< Previous68 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4미고결 파쇄대 구간에서 발생하는 터널바닥 지반 융기의 원인과 대책<그림 6> 내공변위의 변화<그림 7> 노반융기의 변화<표 3> 터널별 융기 대책공법과 효과번호터널명단면인버트유무노반부 주요 대책공법락볼트길이(m)타설 길이락볼트 지름(mm)프리스트레스(kN)대책공법 전후의 노반융기속도(mm/년)대책공법 적용후의 융기속도 계측기간노반융기제어율(%)참고문헌횡단(m)종단(m)(1)아사히2차선 있음하향 RB51.5125026→62 년7714(2)오고토2차선 있음하향 RB51.5125014→71 년5015(3)가케마쓰2차선 없음하향 RB71125*11→***17(4)레분하마복선없음하향 RB3～511.5*505→***12(5)이티노세복선있음하향 RB7～821.1255012→11년 3개월909,31(6)우스이토게복선없음하향 RB81.41.525*3→08개월1009(7)제3토마무단선없음RC 사이드 블럭, 하향 RB61.82.525*3→0*1008(8) 신노보리카와단선없음RC 사이드 블럭, 하향 RB61.82.525*2.4→021일10032(9)카미이복선있음인버트와 측벽접합부 개축, 하향 RB91.30.6573250120→0*10010(10)오야마다2차선 없음인버트 신설, 하향 RB411.2**219→01년10013(11)잇본마쓰2차선 없음*하향 RB는 타설하지 않음4→***33(12)레분하마복선없음인버트 신설〃15→***12(13)아사마야마2차선 없음인버트 신설〃39→***18(14)우레시노2차선 없음인버트 신설〃23→***6,19(15)타와라자카2차선 없음인버트 신설〃45→***6(16)구로이와2차선 없음인버트 신설〃15→03년10011(17) 사카즈키야마 2차선 있음인버트 개축〃3900→06개월1007*：문헌에 언급 없음 Vol. 20, No. 4 69락볼트 보강은 길이 3~9m，타설 간격은 횡단/종단 모두 1~2m 전후로, 단위면적당 타설 개수로 환산하면 0.25~1개/m2 정도를 사용한다. 대책공으로서 하향 락볼트만 실시한 경우의 융기 억제율은 50~100%이다. 표 3의 1번과 2번 터널에서는 융기가 충분히 억제되지 않았으나, 5번과 6번 터널에서는 충분히 억제하는 것을 알 수 있다. 융기 속도가 빠른(30~40mm/년 이상) 경우에는 인버트 신설이나 개축 등 대규모 보수를 실시하였다. 융기 속도가 매우 빠른(120~219mm/년) 9번과 10번 터널의 경우는 인버트 신설과 하향 락볼트가 동시에 적용되었다.3.2 국내사례3.2.1 다산터널 도로터널로서 Montmorillonite의 영향으로 팽윤이 크고, 수분 흡수 시 급격히 풍화되어 토사화 되는 성질(Slaking)이 있으며, 선구조 분석결과, 절리나 층리의 불연속면 경사방향이 터널굴진에 불리하게 위치되어 있다. 대책은 상하반 모두에 인버트를 설치하여 조기에 링폐합이 되도록 하였으며, 보조공법으로는 수평선진보링, 프리그라우팅, 훠폴링 등을 적용하였다. 3.2.2 양북터널 혼펠스화 및 단층의 영향으로 분쇄암반을 형성한 파쇄대를 통과하고, 지하수 영향으로 암반강도 저하 및 파쇄대 단층점토의 결합력이 저하되어 여러 건의 낙반이 발생하였다. 대책은 숏크리트(300mm), 1차 강지보(H-200), 2차 강지보(H-100), 가인버트 숏크리트(150mm), 인버트 숏크리트(200mm), 인버트 강지보(H-200), 가압식 훠폴링을 적용하였다. 3.2.3 OO터널콘크리트궤도 터널로서 환경적 요인(동해)으로 인하여 운영 중 들뜸, 단차, 파손, 균열이 발생한 것으로 보고되었다. 체결장치의 고저조절패드를 이용하여 융기를 정정한 이후에는 추가 변형은 진행되지 않았다.4. 융기 우려개소에 대한 조사분석 사례 융기 우려개소에 대한 조사분석 사례를 제시하였다. 해당구간에 대한 실내시험과 현장시험 위주로 제시하였으며, 지보패턴, 보조공법, 암종, 침하 등을 추가적으로 조사하였다. 4.1 지형 및 지질 특성 해당 구간은 붕적토사층에 해당하며, 풍화잔류토와 풍화전석이 협재된 토질로 구성되어 있다. 전 구간에서 전반적으로 단층파쇄대가 존재하는 것으로 나타났으며, 단층점토 및 단층각력으로 구성되어 있는 것으로 나타났다. 또한 절리에 의한 파쇄대가 발달하여 시추조사의 코어회수율이 저조하였고 터파기 중 침출수로 인한 포화지반의 지지력 저하가 발생하였다.4.2 실내시험 실내시험은 지반의 팽창성을 확인하는 것이 주목적이다. 개소별 기본 물성 및 다짐시험을 수행하였으며, 팽창성광물 함유량에 대한 정량적 분석을 위해 XRD 시험을 수행하였고 팽창률 시험도 병행하였다. 특이 개소에 대해서는 내구성 시험(Slaking)을 추가하였다. 그림 8의 XRD 시험 결과, 석영(Quartz; Qtz), 사장석(Plagioclase; Pl), K-장석(K-feldspar; K-f), 몬모릴로나이트(Montmo-rillonite; Mnt), 방해석(Calcite; Cc) 이 함유되어 있는 것으로 확인되었다. 1번 개소는 팽창성 몬모릴로나이트의 함량이 14.1%로 나타났으며, 팽창률 시험 결과 최대 4.7%까지 체적이 증가하였다. 1번 개소를 제외한 시료에서는 1% 이내의 작은 팽창률을 보였다.팽창성 흙의 경우 상재하중에 의해 팽창률이 억제되는 70 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4미고결 파쇄대 구간에서 발생하는 터널바닥 지반 융기의 원인과 대책경우가 있어, 1번 시료에 대해서는 궤도 상재하중에 해당하는 하중을 재하하고 팽창률 시험을 수행하였다. 일반적인 궤도상재하중은 35kN/m²을 적용하나 본 시험에서는 안전측 검토를 위하여 10kN/m²을 사용하였다. 팽창률은 0.1% 이내로 매우 작게 측정되어 흙 자체의 팽창성으로 인한 융기 가능성은 낮다고 판단하였다.4.3 현장시험 현장시험은 콘관입시험, 평판재하시험, 시추조사, 표면파탐사(MASW)를 수행하였다. 콘관입시험을 통하여 시험대상 8개소 중 3개소에서 이완영역이 1m 내외에 분포하는 것으로 확인하였다. 확인 구간은 지하수로 포화된 구간으로서, 다른 구간에서도 지하수의 침투에 의한 이완 가능성이 있을 것으로 예상되었다. 표면파탐사를 통하여 국부적으로 전단파속도가 낮은 층과 여러 개의 불연속면을 확인할 수 있었다. 또한 표준관입시험 결과는 풍화토층의 두께 2m 이상에서 N값이 100회/30cm 이상으로 나타났으며, 상부 2m 이내에서는 26~46회/30cm로 나타났다.4.4 지반 굴착에 따른 구조안정성 분석해석을 수행하는 단면은 상부 토피고가 194m이며, 터널 주변에는 V등급 암반이 분포하고, 상부에는 IV등급 암반이 존재한다. 해석에 적용한 지보패턴은 그림 9와 같다. 해석을 위한 지반경계범위는 터널 좌ㆍ우측 4.0D(D:터널 직경), 하부 경계까지는 4.0D로 모델링하여 주요 해석 영역이 경계조건에 의한 영향을 받는 것을 최소화하였다. 적용 하중 분담율은 40-30-30이었으며, 측압계수는 K0 = 1.7, 해석프로그램은 FLAC 2D, 해석 모델은 Mohr-Coulomb 파괴기준에 의한 탄소성 해석모델을 사용하였다.<표 4> 실내물성시험 결과번호실내시험단위중량(kN/m3)LL(%)PI(%)OMC(%)팽창률(%)세립분함유율XRD 117.44329.213.9 4.18~4.7(0.053~0.059)*26.0팽창성 높음(몬모릴로나이트)218.7742.519.79.7 0.54~0.8121.0팽창성 미미318.644.118.210.3 0.71~0.8919팽창성 미미418.535.112.410.5 0.70~0.9712팽창성 없음519.340.216.19.0 0.24~0.3716팽창성 보통619.433.211.29.2 0.16~0.228팽창성 없음718.540.917.510.4 0.74~0.8616팽창성 없음820.9317.17.1 0.09~0.1010팽창성 미미*10kN/m2 상재하중 재하 후 시험 결과<그림 8> XRD분석 결과Vol. 20, No. 4 71해석 결과, 터널 바닥부의 추가적인 굴착으로 인해서 발생하는 터널 천단변위는 10mm 내외(천단변위의 8% 이내)로 나타났다(표 5 참조). 천단부의 경우 대구경 보강 그라우팅과 숏크리트, 강재보재로 보강이 되어 있어 하단부 굴착으로 인한 영향은 크지 않은 것으로 판단된다. 터널의 측벽부는 바닥부 굴착으로 추가적인 변위 발생량은 약 27mm 정도로(측벽 변위의 7% 이내)로 나타났으며, 측벽부 역시 대구경 보강 그라우팅과 숏크리트, 강지보재, 레그파일(Leg pile)로 보강이 되어 있어 하단부 굴착의 영향이 제한적인 것으로 판단된다.다만, 해석 결과에서 보면, 하반 솟크리트 굴착 후 발생하는 측벽부의 변위가 387.9mm로 상당히 크게 산출되어 터널의 안정성에 영향을 줄 것으로 판단된다. 이러한 결과는 194m의 깊은 심도와 V등급 암반 조건, K0=1.7의 해석조건이 불리하기 때문으로 판단된다.5. 이완영역 추정일반적으로 터널 바닥부는 발파 등에 의한 손상 때문에 일부 이완 또는 손상영역이 발생할 수 있으나 안정성 등에 영향을 미칠 수 있는 수준이 아니어서 설계단계에서 검토하지 않는다. 그러나 융기가 예상되는 경우, 터널 주변지반을 포함하여 바닥지반의 연약도도 검토하여야 한다. 터널 공사시 이완영역은 굴착단계에 따라 터널 상부터널 단면적용지보패턴굴착공법상‧ 하 반단면 굴착굴진장(m)0.8/0.8숏크리트(cm)40록볼트길이(m)4.0개수3.0간격(m)(종) 0.8/(횡) 1.0강지보/간격(m)H-300/0.8보조공법대구경 보강 그라우팅(150˚)<그림 9> 적용지보패턴<표 5> 변위 발생 결과구분천단변위(mm)측벽변위(mm)하단변위(mm)터널 굴착 상반 굴착-129.5341.9150.8 상반 Soft Shotcrete-136.5339.7149.4상반 Shotcrete 경화-144.9337.2148.4하반 굴착-147.0352.7170.6 하반 Soft Shotcrete, Rock bolt 설치-147.4364.2174.5하반 Shotcrete 경화-150.8387.9184.1터널 바닥부 굴착터널 바닥부 굴착(1m)-161.9414.2184.6터널 바닥부 굴착(1.5m)-154.1393.3170.1터널 바닥부 굴착(2m)-162.7414.2179.172 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4미고결 파쇄대 구간에서 발생하는 터널바닥 지반 융기의 원인과 대책와 주변 지반의 응력해방으로 발생한다. 특히 미고결 파쇄대에서는 응력해방과 함께 지하수가 유입되면서 급격한 강도상실을 유발하기 때문에 건설 당시에 양호한 지반으로 평가되더라고 운영중에 점진적으로 연약화되어 콘크리트궤도의 침하나 융기를 유발할 수 있다. 현장에서의 연약화에 대한 판단은 변위계측자료(내공변위, 융기의 속도)를 기반으로 페이스맵핑, 현장조사, 지하수변위량, 지지력 평가 등에 대한 정보를 종합적으로 사용하여 검토하여야 한다. 6. 바닥지반 변형 발생에 대한 대책대책선정을 위해서는 대상 구간의 변위계측자료(내공변위, 융기의 속도)를 필수적으로 확인하여야 하며, 페이스맵핑, 현장조사, 지하수변화 등 굴착시의 정보를 종합적으로 사용하여 검토하여야 한다. 6.1 인버트건설단계에서의 가장 효과적인 보강방안은 인버트를 사용하여 폐합시키는 것이다. 그림 10은 일본에서 제시하는 인버트 보강시의 단면사례를 나타낸 것이다. 그림 10(a)는 통상적인 신간선 터널의 단면이다. 그림 10(b)는 인버트의 반경을 작게 하여 보강하는 방안이지만, 굴착이 깊어지는 단점이 있다. 또한 그림 10(c)는 본 인버트 하단의 추가로 1차 인버트를 조기폐합하여 설치하는 안이다. 조기폐합의 경우에는 건설시의 변위소성영역의 억제뿐만 아니라 공용중의 변위억제에도 상당한 효과가 있는 것으로 나타났다.본 인버터(t=450mm)242,6002,5000.450R = 7,350R = 13,250R.L2,960LC 터널S.LR = 7,3502,9602,600R.LS.L2,5002본 인버터(t=600mm)0.600R = 7,5104LC 터널R = 7,3502,9602,600R.LS.L2,500R = 7,51024본 인버터(t=450mm)L채움 콘크리트C 터널1차 인버터(t=150mm)0.450(a) 케이스 A(b) 케이스 B(c) 케이스 C<그림 10> 보강구조별 터널 단면적<표 6> 락복트 보강시의 표준설계(안)보강type 1보강type 2보강type 3개요락볼트제원D25 X 4본/단면L=4m, 1.5m 간격D29 X 4본/단면L=4m, 1.0m 간격D35 X 6본/단면L=6m, 0.5m 간격프리스트레스50kN50kN50kN비고연직변위 구속도를 60%로 제어연직변위 구속도를 40%로 제어연직변위 구속도를 20%로 제어Vol. 20, No. 4 736.2 락볼트 표 6은 일본 철도에서 사용하는 락볼트 표준설계(안)으로서 복선 터널을 기준으로 한다. 목표로 하는 수직변위속도 억제율에 따라 락볼트의 표준 패턴(보강 등급을 I~III)을 구분하였다. 천단 및 측벽에서의 내공변위 계측 결과와 노반의 수직변위 및 물성치 정보를 기반으로 노반수직변위의 허용값을 계산하여 락볼트의 설계 제원을 결정할 수 있다. 노반의 융기속도를 측정하는 것은 필수적이며, 측정방법은 수준측량과 지중변위계, 궤도검측차를 이용한다. 락볼트는 축방향 전단력에 대한 저항이 아니라 인장재로 설계한다. 융기 억제 효과는 연직으로 타설하는 것이 효과적이지만, 각도가 20° 이내이면 영향이 적으며, 볼트 길이가 부족할 경우는 충분한 효과를 얻을 수 없다.6.3 그라우팅주입공법 그라우트주입공법의 종류는 LW, SGR, JSP, Jet grout, RJP, CGS, SRC, SQJ, MSG, NDS, SMI, ASG, AGS 등이 있으며, 밀크시멘트를 침투, 압밀, 할렬 주입하여 지반의 강성을 개량한다. 그라우팅공법 선정시에는 원지반 및 성토의 재료, 강도, 지형, 지질, 입도조건, 장비운용 특성 등에 대한 광범위한 사전조사가 필요하고 보강시에는 노반의 변형을 감시하기 위한 계측시스템을 구축하여야 하며, 보강 후에는 보강효과를 검증하기 위한 방안을 강구하여야 한다. 6.4 측벽부 보강공법 측벽부 보강은 터널하반의 양 측면을 대상으로 하며, 연약한 지층에 위치한 터널 하반의 측벽부 변위를 억제하여 굴착 시 주변지반 이완으로 측벽 및 바닥부 팽창압으로 인한 구조물 손상을 방지한다. 보강방법에는 강관, 그라우팅, 락볼트, 소일네일링 등이 사용된다. 7. 결 론 국내에서 발생하는 터널 융기의 주요 원인은 지반구속 해제 및 지하수 유입 등으로 인한 스퀴징(Squeezing)일 것으로 판단된다. 조사를 위해서는 터널의 변위계측자료(내공변위, 융기의 속도)를 필수적으로 확인하여야 하며, 페이스맵핑, 현장조사, 지하수변화 등 굴착시의 정보를 종합적으로 사용하여 검토하여야 한다. 융기에 대한 보강은 폐합인버트 구조가 가장 효과적이며, 락볼트, 그라우팅, 측벽부 보강 등을 검토할 수 있다. 콘크리트궤도 또는 콘크리트포장이 적용되는 터널은 과도한 융기가 발생할 경우, 유지관리대책을 적용하기가 매우 어렵기 때문에 융기가 예상되는 구간에 대해서는 건설단계에서 충분한 보강설계를 실시하는 것이 합리적이다.참고문헌1. 한국철도시설공단(2012), 고속철도 콘크리트궤도 유지보수기준 정립방안 연구보고서.2. 한국철도시설공단(2008), 철도 토공구간 원지반 안정성 강화기술 개발 보고서. 3. 한국철도시설공단(2014), 호남고속철도 토공노반의 신뢰성 확보를 위한 침하안정 평가 연구보고서.4. 渡邊康夫，藍郷一博， and 鈴木尊(2007), “供用中の新幹線トンネルで発生した路盤隆起の原因とその対策,” トンネルと地下， Vol. 38，No. 9，pp.7-16.5. 野城一栄, 嶋本敬介, 中西祐介, and 小島芳之(2012), “山岳トンネルの路盤隆起補強工の効果とその設計手法(特集 構造物技術),” 鉄道総研報告, Vol. 26, No. 4, pp.41-46.6. 이일화, “건설 및 공용 중 터널 바닥에서 발생하는 융기 현상과 대책”, 철도저널 제21권 제3호, 2018.6, pp. 68-78.[본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]74 자연,터널그리고 지하공간기술기사 5재래식 터널의 콘크리트라이닝 개량방안이재국(주)삼안 지반부 상무김현철한국도로공사 언양-영천사업단 기술차장정병천한국도로공사 언양-영천사업단 공사관리팀장김민수한국도로공사 언양-영천사업단 품질환경팀장이재인한국도로공사 언양-영천사업단 단장<그림 1> 경주터널 공사(한국도로공사 30년사, 1999)1. 시작하며“가장 빨리 뚫자, 그것만이 이 후진국을 탈출하는 길이다.”, 부산한 인부들의 움직임에서 감독의 지시사항을 읽을 수 있다. 두더지 굴처럼 깜깜하기만 한 땅굴, 저 땅굴이 결국 우리의 미래를 환하게 열어 주었다.위의 글은 한국도로공사 30년사 기념자료집에 있는 1969년 경부고속도로 아화터널(현재의 터널명 : 경주터널) 사진에 나와 있는 내용이다(그림 1 참조). 빛바랜 사진처럼 기억이 희미하거나 대한뉴스에서 나왔을 것 같은 광경이다. 리어카에 비벼진 시멘트를 밀고 터널 안으로 들어가는 모습, 터널 굴착 후 굴착면을 지지하기 위한 목재가 갱구부 주변에 수북하게 쌓여 있고, 인근에는 모래와 자갈도 보인다. 작업모도 변변히 갖추지 못하고 빨리빨리 공사 진행을 독촉했을 것이다. 우리 선배들의 피와 땀이 모여 현재의 우리가 있게 해 준 것에 감사할 따름이다. 경주터널은 1969년에 완공된 이후 약 50년의 시간이 경과하였다. 재래식 터널의 내부 콘크리트라이닝을 제거하고 새롭게 설치하는 보강공사에 대해 소개하고자 한다.Vol. 20, No. 4 75<그림 2> 경주터널 위치<그림 3> 언양-영천간 확장공사 경주터널구간2. 경주터널 현황2.1 현 황경부고속도로 언양~영천 확장공사는 1969년 개통된 경부고속도로 대구~부산 4차로 구간을 6차로로 확장하는 사업이다.울산 울주군 동부리에서 경북 영천 본촌동에 이르는 55.03km 구간이며(그림 2 참조) 경주터널은 1969년 재래식 터널 공법(ASSM)으로 공사가 완료되었다. 터널 연장은 부산방향 152m이며, 서울방향은 132m이다. 갱문형식은 면벽식으로 되어 있다(그림 3, 그림 4 참조). 언양~영천 확장공사를 통해 부산방향의 경우에는 3차로 터널을 신설하여 현재 차량이 통행 중에 있으며, 기존 경주터널은 터널 내부 타일 파손 등 이용차량의 긁힘이 발생하고 있는 것으로 조사되었으며 터널 내에는 일부 누수 및 열화 등으로 인해 내부 콘크리트라이닝에 대한 보강 대책이 필요한 것으로 파악되었다.76 자연,터널그리고 지하공간기술기사 5재래식 터널의 콘크리트라이닝 개량방안(a) 부산방향(b) 서울방향<그림 4> 기존 경주터널 전경2.0003.7503.7502.0003.6005155501503.600560550 15021.6540.0021.65EL.6.650EL.4.500EL.1.000EL.0.000EL.-0.600500R=5.150500R=5.150R=10.200R=10.200EL.0.142EL.0.312EL.-0.888EL.-0.738LC 터널중심선<그림 5> 아화터널 설계당시 내공단면(경부고속도로 건설지, 1969)2.2 아화터널 설계 및 시공현황경부고속도로 건설지에 의하면 아화터널 전체 폭원은 10.3m, 높이는 6.85m로 되어 있다(그림 5 참조). 차로 폭원은 2차로 7.2m이며 좌측 및 우측 길어깨폭은 1.0m이다. 측구를 좌우측 각각 0.70m로 하였으며 시설한계 폭과 높이는 9.2m(1.0+3.6+3.6+1.0)와 4.5m로 하였다. 터널 내공단면은 반경 5.15m의 원형단면으로 계획하였다.터널은 재래식 터널공법(ASSM)을 적용하였고 상부반단면, 정설 도갱 방식으로 시공하였다(그림 6 참조). 건설지에 의하면 하행선(부산방향) 서측에는 국부적으로 지표면까지 함몰되는 일이 있었으며 상행선의 경우에는 약 Vol. 20, No. 4 77<그림 6> 아화터널 굴착공법(경부고속도로 건설지, 1969)<그림 7> 강지보재에 작용하는 토피하중 개념(경부고속도로 건설지, 1969)<그림 8> 콘크리트라이닝 설계개념(Procter and White, 1946)272m에 이르는 구간에 연속 3회의 붕락사고가 있었다고 되어 있다.콘크리트라이닝은 두께 60cm 이상으로 시공하였으며 골재의 최대치수는 35mm 이하로 하였다. 콘크리트라이닝의 압축강도는 당초 130kg/cm2였으나 공사중 측압으로 인한 균열이 발생하게 되어 강도를 170kg/cm2로 상향시켜 시공하였다. 콘크리트라이닝은 원형 강봉(Φ216.3mm)의 아치형태의 강지보재를 라이닝 배면에 설치하고 강지보재가 토피하중을 받는 개념으로 설계하였다(그림 7 참조). 토피하중은 3m가 작용하는 것으로 보고 암반의 단위중량을 2.5t/m3으로 보았다. 지보재 설계 개념은 Procter and White Rock Tunnelling with Steel Support 방법으로 하였다(그림 8 참조).Next >