< Previous38 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 더 가볍고 튼튼한 터널 보강 솔루션 표 5와 6에는 기존 봉강형 격자지보재와 STG800 강관형 격자지보재의 제원 및 제원을 비교하였다. 봉강과 강관의 기 계적 성질을 고려하여 기존 봉강과 동등이상의 부재력 확보가 가능한 STG800 강관의 직경 및 두께를 최적화하였다. <표 5> 봉강형 격자지보재와 강관형 격자지보재의 제원 비교 종류 화학성분기계적 성질 CSiMn인장강도(MPa)항복강도(MPa)연신율(%) 봉강형 격자지보재0.16~0.240.15~0.240.8~1.0598 이상520 이상14 이상 강관형 격자지보재0.18 이하0.40 이하2.0 이하860 이상800 이상10 이상 <표 6> 봉강형 격자지보재와 강관형 격자지보재의 단면 비교 종류직경(mm)두께(mm)단면적(mm2)부재력(ton) 상부 봉강형 격자지보재30.0-706.5 22.5 강관형 격자지보재31.85.6460.7 22.5 하부 봉강형 격자지보재20.0-314.0 10.0 강관형 격자지보재22.23.6210.3 10.3 격자지보재는 스파이더(강연선)와의 용접을 통해 제작이 되므로 사용되는 재료의 탄소당량(Ce = C＋Si/24＋Mn/6＋ Ni/15＋Cr/5＋Cu/13＋Mo/4) 값이 0.5% 이하를 만족해야 한다. 이는 탄소당량이 높을 경우 용접부의 품질이 저하되므로 이를 방지하기 위함이다. 기존 봉강형 격자지보재와 강관형 격자지보재의 성능 및 용접부 품질을 비교하고자 50type, 70type, 95type 별로 각 3개씩, 총 18개의 조건에 대해 4점 휨시험을 실시하였다. 그림 5에는 4점 휨시험 전경을 그림 6 에는 4점 휨시험결과를 나타냈다. 4점 휨시험결과 모든 시험조건에서 강관형 격자지보재가 봉강형 격자지보재에 비해 동등 이상의 하중에서 항복하는 것을 확인하였다. 이를 통해 기존 봉강과 스파이더의 용접성을 STG800 강관과 스파이 더 용접에서 충분히 확보할 수 있는 것으로 판단할 수 있다. <그림 5> 성능 및 용접부 품질 비교를 위한 4점 휨시험Vol. 21, No. 4 39 <그림 6> 4점 휨시험 결과 격자지보재의 경우, 터널 현장에 시공후 구조성능평가를 하는 것이 불가능하여 지금까지는 대부분 4점 휨시험을 실시 하여 성능을 평가하였다. 강관형 격자지보재의 성능을 조금 더 확실하게 판단해보고자 70type으로 봉강형과 강관형의 실물 구조시험체를 제작하여 각각의 성능을 비교해보았다. 그림 7에 실물 구조성능시험 전경을 나타내었고, 그 결과는 그림 8과 같다. <그림 7> 격자지보재 실물재하시험 전경 70Type의 설치 간격을 1.2m로 하여 3열을 설치하였고, 항복될때까지 가력하였다. 그 결과 봉강형 및 강관형 격자지 보재 모두 약 7.7ton 수준에서 항복하였고, 이때의 변위도 약 280mm 수준으로 유사하였다. 다만 잔류변위는 강관형 격 자지보재(약 49mm)가 봉강형 격자지보재(약 69mm) 보다 20mm 가량 작게 나타났다. 이에 대한 원인은 그림 8의 결과 그래프에서 확인할 수 있는데, 봉강형 격자지보재는 하중의 증가에 따라 변위값이 일시적으로 떨어진 후 다시 상승하는 현상을 볼 수 있다. 이는 봉강과 스파이더의 용접부가 탈락하면서 발생하는 현상이다. 반면, 강관형 격자지보재의 경우 하중 증가에 따른 용접부의 탈락이 없이 항복까지 진행이 되었다. 이를 통해 기존 봉강에 비해 STG800 강관의 용접성이 향상되었다는 것을 파악할 수 있었다.40 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 더 가볍고 튼튼한 터널 보강 솔루션 <그림 8> 격자지보재 실물재하시험 결과 4. 맺음말 굉장히 보수적인 건설분야에서 20년 이상 안정적으로 사용해오던 자재를 새로운 자재인 강관으로 대체하여 사용한다 는 것은 결코 쉬운 일이 아니다. 경제성이 기존 제품보다 향상되었다고 하더라도, 규격화 및 설계기준이 뒷받침 되지 않 으면 사용하기 어려운 것이 현실이다. STG800 강관은 기존의 봉강 대비 항복강도가 약 2배 향상되므로 동일한 부재력을 확보하는데 단면적을 줄일 수 있으 므로, 단면 최적화에 따른 경제성 확보가 가능하다. 사용되는 자재의 중량을 절감할 수 있기 때문에, 톤당 단가는 봉강보 다 비싸지만 m당 단가는 봉강보다 약 10% 경제적으로 공급이 가능한 것이다. 또한 KS 규격화 및 설계기준화도 마련되 어 있는 상황이다. 이를 바탕으로 현재 SP-록볼트는 터널 본선 및 수직구 보강용으로 4개 현장에 시공이 완료되었으며, 강관형 격자지보재는 초도 현장 공급을 진행중이다. 향후 10년 이내에 GTX사업, 인덕원-동탄 복선전철, 신안산선 등 많은 지하터널의 시공이 예상된다. 이렇게 국내 대 심도 도시 철도망의 건설이 지속적으로 증가하고 있기 때문에, 더 가볍기 때문에 시공이 편리하고 안전하며, 더 강해서 튼튼하게 지반을 보강해줄 수 있는 고강도의 강재를 사용한 터널 보강 솔루션의 적용을 기대해 본다. 참고문헌 1. 정혁상, 신영완, 송기일, 신종호, 2016, 강재 품질에 따른 격자지보재의 성능평가, 한국터널지하공간학회논문집, 18(2)165-173(2016). 2. 신현강, 정혁상, 안동욱, 2017, 고강도 강관을 적용한 SP-록볼트 개발 및 현장 적용을 위한 연구, 한국터널지하공간학회논문집, 19(4)651-668(2017). [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 21, No. 4 41 기술기사 2 1. 개 요 본 고에서는 수도권 서부 도심권과 서울 도심을 연결하는 주간선도로 역할을 목적으로 하는 O터널 사업의 시공사례를 소개하고자 한다. 본 사업은 국내 최초의 대심도(최대심도 80m) 분기터널을 포함하며, 노선 구간은 이용교통량 중 96.6%가 소형차량인 점을 감안하여 소형차전용 고속화도로로 계획되었다. 그 중 O터널 O공구는 대심도 및 다양한 지반 조건에서 굴착을 수행하여야 하며 주변도로와 연결되는 램프를 포함한 여러 복합단면으로 구성된 현장으로, 현장에서 중점적으로 고려한 사안에 대해 소개한다. 2. 현장 현황 2.1 O공구 현장 현황 O터널은 총 연장 7.53km의 편도 2차로 병렬터널이며, O공구 현장은 그 중 3.25km의 공사를 담당하고 있다. 해당 구 간은 분기부 대단면 및 4개소 램프 등의 복합단면이 포함되어 있고, 종점부 인근 하천 하부의 토사지반을 포함해 토사~ 경암의 다양한 지반을 굴착해야 하는 특성을 고려하여 NATM 굴착을 진행 중이다. 공사 구간의 종단면도는 그림 1과 같다. 국내 최초의 대심도 분기터널 시공사례 소개 류진우 대림산업(주) 기술개발원 토목연구지원팀 사원 신승용 대림산업(주) 기술개발원 토목연구지원팀 대리 이호연 대림산업(주) 기술개발원 토목연구지원팀 부장42 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 국내 최초의 대심도 분기터널 시공사례 소개 <그림 1> O터널 공사 노선도 2.2 지반조건 해당 공사 구간이 위치한 지역은 흑운모 편마암이 기반암으로 구성되어 있으며, 관입암맥이 빈번히 관찰된다. O공구 에서 시공 중인 종점부의 경우 인접한 하천에 3.8m~12.7m 두께의 깊은 충적층(모래자갈층)이 분포하며, 지표면 하부 12.7m~33.0m 깊이까지 토사 및 풍화토가 분포하고 있다. 그림 2와 같이 해당 공사 구간은 2등급, 3등급 암반이 우세(약 70%)하게 분포하며, 총 9개의 단층파쇄대가 노선상에 분포한다. 특히 F5~F9 단층파쇄대가 밀집한 구간은 단층 파쇄 및 변질 풍화가 광역적으로 발달하여 적절한 보강대책 수 립 및 주의 시공이 필요한 구간이었다. <그림 2> O터널 지반 종단면도(위: ㄷ 방향, 아래: ㄹ 방향)Vol. 21, No. 4 43 3. 하천 하부 토사터널 보강 사례 3.1 하천 하부 토사층 통과구간 개요 본 현장의 종점부에는 한강으로 유입되는 지류인 하천이 존재하며 노선 계획상 인근 도로와 연결되는 램프가 하천 직 하부를 통과하는 것은 불가피하였다. 램프구간이 하천의 직하부를 통과하며 지상으로 연결됨에 따라 해당 구간에서는 상대적으로 얕은 심도에 위치한 토사층을 통과하게 되므로, 설계 초기에는 저토피고를 고려한 대형 개착 분기부를 시공 하는 안이 고려되었으나, 해당 구간의 환경훼손을 최소화하기 위하여 하천의 직하부를 통과하는 터널로 최종 설계되었 다(그림 3). <그림 3> 노선종점부 하천 하부의 지층구성 3.2 하천 하부 토사층 지반조건 본 현장의 종점부에 위치한 하천 하부 지반은 퇴적층이 발달하여 토사층의 분포 심도가 최대 22m 이상에 달하였다. 지반조사 결과, 퇴적층 내 점토 및 실트의 비중이 높아 상대적으로 토사층의 전단강도가 약해질 것으로 판단되었으며 이 는 시공 중 터널 안정성 저하 및 지표침하 등의 문제를 야기할 수 있다. 특히, 본 구간은 램프구간 터널 상부에 도시고속 화도로인 ㄴ대로가 위치하여 상부 지반의 안정성을 충분히 고려할 것이 요구되었다. 본 현장뿐만 아니라 한강 및 인근 지류 하천 지반은 대부분 충적층이 발달하였으나, 해당 지층에 대한 국내 터널 시공사례는 그리 많지 않은 실정이다. 세 사 및 실트 비중이 높은 충적층의 경우 침투방식의 그라우팅의 효과가 떨어져 터널 굴착 중 지하수 유출이 과다하게 발 생할 가능성이 높으므로 이에 대한 적절한 보강대책 수립이 요구된다. 이러한 현장 지반의 특성을 고려하였을 때, 본 현 장의 토사터널은 저토피고에 대한 막장 안정성 확보 및 지하수 억제를 통해 지하수위 저하를 방지할 수 있는 보강대책을 수립/적용하는 것이 목표였다.44 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 국내 최초의 대심도 분기터널 시공사례 소개 3.3 하천 하부 토사층 굴착 보강방안 토사층을 통과하는 NATM 터널은 일반적으로 대구경강관그라우팅 혹은 차수그라우팅을 차수 설계로 반영한다. 하지 만 앞서 서술한 바와 같이 터널 상부의 도로 여건 및 현장의 충적층 특성을 고려하여 최종적으로 수평제트그라우팅을 토 사터널의 보강방안으로 수립하였다. 본 현장의 램프 4개소(Ramp-A, B, C, D)에 대한 토사터널 굴착 보강방안의 적용 구간은 그림 4와 같다. <그림 4> 수평제트그라우팅 적용 구간 수평제트그라우팅은 천공과 동시에 대구경강관(Φ114.3mm)을 삽입하고, 고압분사(주입압 약 400kg/cm2)를 실시하 여 강관 주변에 고강도의 원주형 지반개량체를 형성하는 공법으로 터널 막장 주변에 아치 형태의 보강영역을 형성하는 것이 특징이다. 단순 침투방식의 그라우팅이 아닌 치환방식의 그라우팅으로 막장 천단부의 확실한 차수 및 보강효과를 기대할 수 있다. 고압분사 후에는 강관 헤드를 통해 2차 주입(주입압 약 5~15kg/cm2)을 실시하여 개량체 품질을 추가로 확보한다. 해당 공법은 분사압력에 의해 절삭이 가능한 토사, 충적층, 풍화토 등의 지반에서 적용 가능하며 보강 효과가 탁월한 것으로 알려져 있다. 이러한 터널 천단보강과 더불어 터널 하부까지 토사층으로 구성된 구간에 대해서는 레그파 일로 선단 및 마찰지지를 통한 각부 보강을 실시하고, 측벽 강관보강을 통해 변형을 제어함으로써 시공 중 터널 안정성 확보가 가능하도록 하였다. 수평제트그라우팅 적용 구간의 지층은 퇴적층~풍화토~풍화암이며, 본 현장에서는 막장면에 노출된 지층 구성에 따 라 보강계획을 달리 하여 보강수량이 최적화 될 수 있도록 하였다. 다음의 표 1은 램프구간 중 토사터널에서의 수평제트 그라우팅 적용 현황으로 4개소의 램프 중 Ramp-A의 현황을 대표로 수록하였다.Vol. 21, No. 4 45 <표 1> 수평제트그라우팅 적용 계획 구분RAMP-A 종단면도 시공연장L=195m 구분단면 A-1단면 A-2단면 A-3 단면도 시공연장L=20mL=104mL=71m 공간격0.6m(횡), 4.0m(종, 3중첩)0.6m(횡), 5.6m(종, 2중첩)0.6m(횡), 5.6m(종, 2중첩) 시공공수33공/SPAN(180도)33공/SPAN(180도)25공/SPAN(120도) 적용지층 ∙ 터널 상부: 모래층 ∙ 터널 단면: 자갈층 ∙ 터널 상부: 자갈층 ∙ 터널 단면: 자갈층, 풍화토 ∙ 터널 상부: 풍화토 ∙ 터널 단면: 풍화토, 풍화암 3.4 하천 하부 토사층 보강방안 적용 결과 한강 지류의 하천 직하부 토사층을 통과하는 터널이 계획되었던 노선 종점부는 설계단계부터 하천 하부 충적층이 발 달한 현장 특성을 고려하여 복합적인 터널 보강방안을 검토하였으며, 결과적으로 지층 특성에 가장 적합한 수평제트그 라우팅을 보강방안으로 선정하였다. 해당 보강방안을 적용한 토사터널 굴착은 주요 구간에 대한 계측을 동시에 수행하 고 있으며, 계측값은 허용범위 이내로 관리하며 굴착 마무리단계를 진행 중이다. 4. 터널 분기부 굴착계획 변경에 따른 시공 안정성 검토 사례 본 사례는 현장의 ㄷ 방향 분기부 대단면 터널 굴착시 안정성과 시공성을 고려하여 터널 굴진장 축소, 임시 확폭구간 연장 축소, 상하반 분할굴착선 상향조정, 분할굴착 단면 변경 및 막장 간 이격거리를 축소시켜 시공성을 개선한 사례이다. 46 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 국내 최초의 대심도 분기터널 시공사례 소개 4.1 분기부 설계 본 터널은 대심도 지하도로로 주변 도로와의 연계를 위해 분기터널로 계획되었다. 본선(2차로)과 램프를 이어주는 분 기터널 연장은 ‘도로의 구조‧ 시설기준에 관한 규칙’을 반영하여 가속 및 감속구간, 변이구간을 포함하여 총 약 170m가 적용되었으며, 폭 14.3m의 3차로 구간과 폭 23.7m의 3차로 확폭 대단면 구간으로 설계되었다. ㄷ 방향과 ㄹ 방향에서의 분기부 계획은 그림 5와 같으며, 분기부 굴착은 3차로, 3차로 확폭, 미굴착 영역, 2차로 램 프(A, B)터널 및 1차로 램프(C, D)터널 순으로 계획되었다. 두 램프가 분기되는 필라부의 최소 폭은 2m이며, 무진동 발 파 및 텐션볼트를 적용하여 필라부의 안정성을 확보하였다. <그림 5> 분기터널 계획(좌: 모식도, 우: 시공순서) 4.2 분기부(ㄷ 방향) 상세 3차로 확폭 분기부는 폭 23.7m, 높이 11.7m의 대단면 터널로서 안정성을 확보하기 위하여 상하반 분할굴착 및 상반 은 2분할 굴착 또는 3분할 굴착, 하반은 2분할 굴착이 적용되었다. 지질 및 지보패턴 적용 현황과 단면도는 그림 6과 같 다. 분기부 구간의 지반은 대부분 3등급 이상의 암반이 분포하고 있으며, 터널 단면이 3차로 단면에서 3차로 확폭단면으 로 변화하는 단면확폭부 구간은 대인용 횡갱이 계획되어 있어 WRP-2(연장 20m, 굴진장 1.2m) 패턴이 적용되었고 이후 DWP-4(연장 31m, 굴진장 1.0m), DWP-3(연장 19m, 굴진장 1.2m) 패턴이 순서대로 적용되었다. <그림 6> 분기부 지질 및 적용 지보패턴 상세Vol. 21, No. 4 47 4.3 분기부 굴착 계획 변경안 본 현장에서는 ㄷ 방향 분기부의 확폭구간 굴착시 시공성을 고려하여 선행 막장과 후행 막장의 이격거리를 2막장으로 유지하고, 동시 발파하면서 분기부 굴착을 진행하고자 하였다. 또한, 단면확폭부의 굴착패턴(굴진장 1.2m → 1.0m, 연 장 25.2m → 20.0m) 및 지보패턴(무지보 → 강지보)을 변경하고, 분기부 3차로 확폭구간(DWP-3, DWP-4)의 상하반 분할선을 1.4m 상향(3.37m → 4.77m)하여 안정성과 시공성을 확보하고자 하였으며, DWP-4 패턴의 경우 상하반 분할 선 상향시 상반 굴착 단면적이 감소하므로 상반을 3분할 굴착에서 2분할 굴착으로 변경하고자 하였다. 단면확폭부 및 분 기부 굴착 계획 변경안의 상세 모식도는 그림 7과 같다. <그림 7> 분기부 굴착 계획 변경안(좌: 단면확폭부, 우: 3차로 확폭구간) 4.4 분기부 굴착 계획 변경안의 3차원 안정성 검토 O터널 대단면 분기부의 굴착 계획 변경안에 대한 안정성 검토를 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS NX 를 사용하여 3차원 시공단계 해석을 수행하였다. 시공 안정성 확보여부를 판단하기 위해 1) 단면확폭부 굴착패턴 및 지보 패턴 변경, 3차로 확폭구간의 상하반 분할선 상향시 안정성 검토와 2) 3차로 확폭구간의 막장 이격거리 검토를 각각 수행 하였다. 본 고에서는 해석내용은 간략히 수록하였다. 4.4.1 해석개요 앞서 언급한 두 가지 안정성 검토에 대한 3차원 해석은 공통적으로 경계조건의 영향을 배제하기 위해 분기부 구간 모 델링 단면을 기준으로 종방향, 횡방향 및 높이를 6D 이상 모델링하였다. 3차원 해석의 모델링도는 그림 8과 같다. <그림 8> ㄷ 방향 분기부 3차원 모델링도(MIDAS GTS NX)Next >