터널공법(강지보+숏크리트) 보강 개념도40 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2고성능 지보재를 활용한 급속 카린시안 공법 적용 사례6.3 급속 카린시안 공법 비교․검토표 3과 같이 ○○터널 저토피 제2구간 통과공법을 검토한 결과, 당초설계 콘크리트 구조물을 적용한 카린시안 공법 대비 강지보(H-150, (종)1.0m) +숏크리트(ts=250mm)를 설치하는 개선된 카린시안 공법의 적용이 터널의 시공성, 경제성 및 공사기간 단축 측면에서 우수한 것으로 검토되었다.6.4 급속 카린시안 공법 시공순서과업 저토피 제2구간을 H-형 강지보를 이용한 급속 카린시안 공법으로 시공하기 위하여 다음과 같은 단계적인 굴착 및 보강이 필요하다. 따라서 ○○터널 저토피 굴착공법 변경구간에 대하여 시공계획을 수립하였으며, ○○터널 저토피 제2구간 굴착공법 변경에 대한 시공순서는 그림 12와 같다.<표 3> 급속 카린시안 공법 비교․검토구분기존 카린시안 공법(철근콘크리트 구조물 적용)급속 카린시안 공법(H-형 강지보+숏크리트 적용)저토피현황공법개요저토피구간의 터널 통과시 터널 상부 토피를 먼저 굴착하고 크라운 아치(Crown Arch) 콘크리트 구조물을 시공한 다음 되메움을 실시한 후 터널을 굴착하는 공법저토피구간의 터널 통과시 터널 상부 토피를 먼저 굴착하고 강지보+숏크리트를 시공한 다음 되메움을 실시한 후 터널을 굴착하는 공법(터널 콘크리트 라이닝 설치 후 되메움 토피고까지 복토)공법특징장점∙ 신속한 원지반 복구 가능∙ 지층조건에 영향 없음∙ 개착부 농지훼손 및 점유기간 최소∙ 저토피구간 터널 굴착시 아칭효과 발휘∙ 당초설계안 장점 포함∙ 당초설계안 대비 공기 단축∙ 콘크리트 구조물 미설치에 따른 공사차량 통행을 위한 외부진입로 불필요∙ 터널 상반 강지보(H-150, (종)1.0m) + 숏크리트(ts=250mm) 기설치로 인한 NATM 시공시 상반 지보재 추가시공 불필요단점∙ 외부진입로 개설(소형장비)∙ 복합공정으로 시공성 불량∙ NATM굴착 포함시 공기 증가∙ 복합공정으로 시공성 불량(당초설계안 대비 양호)∙ NATM굴착 포함시 공기 증가(당초설계안 대비 양호)<표 2> 급속 카린시안공법 표준지보패턴구분SD-1지보패턴굴착공법카린시안 공법(상반:개착, 하반: 터널발파)굴진장-/하반 1.0m숏크리트250mm~930mm(강섬유)록볼트4.0m(종1.0m, 횡1.2m)강지보H-150×150×7×10(종1.0m)콘크리트 라이닝400mm(철근)Vol. 20, No. 3 411단계: 원지반 상태2단계: 아치 상부 절토(강관 설치+ 기초 타설)3단계: 상반 강지보재 설치4단계: 기초(숏크리트) 타설, 상반 숏크리트 타설5단계: 되메우기 및 다짐6단계: 하반굴착 및 강지보, 숏크리트, 록볼트 설치7단계: 콘크리트 라이닝 타설8단계: 추가 되메움 실시(시공 완료)<그림 12> 시공단계42 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2고성능 지보재를 활용한 급속 카린시안 공법 적용 사례7. 급속 카린시안 공법 안정성 검토7.1 2차원 수치해석에 의한 터널 안정성 검토SD-1 지보패턴에 대해 2차원 연속체 수치해석을 통하여 안정성을 검토하였다. 해석 단면은 그림 13과 같으며, 해석 모델은 그림 14와 같다. 표준지보패턴 SD-1의 지보보강량은 표 4와 같다.2차원 연속체 수치해석 결과는 그림 15와 같다. 변위 검토결과, 최대 천단침하는 Ko와 관계없이 -2.56mm가 발생하였으며, 좌․ 우측 측벽부의 합변위인 내공변위는 Ko=1.5 조건에서 1.06mm가 발생하였다. 터널하반 굴착 후 천단침하는 감소되고, 내공변위는 터널 내측으로 발생하는 경향을 나타내는데, 이는 연직하중이 상대적으로 작게 작용하는 저토피 구간의 대표적인 변위양상으로 검토되었다. 부재력 검토결과, 숏크리트의 최대 압축응력은 1.50MPa (<8.4MPa)가 발생하였고, 강지보의 최대 휨압축응력과 인장응력 및 전단응력은 각각 25.02MPa(<210.0MPa), 18.46MPa(<210.0MPa), 3.09MPa(<120.0MPa)가 발생하였으며, 록볼트의 최대 축력은 6.83kN으로 모든 지보재들이 허용치 이내로써 터널의 안정성이 확보되는 것으로 검토되었다.숏크리트 최대 압축응력과 강지보의 최대 휨압축응력은 Ko=0.5 조건에서 발생하였고, 강지보 휨인장응력, 전단응력 및 록볼트 축력은 Ko=1.5 조건에서 발생하였다.7.2 3차원 연속체 수치해석을 통한 안정성 검증급속 카린시안 공법에 적용된 표준지보패턴의 적정성 검증을 위해 3차원 연속체 수치해석(FEM)을 수행하였으며, 검토를 위한 해석단면 및 모델링은 각각 그림 16 및 그림 17과 같다.3차원 연속체 수치해석에 반영된 시공단계는 실제 시공단계를 고려한 결과, 숏크리트 최대 휨압축응력은 1.43 <그림 13> 해석단면<그림 14> 해석 모델링<표 4> 적용 지보패턴(SD-1)구분SD-1지보패턴굴착공법상반 개착, 하반 발파굴착굴진장1.0m(하반)숏크리트25~93cm록볼트4.0m(횡1.2m, 종1.0m)강지보H-150×150×7×10 / 1.0m비 고콘크리트라이닝 시공전, 되메움 토피고 1.0m 적용Vol. 20, No. 3 43(a) 천단침하 발생경향(b) 내공변위 발생경향(c) 숏크리트 압축응력 발생경향(d) 강지보 휨압축응력 발생경향(e) 강지보 휨인장응력 발생경향(f) 강지보 전단응력 발생경향(g) 록볼트 축력 발생경향<그림 15> 2차원 수치해석 결과44 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2고성능 지보재를 활용한 급속 카린시안 공법 적용 사례MPa(<8.4MPa), 강지보 최대 휨압축응력과 인장응력 및 전단응력은 각각 26.86MPa(<210.0MPa), 6.87MPa(<210.0 MPa), 1.60MPa(<120.0MPa)로 충분한 안정성이 확보되는 것으로 검토되었다(그림 18).2차원 대비 3차원 연속체 수치해석 결과가 다소 작게 검토되었으나, 결과의 유사성이 높아 신뢰도가 큰 것으로 분석되었다.H-형 강지보의 구조검토 결과, 굴착공법 변경에 따른 터널 상부 카린시안 공법에 적용 가능한 최적의 강지보 규격 및 간격은 H-150×150×7×10, C.T.C.1.0m로 평가되었다. 3차원 연속체 수치해석에 의한 지반공학적 검토를 통하여 결정된 강지보 규격(H-150×150×7×10, C.T.C 1.0m)의 적정성을 검증한 결과, 충분한 안정성이 확보되는 것으로 검토됨에 따라 본 과업구간에 적용하는 강지보 제원은 H-150×150×7×10을 종방향 1.0m간격으로 설치하도록 계획하였다.(a) 강지보 휨압축응력도(b) 강지보 휨인장응력도(c) 강지보 전단응력도<그림 18> H-형 강지보 응력산정 결과<그림 16> 해석단면<그림 17> 해석모델링Vol. 20, No. 3 458. 결 론철도터널인 ○○터널 저토피구간에 적용된 기존 카린시안 공법의 크라운 아치(Crown Arch) 철근콘크리트 구조물을 시공하기 위해서는 시공공정이 복잡하고, 원지반과의 결속시공이 제대로 이뤄지지 않을 경우 상부 토피하중이 터널에 전이되어 터널의 변형 및 구조적 안정성이 취약해질 수 있는 굴착공법의 문제점이 있으며, 협소한 진입로에 따른 시공중 빈번한 공사차량 교행이 어려운 시공여건 및 마을주민의 극심한 민원을 종합적으로 고려할 때 굴착공법 변경이 불가피하였다.이에 지보강성이 큰 H-형 강지보와 숏크리트를 이용하여 고성능 급속 카린시안 공법을 개발하였으며, 이를 현장 시험시공을 통해 개선사항을 확인하고 복잡한 시공공정을 단순화할 수 있도록 계획함으로서 시공성 향상 및 공기를 단축할 수 있도록 개선하였다(그림 19~그림 21).되메움 하중을 지지하기 위해서는 강지보재의 역할이 매우 중요하므로 지보력이 확실히 발휘되도록 지반에 밀착 시공하고 계획된 숏크리트 타설두께를 확보하도록 품질관리에 주의하여야 한다. 또한, 강지보 설치 및 숏크리트 타설 후 되메움 시 기초부 밀림 방지 및 지지력 확보, 하반굴착 시의 침하 방지를 위하여 소구경 강관파일 등의 시공관리가 매우 중요하다.○○터널에서 개발된 급속 카린시안 공법은 기존 카린시안 공법에 비해 공기단축 및 경제성에서 효과가 있음이 확인되었으며, 향후 가시설 설치 후 개착터널 시공조건과 자연터파기 후 개착터널 시공조건에 대해서도 공기단축 및 경제성 증대효과가 기대된다.참고문헌1. 강기돈, 송치용, 이종성, 이재찬(2008), “카린시안공법(Carinthian cut-and-cover method) 및 그 시공사례”, 한국지반공학회, 지반(학회지), 제 24권, 제7호, pp.40-45. 2. 신영완, 문경선(2018), "시공성과 내변형력이 향상된 저토피의 반개착식 터널시공방법 및 터널시공용 구조물(Semi open cut type tunnel construction method at low overburden)," 대한민국특허청, 특허출원번호 1-2009-006225-83. 한국철도시설공단(2018), 중앙선 ○○-○○ 복선전철 제○공구 노반신설 기타공사 ○○터널 저토피 2구간 굴착공법 변경설계 보고서4. http://projects.dr-sauer.com<그림 19> 상반 시공 후 전경<그림 20> 되메움 후 전경<그림 21> 하반 시공 후 전경46 자연,터널그리고 지하공간기술기사 31. 개 요새만금~전주간 고속도로 건설공사 제6공구 사업구간은 전라북도 전주시 완산구 원당동에서 완주군 구이면 평촌리 일원을 통과하는 구간으로 총 연장 3.56km의 완산터널 1개소가 통과하는 것으로 계획되어 있다(그림 1). 사업구간 대부분은 옥천변성대의 화강암과 편암(천매암)이 기반암으로 분포하고 있으며, 시추조사 및 각종 물리탐사 성과를 종합 분석하여 사업노선과 교차하는 다수의 단층파쇄대를 확인하였고, 그 외의 지질특성을 분석하여 각 특성에 따른 시공 중 터널의 이상변위, 붕괴 및 다량의 용수 유출 등에 대한 대처방안을 수립하였다.옥천변성대 터널통과구간에 대한 지질 및 지형리스크 극복방안정상준에스코컨설턴트 특수사업본부 이사김형렬에스코컨설턴트 특수사업본부 대리김동준고려개발토목설계팀 차장박수용고려개발토목설계팀 차장<그림 1> 사업구간 평면 현황Vol. 20, No. 3 472. 상세지반조사에 따른 지반위험요소 분석과업구간의 지반위험요소 파악을 위하여 지체구조도 및 선구조 분석 등 지형․ 지질 특성분석을 수행하고 지표지질조사 및 물리탐사를 통한 지질이상대 분포특성을 규명하였으며, 확인시추 및 공내검층을 통한 단층 등의 이상대를 분석하여 설계자료로 활용하였다(그림 2~5).<그림 2> 광역 지체구조도<그림 3> 광역지질특성(1:5만 지질도)<그림 4> 선구조 분석<그림 5> 물리탐사에 의한 지질이상대 분포특성 파악3. 옥천변성대 9대 지질리스크 극복을 위한 대책공법 검토옥천변성대는 수차례의 습곡 및 단층작용을 받아 지질공학적으로 불안한 지반특성의 영향으로 사업구간 전반에 충상단층 및 파쇄대가 발달되어 있으며, 편암 구간을 통과함에 따라 판상절리가 상당히 발달된 것으로 예상된다. 또한 상세지반조사를 통한 지반위험요소 분석 결과에 따라 옥천변성대는 편암구간, 단층파쇄대 통과구간 외에도 석회암, 침식분지, 핵석구간 등 9대 지질리스크를 내포하는 것으로 분석되었다. 각 지질리스크의 특성을 고려하여 터널 안정성 확보를 위한 대책방안을 수립하였다(그림 6).Next >