< Previous48 자연,터널그리고 지하공간기술기사 3옥천변성대 터널통과구간에 대한 지질 및 지형리스크 극복방안<그림 6> 옥쳔변성대 9대 지질리스크3.1 편암(천매암) 통과구간 리스크 극복방안편암(천매암) 특성파악을 위해 상세지반조사 및 시험을 수행하였다. 편암(천매암) 이방성 시험결과 낮은 이방성을 나타냈으며 삼축압축시험 등 각종 시험을 통해 별도의 지반정수를 산정하여 설계반영 자료로 활용하였다. 편암(천매암) 통과구간은 굴착시 판상절리 붕락으로 안정성에 불리하기 때문에 이를 방지하기 위해 정밀제어발파를 계획하고, 천단부 록볼트 간격축소, 훠폴링 추가설치 등 보강대책 적용으로 안정성을 확보하였다(그림 7~9).<그림 7> 시점부 지질현황<그림 8> 8단계 정밀 제어발파<그림 9> 판상절리 붕락방지 보강대책3.2 석회암 통과구간 리스크 극복방안본 과업구간은 편암(천매암)/석회암 등이 혼재되어 있는 백악기 신동층을 통과하므로 터널굴착 중 석회암 공동과 조우할 가능성이 있는 것으로 분석되었다. 석회암 공동 조우시 터널안정성의 영향을 분석하기 위해 공동 위치 및 거리를 고려한 예비해석을 수행하였다. 해석결과 1.0D이상 이격시 응력이 수렴되어 1.0D이내 공동 조우시 공동 경량콘크리트 채움, 록볼트 보강, 콘크리트타설, 인버트보강 등 석회암 공동 위치 및 이격거리를 고려한 대책방안을 수립하여 터널 안정성을 확보하였다(그림 10~11).Vol. 20, No. 3 49<그림 10> 영향범위 분석(예비해석)<그림 11> 석회암 공동위치 및 거리별 보강계획3.3 침식분지 통과구간 리스크 극복방안지형분석과 핵석분포 현황 등을 고려할 때 완산터널 종점부에 침식분지(환형분지)가 형성되어 있는 것으로 분석되었다. 침식분지는 마그마 관입시 기반암 균열, 강우 유입 및 차별 침식작용으로 형성되는 것으로 풍화에 취약하여 침식분지에 대한 보강계획을 수립하였다(그림 12).<그림 12> 침식분지 형성 메커니즘침식분지 통과구간 대책방안으로 숏크리트 조기타설 및 내부식성 록볼트 보강으로 풍화를 대비하도록 계획하였고, 콘크리트라이닝 두께를 5cm 증가하여 풍화에 따른 하중증가를 고려하였다(그림 13~14). 또한 침투를 고려한 차수대책 수립을 통해 터널 안정성을 확보하였다(그림 15).<그림 13> 시공중 지보대책<그림 14> 운영중 라이닝 보강대책<그림 15> 침투를 고려한 차수대책50 자연,터널그리고 지하공간기술기사 3옥천변성대 터널통과구간에 대한 지질 및 지형리스크 극복방안3.4 핵석분포지 통과구간 리스크 극복방안완산터널 종점부에 화강암 차별침식으로 인한 핵석이 분포하는 것으로 확인되었다(그림 16). 핵석통과구간 시공사례 분석결과 지표면 함몰, 지하수 유입으로 인한 막장면 붕괴 등 핵석영향으로 터널 안정성 확보에 불리할 것으로 판단된다. 이에 핵석 규모별 굴착 및 보강대책을 수립하여 핵석 조우 시 시공성 및 터널 안정성을 확보하였다(그림 17~18).<그림 16> 핵석 분포구간 상세조사<그림 17> 핵석규모별 굴착대책<그림 18> 핵석규모별 보강대책3.5 단층대 통과구간 리스크 극복방안상세지표지질조사, 물리탐사 등을 수행한 결과 터널과 교차하는 단층파쇄대 4개소를 확인하고 위치, 규모 등 특성을 파악하였다. 또한 단층파쇄대 조우 각도에 따른 터널 안정성 영향분석을 위한 예비해석을 수행하였고, 조우각도가 클수록 터널에 미치는 영향범위가 커지는 예배해석 결과를 반영하여 보강영역을 선정하였다(그림 19). 보강대책으로 단층파쇄대 규모 및 암반등급을 고려한 보강패턴을 세분화하여 현장 시공 대응성을 강화하고 보강대책을 통한 터널 안정성을 확보하였다(그림 20).<그림 19> 단층대 보강영역 선정<그림 20> 단층파쇄대 규모 및 암반등급을 고려한 보강패턴 세분화3.6 저토피 통과구간 리스크 극복방안저토피 통과구간(그림 21) 선정기준 수립을 위해 이론식 검토 및 예비해석 분석을 수행하여 토피고 1.5D, 암토피고 0.5D 이하 구간을 저토피 통과구간으로 선정하였다. 저토피 통과구간 보강대책으로 지보패턴을 세분화하고 강관보강공법, 차수공법 및 고강도 숏크리트로 터널의 안정성을 확보하였다(그림 22).Vol. 20, No. 3 51<그림 21> 저토피 통과구간 현황<그림 22> 저토피구간 지보패턴 세분화 계획3.7 편토압 통과구간 리스크 극복방안편토압 영향분석을 위한 예비해석 수행결과 편경사 30°이상, 토피고 1.5D 이하에서 편토압 영향으로 변위 및 지보재응력이 급증하는 것으로 확인되었다(그림 23). 또한 비대칭응력이 증가하는 구간을 분석하여 그 구간에 장공록볼트 추가설치, 소구경 강관다단그라우팅 및 훠폴링 편측이동 등 집중보강계획을 수립하여 터널 안정성을 확보하였다(그림 24).<그림 23> 예비해석을 통한 편토압 영향 예상구간 선정<그림 24> 편토압구간 집중보강계획3.8 산사태위험 예상구간 리스크 극복방안과업구간은 산사태 위험 1등급 구간이 분포하고 있어 산사태 위험가능성이 내재되어 있다(그림 25). 산사태 발생시 터널 상부 토피고 조건이 변화하여 터널에 영향을 미칠 것으로 판단된다. 이에 산사태 전․ 후 토피조건을 고려한 라이닝 응력 검토를 수행하고 유지관리계측 계획수립을 통한 중점관리구간으로 선정하여 산사태에 대한 터널 안정성을 확보하였다(그림 26).<그림 25> 산사태위험 예상구간 상세분석<그림 26> 응력집중구간 안정성 검증52 자연,터널그리고 지하공간기술기사 3옥천변성대 터널통과구간에 대한 지질 및 지형리스크 극복방안3.9 과다용출수 예상구간 리스크 극복방안용출수 과다구간 대책방안으로 관리기준치를 고려한 프리/포스트그라우팅 계획을 수립하였고, 친환경 지보재를 적용하여 지하수 오염을 방지하였다. 용출수 관리기준치는 도로공사 관련지침(환경품질처-3875)을 고려하여 0.2m3/km/min로 선정하였다. 또한 수치해석을 수행하여 차수그라우팅 범위 360°, 두께 2m가 가장 적정한 것으로 판단되어 이를 차수그라우팅 범위로 선정하였다(그림 27~28).<그림 27> 수치해석을 통한 차수범위<그림 28> 용출수 과다구간 관리체계 수립 및 지보계획4. 결 론옥천변성대 구간에 대해 지질 및 지형특성을 파악하고 그에 따른 보강공법 적용 계획을 수립하였으며, 아래 표 1과 같이 옥천변성대의 지질리스크, 예상문제점 및 대책공법을 간단히 요약하였다.<표 1> 옥천변성대 지질리스크, 예상문제점 및 대책공법 요약항 목편암(천매암)석회암침식분지핵석분포단층대저토피편토압산사태용출수문제점판상절리공동함몰풍화취약차별침식막장붕괴내공변위비대칭응력하중변화안정저하극복방안훠폴링,록볼트공동채움,록볼트S/C 조기피복핵석제거,라인드릴링규모방향별보강보강패턴 세분화측벽보강,심발이동라이닝추가보강팽창형R/B, 차수본 기술기사가 지질리스크 구간 터널통과공법을 계획하는 엔지니어들에게 미약하나마 도움이 되었으면 한다.Vol. 20, No. 3 53>> 바로 잡습니다한국터널지하공간학회지 20권 2호 기술기사 (p17~24) “숏크리트용 급결제내 유해성분 분석”작성시 논문 인용 및 표기 과정에서 일부 오류가 확인되어 아래와 같이 정정기사를 게재합니다.페이지원 문정 정p18Kim et al.(2003)에 의하면 시멘트광물계 급결제는 주성분인 12CaO ․ 7Al2O3이 시멘트와 혼합하면 시멘트 중의 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및 황산칼슘(CaSO4)과 반응하여 급속히 에트린자이트(3CaO ․ Al2O3 ․ 3CaSO4 ․ 32H2O)의 침상결정을 생성시켜 급결하게 되어 내구성이 저하된다고 언급하고 있다.Kim et al.(2003)에 의하면 시멘트광물계 급결제는 주성분인 12CaO ․ 7Al2O3이 시멘트와 혼합하면 시멘트 중의 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및 황산칼슘(CaSO4)과 반응하여 급속히 에트린자이트(3CaO ․ Al2O3 ․ 3CaSO4 ․ 32H2O)의 침상결정을 생성시켜 급결하게 되며 수화초기에 형성된 에트린자이트는 시멘트의 수화를 저해하지 않으므로 장기적으로 안정된 강도를 나타낸다. p213.1.3 탄산나트륨 침전물로 인한 배수관 폐색급결제의 Na+ 이온이 용출되어 지하수나 공기 중의 이산화탄소(CO2)와 만나면 탄산나트륨(Na2CO3)으로 굳어져 배수관내 침전물을 형성하여 쌓이게 되며, 이로 인해 배수관이 막히거나 관경이 좁아져 배수능력이 저하될 우려가 있다.<그림 7> Outline of Drain pipe Clogging phenomenon3.1.3 탄산칼슘 침전물로 인한 배수관 폐색급결제의 Na+ 이온과 시멘트의 Ca2+ 이온이 용출되어 지하수나 공기 중의 이산화탄소(CO2)와 만나면 탄산칼슘(CaCO3)으로 굳어져 배수관내 침전물을 형성하여 쌓이게 되며, 이로 인해 배수관이 막히거나 관경이 좁아져 배수능력이 저하될 우려가 있다.<그림 7> Outline of Drain pipe Clogging phenomenon54 자연,터널그리고 지하공간기술기사 41. 서 론2010년 이후 국내․ 외 건설 산업의 패러다임은 2D설계에서 3D 모델을 활용한 BIM설계로 급속도로 전환되고 있다. 2009년 공공건축 프로젝트인 용인시민체육공원에 최초로 도입된 BIM 기술은 계획부터 설계, 시공, 유지관리 등 시설물 수명주기 동안 효율성을 극대화를 위한 고효율, 고부가가치의 기술로, 가상공간상에 3D 정보모델 속성을 이용하여 도면작성, 수량산출, 공정관리, 공사비산출, 유지관리 정보 등 전반에 걸쳐 다양하게 활용할 수 있다. B.I.M은 Building Information Modeling의 약자로 “설계, 시공, 운영 및 관리를 대상으로 하는 구조물에 정보가 내포된 모델링”으로 해석할 수 있으며 최근에는 기존 건축분야와 구분을 위해 토목분야에서는 C.I.M(Construction Information Modeling)란 용어도 혼용하여 사용하고 있다.2010년 국토해양부 BIM 적용가이드에 따르면 『“BIM” 이라 함은 건축, 토목, 플랜트를 포함한 건설 전 분야에서 시설물 객체의 물리적 혹은 기능적 특성에 의하여 시설물 수명주기동안 의사결정을 하는데 신뢰할 수 있는 근거를 제공하는 디지털 모델과 그 작성을 위한 업무절차를 포함하여 지칭한다』는 정의를 내렸다. 이처럼 BIM이란 건축물(Building)에 한정된 정의가 아니라 건설 전 분야를 대상으로 하고 있다.최근 들어, 국가적 차원에서도 인프라 BIM 활성화 방안을 발표하고 있다. 제6차 건설기술진흥 기본계획(2018∼2022)은 “Smart Construction 2025” 비전아래 인프라 BIM 추진계획을 세우고 있으며, 국토교통부 보도자료(2017.07.11.)에 따르면 국도 설계, 시공, 관리 전 과정에 3차원 건설 도입을 목표로 시범사업 2개소(입장∼진천 국도건설, 포항∼안동 1-1국도건설)를 발표하였다. 이외에 BIM 시범사업은 표 1과 같이 시행 및 계획하고 있다.BIM을 활용한 터널 설계 및 시공사례(1)- 고속도로 터널을 중심으로 -김윤옥(주)한울C&B 대표문정호(주)한울C&B 이사장철우(주)한울C&B 차장신현강(주)포스코건설 차장정혁상동양대학교 교수Vol. 20, No. 3 55한국도로공사, 한국철도시설공단, LH공사를 중심으로 BIM 설계방식을 일부 시범사업에 적용하고 있으나, 구조물 중심의 2D기반 전환설계방식(2D설계 선시행 후 3D설계로 전환하는 방식)으로 BIM 설계를 검토하고 있다. 그러나 도로 및 철도와 같은 토목설계는 선형 위주의 계획으로 노선의 장대화 및 비정형화에 대한 설계검토가 필요하며, 토공 및 기타분야와의 인터페이스가 필요하다.본 고에서는 기존 2D 방식으로 완료된 설계자료를 토대로, 제안설계를 수행하면서 BIM을 활용한 변경설계 내용을 소개하고, 3D BIM 설계의 방향성을 제시하고자 한다.2. BIM을 활용한 초장대터널 설계 사례2.1 공사 개요<표 2> 함양～창녕간 고속도로 건설공사(제9공구) 공사 개요공사 개요총 연장L=6,340m설계속도100km/h구조물현황터널(2개소)천황산터널(5,503m)부림1터널(330m)교량(3개소)오산교(110.0m)권혜1교(35.0m)권혜2교(35.0m)사업비2,148억발주처한국도로공사2.2 BIM 설계 적용 현황기본설계의 경우 통상적으로 LOD 200 정도의 상세수준을 요구하나 본 과업의 경우 실시설계 및 시공단계를 고려하여 LOD 350 수준의 상세정도를 반영하여 3D 모델링을 수행하였다.본 설계에서는 주요 구조물인 천황산터널을 비롯하여 노선 내 구조물(터널 2개소 및 교량 3개소)과 토공에 대한 3D 정보를 포함한 모델링을 작성하였으며 작성된 모델링을 바탕으로 4D(공정) 및 5D(내역)의 연동까지도 실현하였다.본 제안설계시에는 기존 설계시 BIM을 활용한 설계방식(2D설계 전환방식, 단순 모델링, 시공간섭 검토)과는 다른 다음과 같은 실제적인 설계내용이 포함되고자 하였다.① 원지형 및 토공부를 포함한 전 노선 BIM 모델링② 모델링에 속성(단위공정, 단위단가 등)정보 포함③ 사토장 규모(용량산정) 및 배수 유역면적의 적정성④ 3D 모델링을 통한 4D(Schedule) & 5D(Cost) 자동연동<표 3> BIM데이터 상세수준LOD 100개념모델수준(그래픽표현만 가능한 수준)LOD 200 개략형상 모델수준(개략적인 수량, 크기, 형상, 위치 포함)LOD 300정밀형상 모델수준(치수정보 모두 반영)LOD 350 정밀형상과 연계정보 모델수준(LOD 300 + 연계정보 추가)LOD 400제작모델수준(상세나 조합, 설치정보가 포함)LOD 500준공모델<표 1> 발주처별 시범사업 계획과업명과업기간과업내용한국도로공사안성∼구리 고속도로2017∼10∼15공구 시공 중 BIM시범사업양평∼이천 고속도로(2공구)2017∼전 공종 BIM 적용입장∼진천 국도건설 시범사업2017∼2차로 개량, 5.1km한국철도시설공단인덕원∼수원 복선전철2018∼설계, 시공 BIM 시범사업LH공사세종5-1 생활권2018∼설계, 시공 BIM 시범사업한국수자원공사부산에코델타시티 2단계 4공구2018∼전 공종 BIM 적용56 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4BIM을 활용한 터널 설계 및 시공사례(1) - 고속도로 터널을 중심으로 -2.3 3차원 정보 모델링2.3.1 BIM WorkflowBIM은 3차원 입체모델링으로 구현한 설계 Data에 신뢰할 수 있는 정보를 더함으로써 공사 생애주기(계획, 설계, 시공, 유지관리)에 걸쳐 발생하는 정보를 통합․ 관리하고, 수정된 정보의 갱신에 따라 연관된 프로세스 정보들이 일괄적으로 재생산, 공유, 교환, 재배포 될 수 있는 3차원 기반의 정보 운용 환경 프로세스라고 할 수 있다. 그림 2에서 보듯이 현재 설계방식인 2D 도면정보를 3D로 시각화한 모델링에 시간요소가 더해지면 4D(공정)가 표현되며 여기에 가격적인 요소가 더해지면 5D(내역)를 구현할 수 있다.그림 3은 본 프로젝트에 반영한 BIM Workflow이며 각 공정별 사용 프로그램에 대해 설명하고 있다. 지형데이터를 통한 3D 원지반 작성 및 암층 구성, 계획지반 및 터널, 구조물 계획에는 Autodesk Civil3D를 사용하였으며 구조물 모델링은 Revit을 통해 작업 하였고 개념설계 검토<그림 1> 고속국도 제14호선 함양～창녕간 고속도로 건설공사(제9공구) 현황도(2018년 제안설계 입찰사례)<그림 2> BIM 단계별 요소Vol. 20, No. 3 57에는 Infraworks를 활용하고 시각화와 간섭체크에는 Navisworks를 통해 표현하였다. 수량추출 및 4D와 5D를 위한 작업에는 Trimble Vico Office를 사용하였다.2.3.2 토공 모델링그림 4에서 보듯이 수치지형도를 활용하여 지형, 기존시설물, 지장물 등을 포함하여 3D로 원지반을 구성하였고 생성된 지표면에 시추주상도 데이터를 활용하여 3D 지층조건을 구성하였다. 작성된 지형데이터는 볼륨정보를 포함하고 있기에 토공 깎기 및 터널 굴착에 따른 5D(수량 및 내역) 구현시 정보의 연동이 자동으로 이루어지게 된다. 또한, 그림 5와 같이 토공 도로구간에 대한 모델링을 수행하여 도로를 구성하는 부재별로 작성하여 포장 및 측구의 수량이 자동으로 산출될 수 있도록 하였고, 그림 6과 같이 원지형과 함께 3D 모델링을 수행하여 당초 설계시 산정된 배수유역면적과 그에 따른 배수설계의 적정성을 검증하였다. 또한 그림 7과 같이 위치별 사토장에 대한 용량검토 및 가능 여부 판단을 빠른 시간내에 할 수 있었다. 특히 기존 2D 횡단을 이용한 사토장 용량은 곡선부 및 계곡부 등에서 많은 오류를 내포하고 있어 3D 모델을 통한 임의의 위치에서의 좌표 도출 및 관련 정보 확인이 실시간으로 가능하여 설계시 정보 획득 및 판단에 유리함이 있었다.<그림 3> BIM Workflow<그림 4> 3D 지표면 및 암층 구성(Civil 3D)<그림 5> 도로 3D 모델링(Civil 3D)Next >