< Previous58 자연,터널그리고 지하공간기술기사 41. 개 요통상 병설터널로 계획시 터널간 이격거리를 1.5D(D: 터널직경)이상으로 배치하므로 산악지 및 도심지에서 갱구부 환경훼손 과다와 용지보상 등 민원발생으로 터널선형 계획 상 적용성에 대한 제약이 따르고 있다. 특히, 터널 갱구부 형성구간에 대해서는 상기 문제점을 개선방안으로 주로 2-Arch 터널이나, 1-Arch터널(대단면)의 터널형식으로 계획하는 실정이었다. 터널공법은 안전성과 경제성, 시공성, 품질관리가 유리하며, 시공시 이상상황에 대한 현장대체가 용이한 터널 형식을 선정하여야 한다. 일반적으로 2-Arch터널은 지반 및 지질 리스크가 분포하는 경우에 주로 적용되어 왔으나, 실제 시공성, 경제성, 유지관리성(벽체누수)등 여러 요인에서 문제점이 대두되어, 이에 대안으로 1-Arch터널(대단면터널)이 주로 양호한 지반에 계획되고 있으나, 터널 내 교통흐름이 대면통행으로 터널내 환기, 방재 및 갱구부 토피확보에 따른 용지매입 및 민원(발파횟수), 공사기간, 경제성, 유지관리(시특법 1종시설물) 등의 문제점을 내포하고 있는 실정이다. 따라서, 상기 터널 형식에 따른 문제점을 해소할 수 있는 초 근접병설터널 형식을 개발하고, “도로공사 방침(설계처-2482)”에 의거하여 안전성, 경제성, 유지관리 측면에서 유리한 근접병설터널 형식으로 변경계획하게 되었다. 지반 및 지질리스크(차별풍화대 및 저토피) 통과 구간에서 근접병설터널 설계 및 시공사례임철훈한국도로공사 아산천안건설사업단 단장강필규한국도로공사 아산천안건설사업단 공사관리팀장안용관(주)하이콘엔지니어링지반터널부 팀장고영진HDC현대산업개발 현장소장박병선(주)수성엔지니어링 아산천안건설사업단 토질기술지원팀Vol. 21, No. 2 592. 원 설계 및 지반현황2.1 검토구간 현황본 검토구간은 ○○고속국도 건설공사로 행정구역상 충남 천안시 동남구 일원에 위치하는 ○○터널의 원 설계는 2-Arch 터널 연장 400m의 왕복 2차로로 계획되며, 과업구간 대부분은 호상흑운모 편마암의 기반암으로 분포하고 있으며, 시추조사 및 각종 물리탐사 성과를 종합 분석 시 다수 차별 풍화대구간과 종점 갱구부 인근에서 인위적 개발(굴착)에 따른 저토피 통과구간 형성 등으로 지반 및 지질 리스크가 광범위하게 분포함에 따라, 터널 연장 축소 및 터널 형식 변경 등을 통해 상기 문제들이 발생할 가능성을 최소화 할 수 있도록 계획하였다(그림 1~2).노선현황지질현황<그림 1> 검토구간 현황<그림 2> ○○터널 원 설계 현황2.2 지형 및 지질조건○○터널은 전반적으로 완만한 구릉성 산지로 형성된 지형적 특징으로 평야지대가 발달한 도심지 외곽 일대에 위치하며 주요 지질은 호상 흑운모 편마암이 넓게 분포된 기반암으로, 갱구시점 인근으로 추정단층대가 형성되어 있다.60 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4지반 및 지질리스크(차별풍화대 및 저토피) 통과 구간에서 근접병설터널 설계 및 시공사례3. 근접병설터널공법의 특징3.1 개 요본 근접병설터널은 건설신기술로 고비용의 2-Arch터널 또는 상대적으로 안정성이 불리한 1-Arch터널공법을 대체하기 위해 개발되었으며, 기존 근접터널의 무분별한 필라부 보강기술에 대해 합리적이며, 효과적인 요소기술을 제안 활용하므로 안정성, 경제성, 시공성 및 유지관리성을 확보할 수 있는 공법적 특징을 내포하고 있다.3.2 공법의 요소기술3.2.1 근접터널의 제어발파법근접터널 제어발파는 먼저 ①인장력에 약한 좁혀진 필라부 암반의 인장력 강화를 위해 선행 굴착된 필라부에 격자형 철근으로 인장력이 4배 이상 보강된 철근-숏크리트에 의한 발파지지벽을 축조하며 ②후행터널 굴착시 발파충격을 차단하는 라인드릴링 또는 슬롯드릴링을 천공하여 필라부 손상을 억제시키며, ③근거리의 필라부 손상을 주지 않는 이격 거리별로 산정된 지발당 장약량에 의한 제어발파의 3가지의 기술요소로 구성되어 있다(표 1).<표 1> 제어발파법발파충격차단 개념도 충격차단공 설치 기준발파진동기준구분슬롯드릴링라인드릴링천공경Φ76~102mmΦ45~102mm천공간격천공경의 0.80~0.90배천공경의 2~4배구분출처(cm/sec)암반(선행)미 Dupon사30.5(25)콘크리트(후행)원자력발전/현장실측153.2.2 철근-숏크리트철근-숏크리트는 전술한 필라부의 발파지지벽 기능과 더불어 근접병설터널의 필라부 보강법으로 개발되었으며, 불연속면에 대한 보강 기능 이외에 암반 필라 강도 부족시 터널 굴진과 병행한 필라 지지체 축조가 용이해져 암질이 불량한 경우도 근접터널공법이 가능토록 개발되었다. 또한, 필라부의 철근-숏크리트는 강지보 또는 필라부 록볼트(타이볼트)와 조합된 시공으로 각각의 보강시보다 필라부 보강효과를 상승시킬 수 있으며, 철근-숏크리트에 의해 필라 안정성을 충분히 확보할 수 있기 때문에 근접터널의 지보량을 일반 병설터널 수준으로 적용시킬 수 있다(표 2).Vol. 21, No. 2 61<표 2> 철근-숏크리트 개념도철근-숏크리트의 효과설치전경Wσ'3σ'3σ1σ14. 실시설계 검토 4.1 터널 형식 비교 원 설계된 2-Arch터널공법과 근접병설터널공법에 대한 공학적 비교시 특징은 표 3과 같다.<표 3> 터널 형식 비교구분2-Arch터널근접병설터널(건설신기술)굴착개요도공법개요∙ 중앙파일럿 터널굴착 및 중앙벽체 설치, 추가 본선터널 굴착하여 터널 형성∙ 필라 지지체를 사이에 두고 두 터널을 분리 굴착(전체적인 선형은 비분리)굴착공정① 중앙터널 굴착 ②중앙벽체 시공 → ③본선굴착(상, 하반 분할굴착)① 본 터널 굴착(상, 하반 분할굴착)공기/공사비100%기준/ 100% 기준70%수준 / 80%수준지보개념도∙필요지보력: P2D∙필요지보력: PD적용지반∙ 연약지반, 경암반에 적용∙ 연약지반, 경암반에 적용안전성∙ 중앙기둥 하중집중(안정불리)-지진시불리∙ 분리된 소단면-지반(필라)감쇄(지진시 유리)내구성및유지관리성∙ 동결등 누수발생(콘크리트 열화 가중)∙ 일반병렬터널과 동일한 유지관리(2종시설)적용사례∙ 소래터널(도로공사) 외 다수∙ 부동터널(도로공사),송죽, 대방터널(부산청)검토의견∙ 합리적 터널공법 선정(안전성, 경제성, 시공성, 유지관리성) → 근접병설터널62 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4지반 및 지질리스크(차별풍화대 및 저토피) 통과 구간에서 근접병설터널 설계 및 시공사례4.2 터널 비분리 선형 검토 기준당초 비분리 선형(2-Arch터널)에서 “중분대 변이구간 접속방안”에 따라 기존 용지 경계내를 만족하는 터널간 최대 암반 필라폭이 Pw=3.0m 이내의 근접병설터널 선형으로 계획하고, 터널 단면형상을 “난형+필라부 직벽형”으로 표 4~5와 같이 계획하였다.<표 4> 선형 검토(안)평 면 도∙ 중분대 변이구간 접속 처리방안｢방침, 기술심사실-1725(05.11.15)｣ - 접속 설치율(V=100km/h): 1/70선형 변경구간STA. 1+109 ~ STA. 1+760(L=651m)터널 최소 필라폭선형조건비분리선형(R=2,000m)(테이퍼 분리, C.T.C: 7.3m)Pw=3.0m 선정(용지경계 내)적용 터널형식근접병설터널(NATM)<표 5> 필라폭을 고려한 근접병설터널 단면형식 선정구분난형+필라부 직벽형난형단면도단면제원∙ 굴착폭: 13.830m, 굴착높이: 7.103m∙ 굴착단면적: 83.262m2(2차로 병렬터널)∙ 굴착폭: 13.830m, 굴착높이: 7.420m∙ 굴착단면적: 85.539m2(2차로 병렬터널)필라폭Pw≒3.0m(▲0.9m)Pw≒2.1m검토결과∙ 일반적으로 난형의 터널형식을 적용하나, 기존 도로선형을 유지 및 인접교량(삼성교)의 변경없이 선형유지가 가능하며, 터널 간 이격거리를 고려하여 필라부 구간을 직벽형으로 계획하여 터널의 시공성(필라부 록볼트 및 철근-숏크리트 설치)을 향상시킴.∙ 또한, 2-Arch터널형식을 준용할 수 있으므로, 주지보재인 암반의 기둥역할이 가능하므로 난형+필라부 직벽형으로 단면을 선정함.Vol. 21, No. 2 634.3 근접병설터널 계획 전체적인 근접병설터널의 선형은 기존 용지경계 이내로 고려하였으며, 편측지형의 저토피 및 인위적 과 굴착구간에 대한 터널 굴착 및 지보, 보조공법 등을 터널 근접도 따라 RMR 분류, Q-SYSTEM의 지보량을 기준으로 보수적인 계획을 하였다(표 6~7). 4.3.1 평면선형 계획<표 6> 근접병설터널 선형평 면 도구분천안방향아산방향연장비고시점(STA.)종점(STA.)시점(STA.)종점(STA.)천안방향아산방향터널구간1+260.01+595.01+260.01+595.0L=335mL=335m종단경사S=2.9533%(시점→종점)필라폭전 구간 최소 암반 필라폭 Pw=3.0m64 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4지반 및 지질리스크(차별풍화대 및 저토피) 통과 구간에서 근접병설터널 설계 및 시공사례4.3.2 중점 지반 및 지질리스크를 고려한 지보패턴 계획<표 7> 중점 지반 및 지질리스크 구간 선정저토피구간(STA.1+325)과굴착 구간(민원)(STA.1+440)과굴착 구간(민원)(STA.1+590)5. 중점 지반리스크 구간 안전성 평가5.1 개 요○○터널에 대한 지보패턴 선정 및 지반 보강안을 바탕으로 수치해석적(MIDAS-GTS2,3D) 안정성 평가를 실시하고, 시공시 현장 터널막장에 대한 평가 및 계측관리를 시행하여 터널 안정성 및 품질관리가 이루어지도록 하였다.Vol. 21, No. 2 655.2 2차원 해석저토피 및 과굴착 구간에 따른 수치해석기법을 활용한 터널 안정성 평가(역학적 양상)를 실시한 결과 저토피구간은 천안방향에서 천단변위가 최대 5.4mm, 내공변위는 내측으로 5.02mm으로 지보재의 역학적 발생응력도 허용기준을 만족하는 상태로 평가되었다. 또한, 갱구부 구간의 내진해석 및 양방향 관통에 대한 3차원 해석을 통해 사전 안정검증을 실시하며, 변위 및 지보재 응력 등에 대해서도 허용기준을 만족하는 상태로 평가되었다. 따라서, 실제 시공시에는 사전 수치해석평가를 참조하여 사전 예측함이 적정하며, 지반은 불확실요인으로 예기치 못한 상황이 발생 될 수 있으므로 시공중 계측활동과 막장 상태를 비교 평가하여 적정 지보패턴을 적용 검토하여야 한다. 5.2.1 저토피구간(STA1+325)<표 8> 시공 및 보강계획에 따른 안정평가검토단면굴착계획구분당진방향(P-5-2)천안방향(P-5-1)굴 착 방 법상하분할상하분할굴 진 장(m)1.0 / 1.01.0 / 1.0강섬S/C두께(mm)200200록볼트길 이(m)4.04.0횡간격(m)1.51.5종간격(m)1.01.0필라부록볼트길 이(m)2.9횡간격(m)0.8종간격(m)0.8변위도숏크리트응력도록볼트 및 필라부록볼트도구분천단침하(mm)내공변위(mm)숏크리트휨압축응력(MPa)록볼트(kN/본)필라부록볼트(kN/본)검토결과허용기준503010.8(fck=27)88.0165.1해석결과(Max)5.3965.0209.20943.40159.33만족66 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4지반 및 지질리스크(차별풍화대 및 저토피) 통과 구간에서 근접병설터널 설계 및 시공사례5.2.2 갱구부 내진 안정성(STA1+590)<표 9> 저토피 갱구부 내진안정 평가요소망모델링도 및 단면특성구분폭(m)높이(m)단면적(m2)단면2차모멘트(m4)라이닝1.00.3000.3003.570×10－3인공지진파(최대발생)전단력도모멘트도구분천단침하(mm)내공변위(mm)모멘트(kN.m)축력(kN)전단력(kN)검토결과허용기준5030---만족해석결과(Max)0.497(천안)/0.091(아산)0.976(천안)/0.981(아산)845746.9210.845.2.3 관통부 안정성(3차원해석)<표 10> 종점 관통부 안정 평가해석모델링천단변위도최대 주응력도Vol. 21, No. 2 67숏크리트 응력도천단변위도필라부 록볼트 축력구분천단침하(mm)내공변위(mm)숏크리트휨압축응력(MPa)록볼트(kN/본)필라부록볼트(kN/본)검토결과허용기준503010.8(fck=27)88.0165.1해석결과(Max)1.28(아산)0.251.95(아산)4.47(천안)5.31(아산)만족6. 근접터널 시공중 계측 및 품질관리6.1 개 요○○터널은 터널간 필라폭이 Pw=3.0m미만이며, 종점부 갱구부는 저토피(편측2.0m)로 형성되어 비교적 고강성의 갱구보강이 필요한 사항으로, 소구경의 미니파이프공법(D139.8mm, L=24m)으로 갱구에서 일괄 시공하고, 터널 상.하반굴착을 통해 터널 막장의 안정성과 시공성을 확보토록 계획하였다.갱구에서 일괄 시공 가능한 미니파이프공법은 현 보조공법의 문제점(시공성, 공기문제등)을 개선할 수 있는 공법으로 평가되므로 터널 갱구 보강 시 향후 지속적으로 적용 가능하리라 평가된다.<표 11> 근접터널 시공절차선.후행 시공(굴진)시차지보재 설치 후행터널 발파 순서6.2 터널시공본 ○○터널 근접병설터널관련 실 시공과정은 다음 그림 3과 같다.Next >