< Previous58 자연,터널그리고 지하공간기술기사 3BIM 도입으로 인한 건설산업 생태계 변화2.2 BIM 기술의 성숙 수준BIM의 적용을 기존 도면의 3차원 모델링 작업으로 생각할 수 있으나, BIM을 도입한 프로젝트는 3차원 모델링 기반의 통합적인 정보관리 및 협업 체계를 의미하는 것으로 이를 현실에서 가능하기 위해서는 BIM 기술 수준의 향상이 이루어져야 한다. 이를 BIM 기술의 성숙도라고 흔히 표현을 하며, BIM 기술의 성숙도에 따라서 BIM 활용 수준을 나눌 수 있다. BIM 성숙도는 다양한 관점에서 정의가 가능하며, 본 기사에는 BIM 기술의 프로젝트 적용에 있어 가장 앞서 있는 국가 중 하나인 영국에서 정의한 BIM 기술 성숙도(그림 7)에 근거하여 기술하고자 한다. BIM 기술 성숙도는 영국에서 BIM을 도입함에 있어 BIM 적용단계에 맞는 기술을 정의하고 각 수준에 부합되는 프로젝트와 계약에 적용될 수 있는 기준을 제시하기 위해 사용되고 있다. 기술 성숙도는 Level 0부터 3까지 총 4단계로 나누어져 있다.∙ Level 0 : 종이 혹은 전자문서로 된 2D CAD를 활용하는 단계로 이때에는 BIM을 적용하지 않고 전통적인 방식의 프로젝트 진행단계이며, 모델링 기반의 데이터 교환이 전혀 이루어지지 않는 단계이다. ∙ Level 1 : 건설정보의 협업 규정(BS 1192:2007)에 근거하여 2D 도면과 함께 3D 모델을 함게 관리하는 단계이다. 이때에는 공통된 데이터 환경(common data environ-ment, CDE)을 정의하여 데이터 구조 및 포맷에 대한 기준이 규정되며, 프로젝트 참여자간에 원할한 정보 교환 및 협업이 가능하다. 영국에서는 이러한 공통된 데이터 환경에서 업무가 가능하도록 다양한 BIM 가이드라인을 발간하고 있다.∙ Level 2 : 데이터가 연계된 BIM을 활용하여 각각의 공정에 대하여 3D 환경에서의 데이터 관리가 가능하며, 이러한 데이터는 전사적 시스템(Enterprise Resource Planning, ERP)에 의해 관리된다. 데이터 간에 맞춤형 미들웨어를 통하여 통합이 이루어지고, 이를 활용하여 4D 공정 데이터와 5D 비용 요소를 활용할 수 있다.∙ Level 3 : IFC (industry foundation Classes) /IFD (international framework for dictionaries)를 활용하여 완전한 개방형 데이터 통합이 이루어지며, 협업을 <그림 7> BIM Maturity Model of UKVol. 20, No. 4 59위한 모델 서버에 의해서 데이터 관리가 이루어진다. IBIM(integrated BIM)을 통해 동시에 엔지니어링 프로세스를 수행하는 수준이다.성공적으로 BIM을 적용한 대표적인 프로젝트로 평가받는 영국의 Crossrail 프로젝트는 Level 1 수준의 BIM을 활용하였으며, 현재 설계 중인 Crossrail 2프로젝트나 영국의 고속철도 프로젝트 HS2에서는 Level 2의 기술 수준 달성을 목표로 하고 있다. BIM level 2의 실무적인 프로세스는 우선 발주처에서 해당 프로젝트에서 BIM에 담겨야 하는 정보에 대한 정보요구서(Employer Information Requirements, EIR)를 작성하여 발주를 내고, 프로젝트에 참여하고자 하는 계약자는 발주처의 EIR에 근거하여 BIM 수행을 어떻게 할지를 계획하는 BIM 수행 계획서(BIM Execution plan, BEP)를 작성하여 발주처에 제출하게 된다. 발주처에서는 이러한 내용을 검토할 수 있어야하며, BEP 검토를 통해 최적의 계약자를 선정한다. 이후 계약자는 프로젝트와 관련된 모델, 도면, 사양 등 모든 정보를 리스트화하고 관련 정보의 납품 계획 및 담당자 등 모든 정보 관리 계획을 정리한 Master Information Delivery Plan(MIDP)을 수립하여 프로젝트를 수행하고, 프로젝트 진행에 따라서 정보를 COBie기반으로 축적해 가는 것이다. BIM level 2에서는 BIM Standard Processes, Uniclass 2015의 분류체계, Structured Data Format (COBie), Common Data Environment(CDE)의 사용을 원칙으로 하고 있다.2.3 국내의 BIM 기술 성숙도국내의 BIM 도입 초기에는 BIM을 활용하나 구조물의 3D 모델이 마케팅이나 홍보, 보고자료 만들기 등 시각적 정보활용에 국한되어 소극적으로 사용되는 경우가 많았다. 이때에는 BIM 적용이 프로젝트의 생산성을 향상시키는데 미흡했으며, 추가적인 업무의 성격을 지녔다.2010년 전후로 여러 선행 프로젝트를 통하여 2D도면에서 BIM모델로 전환하는 과정에서 효과적으로 많은 설계 오류를 찾아낼 수 있다는 사실이 검증되면서, 당시 많은 BIM 프로젝트가 BIM을 시공전 설계검토에 활용하였다. 이 시기 BIM 용역사의 수는 크게 증가하였지만, 여전히 대부분의 설계사와 시공사가 시공 중 BIM을 사용할 수 있는 노하우를 습득하지 못한 상태여서 BIM 활용은 시공전 설계검토에 국한 되었다. 2012년을 전후하여, 프로젝트에 BIM을 보다 적극적이고 실용적으로 활용하려는 새로운 시도들이 나타났다. 여전히 2D 도면의 실무방식이 주도를 하고 있었지만, 기존의 도면 방식으로는 설계, 엔지니어링, 시공이 어려운 비정형 구간, 무주대공간, 설비밀집 구간 등의 공사에 집중으로 BIM으로 수행하고, 나머지 구간은 기존의 2D 도면 기반의 방식으로 프로젝트를 수행하여 실질적인 혜택을 도모하고자 하였다. 건설산업계에서 이러한 기술적 단계를 기존의 도면중심의 방식과 BIM을 같이 활용한다고 하여 투트랙 BIM(two-track BIM)이라고 하였다. 이러한 투트랙 BIM으로 많은 효과도 보았으나, 한편으로는 도면과 BIM의 불일치, 두 가지 정보 출처(source)가 존재함에 따른 혼선 및 조율로 인한 시간소모 등으로 인하여, BIM으로부터 얻을 수 있는 혜택의 한계가 있었다. 이를 극복하기 위하여 2016년을 전후하여, 프로젝트의 모든 주요공종을 처음부터 끝까지 BIM으로 수행하는 방식을 시도하는 움직임도 나타났다. 그러나 여전히 BIM을 시각적 활용 혹은 투트랙 BIM 수준으로 활용하고 있는 경우가 많으며, 사실 이러한 경향은 국내뿐만 아니라 유럽, 아시아 국가에서도 유사하게 나타난다.2.4 영국 철도분야의 BIM 도입 현황철도 프로젝트에 BIM을 적용한 대표적인 프로젝트인 영국의 Crossrail 프로젝트에서는 프로젝트 초기부터 BIM 도입을 시작하여, 도심지의 불리한 조건 하에서 설계오류 60 자연,터널그리고 지하공간기술기사 3BIM 도입으로 인한 건설산업 생태계 변화감소 및 시공 과정에 대한 리스크 감소, 다양한 분야의 사업 참여자 간의 정보 공유 및 협업, 정보 손실 감소 등의 BIM 도입을 통한 프로젝트 체질 개선으로 성공적인 프로젝트를 달성해가고 있다. BIM 기반의 프로젝트 수행 시 핵심적인 항목은 프로젝트 참여자간의 협업이며, 이를 위해 Crossrail에서는 PAS/BS 1192 기준을 준용하였으며, BIM기반 데이터 환경 구축을 위해서 Bentley 사와 기술적인 partnership을 체결하여 BIM 기반의 통합 정보관리 시스템을 구축하였다(그림 8). 통합 정보관리 시스템은 문서와 자산정보(Electronic Document Management System, EDMS), BIM 모델 및 도면(Electronic Document Management System, EDMS), 공간정보(Geographical Information System, GIS)의 3개의 시스템으로 구성되어 있으며, 각 시스템의 데이터 연계가 가능하도록 하였다. 예를 들어 사용자가 지도의 일정 영역을 클릭하면 시설물의 3차원 모델을 열 수 있도록 하였으며, 도면을 클릭하면 자산 정보를 볼 수 있고, web-map에서의 자산정보가 바로 연결될 수 있도록 하였다. EDMS의 sub 시스템으로는 Asset Information Management System(AIMS)이 구축되어 있으며, AIMS에서는 코디네이팅, 승인, 저장, 자산 정보 조회 등의 기능이 가능하도록 되어 있으며, 프로젝트 생애주기 동안의 정보의 신뢰성과 활용성을 보장하는 것이 목표이다. 구축된 통합 정보관리 시스템을 바탕으로 프로젝트 참여자들이 BIM 성과품 납품, 승인, 협업 등 일련의 BIM 프로세스가 가능했으며, 이때에는 프로젝트 참여자간의 데이터의 공유를 위하여 공통 데이터 환경(Common Data Environment, CDE)을 구축하여, 작업 성과물에 따른 공유에 문제가 없도록 하였다.현재 설계단계 중인 영국의 고속철도 2단계 프로젝트인 HS2 프로젝트에서는 프로젝트 초기부터 BIM을 사업 성공의 핵심으로 규정하여 적극적으로 활용하고 있으며, HS2의 BIM 담당자 인터뷰를 통해 이를 정리하였다. HS2에서는 BIM 활용을 위한 전략으로 Leadership, Upskilling, Future-proofing을 규정하였다. Leadership은 발주처의 역할로, 계약자에 요구하는 정보의 명확화, 시방과 기준의 성숙화, 협업을 위한 BIM 플랫폼(CDE) 구성, 업계의 BIM 확산 추진 등을 주요내용으로 한다. 영국에서도 BIM의 도입은 전통적인 프로젝트 참여자들에게 있어 쉽지 않은 일임을 인정하고 있으며, 이를 개선하기 위한 것이 upskilling 전략이다. 일반적인 BIM 모델링 교육의 경우 벤더사의 교육 프로그램으로 가능하나, BIM 기반의 프로젝트의 수행을 위해서는 모델링 기술 외에도 BIM 기반 협업, 코디네이트, 승인 등 프로젝트의 프로세스 기술에 대한 교육이 필요하다. supply chain에 이러한 기술의 교육<그림 8> Crossrail’s Integrated Technical Information SystemsVol. 20, No. 4 61을 위해서 HS2에서는 직접 “BIM Upskilling Platform” (www.bimupskilling.com)을 구축하여 정보를 제공하고 있다. Future-proofing에서는 BIM 사용 프로그램의 호환성 문제, 데이터의 소유권 문제, 잘못된 데이터 기반의 의사결정 방지 해결을 목표로 하고 있다.현재 영국은 level 2 수준의 BIM 성숙도를 달성하였으나, 업계 전체에 level 2 수준의 정착이 완료되지는 않았다고 하며, level 3의 달성보다는 level 2 수준의 BIM 기술 정착을 우선 목표로 뽑았다. 영국 역시도 BIM 도입에 있어 많은 어려움이 있었으며, 특히 발주처 내의 BIM 도입에 대한 반발과 기존의 업계의 새로운 기술로의 전환에 대한 회의적인 태도를 뽑았다. 이는 현재에도 진행되고 있는 문제이나, 일단 BIM 기술을 도입한 회사의 경우 초기 투자기간 이후에는 BIM 기술로 인한 생산성 향상을 이루었으며, 어떠한 기업도 이전 체계로 돌아가지는 않는다고 한다. 또한 BIM 도입으로 인한 생산성 향상 정도를 명확한 건설비 절감액으로 제시하라는 요구를 받으나, BIM 도입으로 인한 설계오류 감소, 프로젝트 참여자간 협업 증진, 효율적인 의사결정, 시공성 검증, 업무 프로세스의 효율화 등의 효과는 실제 비용으로 환산하기가 쉽지 않다고 한다. 마지막으로 BIM 기술이 전통적인 건설‧ 토목기술이라기 보다는 새로운 IT 관점의 기술이기 때문에 이에 대한 전문 인력을 구하는 것을 어려운 점으로 뽑았다.3. 국내 BIM 정책 및 도입 현황3.1 국내 BIM 도입 정책3.1.1 조달청조달청은 2016년도부터 맞춤형 서비스로 집행하는 모든 공사에 BIM 적용을 의무화하였으며, 2009년부터 2016년까지 총 50건, 5조 4360억원 규모의 맞춤형 서비스 사업에 BIM을 적용하였다. 총 공사비 300억원 미만의 중‧ 소규모 공사는 계획설계 또는 중간설계 수준의 최소화된 BIM 수준을 요구하고, 300억 원 이상 공사는 실시설계 수준의 BIM, 500억 원 이상 공사는 실시설계 수준의 BIM에 더하여 사업특성에 따른 추가적인 건설 정보 입력을 요구하고 있다. 이와 더불어 2010년 시설사업의 BIM이 갖춰야 할 최소 요건을 명시하고 설계‧시공자의 업무 수행 기준의 제공을 통하여, BIM의 품질을 확보하기 위하여 ‘시설사업 BIM적용 기본지침서’를 발간하였으며, 2016년 3월 4차 개정을 하여 공표하고 있다. 3.1.2 국토교통부국토교통부는 ‘제5차 건설기술진흥기본계획’과 ‘제4차 건설사업정보화기본계획’을 통하여 BIM 도입 계획을 수<그림 9> BIM기반 철도인프라 한‧ 영 국제 세미나 중 영국 Crossrail 및 HS2 발표(2017) 62 자연,터널그리고 지하공간기술기사 3BIM 도입으로 인한 건설산업 생태계 변화립하였으며, 2010년 건축분야 발주자, 건설사, 설계사 등이 BIM 도입에 필요한 요건 및 절차적 방법을 제시한 ‘건축분야 BIM 적용가이드’를 배포하였다. 2016년에는 건축분야 BIM 도입 및 활용을 촉진하기 위해서 한국형 BIM 표준 라이브러리를 배포하였으며, GIS 활용 BIM기반 설계지원 시스템, 구조계산서 연동‧ 개산 견적 시범 프로그램 등을 제공하였다. 이와 더불어 건축분야 BIM 설계도서를 작성하고 활용하는데 기준이 되는 ‘BIM 설계도서 작성 기본지침’을 배포하였다. 또한 2020년까지 사회기반시설(SOC) 건설공사의 20%에 BIM을 적용한다고 발표하였으며, 이를 위해 BIM파일표준개발, 성과품 검사도구 및 보급시스템 구축 등 기반구축사업을 추진하고, 도로 및 하천에 시범사업을 추진한다고 발표하였다. 2017년에는 국도 설계‧ 시공‧ 관리 전 과정에 BIM을 도입하는 것을 발표하였으며, 2017년 발주되는 국도건설 사업 중 2개 사업에 BIM을 시범적용하는 것을 발표하였다. 3.2 국내 건설ㆍ인프라 분야 발주처의 BIM 적용 현황3.2.1 한국도로공사한국도로공사에서는 도로분야의 설계, 시공, 유지관리 기술의 선진화 및 각 단계별 정보 연속성을 확보하기 위해서 Ex-BIM(Expressway Building Information Modeling)을 추진하고 있다. 2011년~2014년까지 실시설계 단계에 BIM을 시범도입하여, 대구~순환(5공구), 함양~울산(12공구)에 BIM을 도입하였으며, BIM 기반의 수량산출 결과 검토, BIM 포맷 검토, BIM 적용의 문제점과 추후 선결과제들을 도출하였다. 또한 2015년 설계, 시공, 유지관리 단계별 BIM 적용에 대한 ‘Ex-BIM 가이드라인’을 발간하였으며, 2016년 Ex-BIM 로드맵을 수립하였다. Ex-BIM 로드맵에서는 BIM 도입에 대해서 도입, 확장, 정착의 세 단계로 나누어 단계별 전략을 수립하였으며, 도입단계(~2017년)에서는 로드맵 및 가이드라인 작성, 설계단계 BIM 도입을 추진하고 확장단계(2018~2019)에서는 시공 및 유지관리 단계에 BIM 적용을 추진하고 전사적인 Ex-BIM 관리자 육성 및 전담부서 생성을 목표로 하며, 확장단계(2020년 이후)에서는 BIM의 전사적 활용성 증대, 신규 고속도로 사업에 BIM 전면 도입 등을 목표로 하고있다. 3.2.2 한국토지주택공사한국토지주택공사에서는 2008년부터 공동주택 공사에 BIM 시범적용을 실시하고 있으며, 2011~2012년 공동주택 BIM 활성화 방안 및 지침관련 연구를 통하여 LH BIM 로드맵, ‘LH BIM 적용 가이드라인’, LH BIM 공동주택 BIM 적용 시범사업에 대한 계획을 발표하였다. 또한 단지, 도시, Infra시설에 대한 3차원 정보화 계획‧ 정밀설계‧ 시공‧ 관리시스템 구축을 위한 LH Civil-BIM 구축을 추진하여, 2016년에는 단지분야 BIM 도입 계획을 수립하였다. 도입단계(2017)에서는 설계를 중심으로 LH Civil-BIM 체계 구축, 3D 정밀지형 확보, 단지 공종별 BIM 메뉴얼 확보, 라이브러리 제작, BIM 가이드라인 및 발주지침서 마련, BIM 연계 상세수량 및 공사비 산출 기술 개발을 목표로 하며, 확장 단계(2018년 이후)에서는 계획 및 설계의 BIM 고도화, 시공단계의 BIM 체계구축 및 선별 적용, 유지관리단계의 BIM 체계 구축을 목표로 하고 있다. 2017년에는 현행 LH의 BIM 관련 5개의 가이드라인을 국가 BIM 정책(조달청, 국토부)에 맞춰 일관성 있는 기준 제시, 구체적인 BIM 활용 목표 및 활용 수준 설정, 제출물 명칭, 작성규격 등 표준화 제시 등의 목적을 위하여 ‘BIM 설계 가이드라인’ 및 ‘BIM 활용 계획 가이드라인’의 2개로의 통합 개정을 추진하고 있다. 또한 한국토지주택공사에서는 설계단계에서부터 시공사를 조기 선정하여 시공사의 시공노하우 및 선진 기술 요소를 설계 단계에 선 반영하고, 시공성 향상, 설계최적화, 설계-시공 연계를 통한 공사기간 단축, 사업비 관리 Vol. 20, No. 4 63등 공사관리의 효율성 제고를 위한 ‘시공책임형CM BIM’ 적용을 추진하고 있다. 여기서는 설계 및 시공단계 주요 검토 도구로 BIM(설계‧ 시공)을 적용하도록 하고 시공사가 BIM 수행 주체를 맡아 설계 및 시공단계 BIM 적용을 통한 BIM 활용의 효율성을 증진시켜 주택 품질 향상을 달성하도록 계획하고 있다. 이는 사업자 선정에 있어서도 BIM 단계별 수행방안에 대한 배점을 반영함으로써 사업자의 BIM 수행 능력을 직접적으로 사업자 선정의 중요한 고려요소로 하였다. 3.2.3 한국수자원공사한국수자원공사는 국내외 건설산업 정책과 방향성에 맞춰 전사적 BIM 다차원 설계기밥 도입을 목표로 ‘K-water 설계‧ 시공 선진화방안(BIM도입) 컨설팅 용역’을 통해 BIM 도입 로드맵인 ‘K-water BIM 마스터플랜’을 구축하였으며, 도입단계 (2013~2014년)에서는 댐 사업부문 선적용, 확장단계 (2015~2016년)에는 수도‧ 녹색사업 확대 적용, 정착단계 (2017이후)에는 전사적 건설기술 지원체계 통합 및 정착을 발표하였다. 또한 일괄입찰공사 입찰안내서 표준안 3차개정(2010.01.08)부터 각 사업별 3D 시공계획 및 3D 시뮬레이션을 명시하여, 설계변경으로 인한 불필요한 예산지출과 작업시간의 낭비를 방지하고, 도면간의 불일치 및 설계오류 최소화를 통한 공기절감 효과를 거둘 수 있도록 노력하고 있다. 이와 더불러 다목적댐 및 홍수조절지의 3차원 설계정보화, 3차원 표준객체모델 생성 및 라이브러리화, 객체속성정보와 연계된 수량/비용 산출 자동화 시스템 구축 BIM 발주가이드라인 등 BIM 도입을 위해 힘쓰고 있다.4. 맺음말건설분야 BIM 도입의 의미는 단순히 기존의 도면을 3D 모델링을 수행하는 것을 넘어서 프로젝트의 전생애주기동안 설계오류 감소 및 시공 과정에 대한 리스크 감소, 다양한 분야의 사업 참여자 간의 정보 공유 및 협업, 정보 손실 감소 등의 편익을 발생시키기 위한 산업 전반의 체계 변환을 의미한다. 이를 위해서는 발주처의 성과품 납품에 대한 정보의 명확한 요구, 시방과 기준의 제정, 협업을 위한 전사적인 BIM 플랫폼 구성, 업계의 BIM 확산 추진 전략 수립, 3D 모델링 기술 수준 향상, BIM 기반 협업 및 코디네이트 프로세스 정착 등의 프로젝트 참여하는 모든 기관에서의 노력이 필요하다. BIM의 도입은 전세계적인 추세로, 향후 국내외 모든 프로젝트는 BIM으로 발주될 것이다. 높은 수준의 BIM 기술의 달성은 곧 건설산업의 경쟁력 향상을 의미하며, 국내의 성공적인 BIM기술의 정착을 기대한다.[본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]64 자연,터널그리고 지하공간기술기사 41. 서 론터널을 파쇄대 등의 연약구간에 건설할 때 예상치 못한 바닥 지반의 침하 또는 융기가 발생하는 경우가 있다. 침하의 발생 원인에 대한 메카니즘은 밝혀져 있고 대책 방안도 수립되어 있지만, 융기는 원인 규명이 불명확하고 대책 방안도 매우 제한적이다. 융기는 주로 굴착에 의한 응력변화, 팽창성 점토, 지하수 변동 등에 의해 발생하는 것으로 알려져 있지만 건설이 종료된 이후에도 발생하는 경우도 있다. 이 경우에는 교통안전성을 심각하게 저해시키고 유지관리에 막대한 비용을 필요로 한다. 특히 교통구조물로 콘크리트 슬래브가 적용되는 구간에서는 하로(높이를 낮추는 작업)가 불가능하기 때문에 슬래브를 전체적으로 올려서 종곡선 선형을 맞추는 보수작업을 실시해야 하며 보수 한도를 초과할 경우에는 대처가 매우 곤란해진다. 따라서 융기가 예상되는 구간에서는 건설단계에서 발생 가능성을 면밀히 검토하여야 하며, 가능한 모든 조치를 취하는 것이 합리적이다. 본 기사는 터널 건설 및 운영단계에서 발생하는 융기문제에 대처하기 위하여 융기의 원인, 조사방법 및 대책에 관련된 기술적인 정보를 제공하고자 작성하였다. 2. 노반 융기의 원인과 메커니즘 2.1 융기의 원인터널 노반의 융기 원인은 표 1에 나타낸 바와 같이 응력이나 환경변화 등의 외적 요인과 설계 및 시공시에 기인하는 내적 요인으로 구분할 수 있다. 융기는 하나의 요인으로 발생하기보다는 환경적인 외적요인에 의해 복합적으로 발생하는 것으로 추정되며, 주요 원인으로는 연약대에서의 소성압과 지하수 유동을 들 수 있다.미고결 파쇄대 구간에서 발생하는 터널바닥 지반 융기의 원인과 대책이일화한국철도기술연구원 책임연구원유민택한국철도기술연구원 선임연구원박정준한국철도기술연구원 선임연구원최영태 한국철도기술연구원 선임연구원장동두한국철도기술연구원 선임연구원Vol. 20, No. 4 652.2 융기의 메커니즘융기 메커니즘은 크게 Squeezing(소성화에 따른 압력변화)과 Swelling(흡수 팽창)으로 구분할 수 있다. 노반 융기에 국한되는 Squeezing과 Swelling의 메커니즘은 그림 1과 같다. 국내외에서 발생한 융기 사례를 검토한 결과 팽창성 지반이 원인인 경우도 있지만, 대부분의 경우는 터널구조의 응력변화에 따른 Squeezing으로 발생하는 것으로 판단된다. Squeezing은 지반강도비(지반의 일축 압축 강도에 대한 상부압력의 비율)가 작을 경우, 축차응력이 커져서 노반이 융기하는 현상으로 압력이 커질 경우에는 노반 아래 원지반에서 쐐기 모양의 전단파괴가 발생한다. Swelling은 지반이 이완되고 지하수가 유입되면 점토광물이 흡수팽창하여 노반이 융기하는 현상이다. 흡수 팽창의 크기는 팽창성 점토광물의 종류와 두께에 의해서 결정된다. 융기현상은 기본적으로 시간의 경과에 따라 비례적으로 증가하며 자연적으로 수렴하는 경우는 거의 없는 것으로 알려져 있다[5].<표 1> 노반 융기의 원인구분내용외적 요인소성압터널 주변 지반의 소성화에 따른 압력변화, 팽창성 점토의 흡수팽창압, 크리프 하중의 작용지하수 유동배수 불량 또는 방수형 터널의 배면수압동상동결 팽창에 의해 작용하는 압력지진지진에 따른 지각 변동근접 시공터널에 근접한 구조물 건설로 인한 영향교통 하중터널에 작용하는 교통 하중내적 요인재료불량인버트 콘크리트 및 노반재료 등의 불량인버트 부재인버트가 필요한 지반에서의 인버트 누락으로 인한 변상인버트 구조 부적절인버트 반경과 두께가 적절하지 않게 설계인버트의 조기 시공변위가 수렴하지 않은 상태에서의 조기시공, 콘크리트 양생기간 부족인버트와 측면 벽의 연결 불량인버트와 측벽의 연결 불량에 기인하여 축력 전달 불충분에 의한 접속부의 파괴배수 불량배수불량에 따른 흡수팽창과 공동화에 의한 침하(a) Squeezing(b) Swelling<그림 1> 노반융기 메커니즘66 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4미고결 파쇄대 구간에서 발생하는 터널바닥 지반 융기의 원인과 대책2.3 융기에 의한 콘크리트 슬래브의 사용성 평가융기구간에서 콘크리트 슬래브의 손상 메커니즘은 과도한 휨 변형에 의한 슬래브 손상(균열 또는 피로균열)으로 나타난다. 융기 등으로 인한 부등침하 구간에서는 슬래브 하부에 간극이 발생하고 여기에 슬래브 자중과 하중이 재하될 때 슬래브 휨응력이 증가하고 손상이 발생하게 된다. 슬래브 단부가 하부 기층에 닿은 이후의 휨 모멘트는 하중 재하점의 슬래브 하부에서 최대가 된다. 따라서 슬래브에 발생하는 총 응력은 그림 2와 같이 산정된다. 융기 구간의 길이가 짧을수록 작은 부상량(uplift)에서 휨 파괴가 발생하게 된다.[1]2.4 융기시 차량 주행안정성 다음 그림 3은 융기시의 차량 주행안정성을 검토하기 위하여 200km/h 주행속도의 새마을호를 대상으로 윤중변동율을 수치해석적으로 검토한 사례이다. 융기된 궤도의 변형별(융기 연장 대비 융기량) 윤중변동율을 노반침하인 경우와 비교하여 나타낸 것으로, 점선은 노반침하인 경우이고 실선은 노반융기의 경우이다. 노반이 융기한 경우의 윤중변동율이 노반이 침하한 경우 보다 약 10% 크게 나타나 융기가 침하보다 더 불리한 것으로 나타났다.3. 터널바닥 융기 사례3.1 국외사례(일본)일본은 지질학적으로 연약대가 많이 분포하기 때문에 다양한 융기현상이 발생하고 있다. 그림 4는 Ipponmatsu <그림 2> 슬래브에 발생하는 총(total) 응력<그림 3> 노반 침하와 융기시의 윤중변동율 비교(새마을호, 주행속도 200km/h)<그림 4> 터널노반 융기 사례(Ipponmatsu터널)Vol. 20, No. 4 67도로터널에 발생한 융기로서 10년 동안 280mm의 융기가 발생하였다. 그림 5는 Toriyasan터널(2,6km)로서 개통 이후 18개월 동안 187mm의 융기가 발생하여 교통을 전면 차단하고 폐합인버트를 추가 시공하였다.표 2는 개통 이후 융기가 발생한 일본터널 16개소의 사례를 정리한 것이다. 도로와 철도 구분없이 융기가 발생하며, 년간 수 백mm의 융기가 보고되기도 하였다. 인버트가 있는 경우에도 융기가 발생하였다.그림 6은 압력의 변화가 발생한 터널에서 경과 년수에 따른 내공변위와의 관계를 나타낸 것으로서, 경과 년수가 증가함에 따라 비례적으로 내공변위가 증가하는 것으로 나타났다. 그림 7은 노반 융기의 계측 결과를 나타낸 것으로, 융기 속도는 다르지만 시간의 경과에 따라 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 내공변위의 변화가 융기와 상관성이 있음을 알 수 있다.표 3에서 융기 구간에서 보강 전후의 상태를 비교하였다. 보강방법은 주로 폐합인버트와 락볼트가 적용되었다. <그림 5> 터널바닥 융기로 인한 인버트 추가시공(Toriyasan터널)<표 2> 노반 융기 터널 일람(일본)번호터널명선명단면인버트 유무대표 암종복공지반 강도비수평내공 변위(mm/년)노반 융기(mm/년)팽창성 점토광물참고 문헌(1)카미이JR 하코다테 본선 복선있음사문암1700.0350120없음 (Mg형)10(2)구로이와국도231호2차선 없음안산암 용암(열수변질)1001115있음11(3)레분하마JR 무로란 본선복선없음안산암1000.192.415있음12(4)제3토마무JR 세키쇼센단선없음흑색 편암2000.7823없음8(5)오야마다현도 미야코코선 2단선 없음화강암702.686219있음13(6) 사카즈키야마야마가타 차도2단선 있음유문암질 응회암(열수변질)900.145613870있음7(7)아사히국도 7호2차선 있음응회암1300.071326없음14(8)다이마이국도 7호2차선 있음이암--114있음15(9) 로쿠주리고에JR 타다미선단선없음응회암3500.68156불명확16(10)다고쿠라JR 타다미선단선없음응회암1501.58118있음16(11)가케마쓰니가타현 씨사이드라인단선없음유문암500.51313불명확17(12) 우스이토게호쿠리쿠 신간선 복선없음응회각력암2001.3613있음9(13)이치노세호쿠리쿠 신간선 복선있음응회각력암2002.47112불명확9(14) 아사마야마조신에쓰 차도2차선 없음응회각력암90-139있음18(15)우레심노나가사키 차도2차선 없음응회각력암901.33423있음 6, 19(16) 타와라자카나가사키 차도2차선 없음혈암2400.04945없음6Next >