< Previous48 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 국내 최초의 대심도 분기터널 시공사례 소개 단면확폭부 굴착 및 지보패턴 변경, 3차로 확폭구간 상하반 분할선 상향시의 3차원 안정성 해석 시공순서는 표 2와 같이 모사하였다. 3차로 확폭구간의 막장 이격거리에 대한 검토는 확폭구간 상반 굴착완료 후 하반 굴착을 시작하는 순 으로 시공순서를 모사하였으며, 표 2를 함께 참고하기 바란다. 또한 이격거리에 따른 터널 변위 및 지보재 응력을 비교 하고자 막장 이격거리가 2.0m, 20.0m, 60.0m인 경우에 대한 검토를 함께 수행하였다. 안정성 해석에 적용된 보강물성 치 및 지반물성치는 설계값을 준용하였다(표 3, 4). <표 2> 3차원 해석 시공 순서 ① 단면확폭부 및 3차로 확폭구간 상반 굴착② 단면확폭부 상반 미굴부 굴착 ③ 단면확폭부 하반 굴착④ 단면확폭부 하반 미굴부 굴착 ⑤ 3차로 확폭구간 하반 굴착 <표 3> 보강물성치 구분탄성계수(MPa)단위중량(kN/m3)설계강도(MPa) 숏크리트15,00024.021 락볼트210,00078.5430 <표 4> 지반물성치 지층변형계수(E, MPa)점착력(c, kPa)내부마찰각(°)단위중량(γt, kN/m3)포아송비(-) 매립층9.00.026.018.00.32 퇴적층(모래)28.00.028.018.00.32 퇴적층(자갈)50.00.035.020.00.28 풍화토60.021.029.020.00.32 풍화암30030.033.021.00.30 V등급 암반400100.033.021.00.30 IV등급 암반1,000400.034.022.00.28 III등급 암반5,000600.037.024.00.26Vol. 21, No. 4 49 4.4.2 해석결과 1) 3차로 확폭구간 막장 이격거리 검토 3차원 모델링 해석결과는 앞서 언급한 막장 이격거리별로 분기부 전 구간에 대해 천단침하, 내공변위 및 지보재 응력 의 최대값과 시공단계에 따른 값을 검토하였다. 우선, 3차원 해석으로 도출된 분기부 전구간의 최대 천단침하 및 내공변위 결과는 막장 간 이격거리가 2.0m일 경우 최대 천단침하는 8.06mm, 최대 내공변위는 상반 좌측에서 0.81mm로 나타났으며, 이격거리에 따라 발생하는 천단침하 및 내공변위 값의 차이는 최대 0.2mm 이내로 미소하였다. 분기부 전구간에 대한 발생 지보재 응력은 숏크리트 휨응력의 경우 2.0m 이격 및 상반 굴착완료시 3.78MPa(<8.40MPa), 락볼트 축력의 경우 2.0m 이격 및 하반 굴착완료시 30.8kN(<88.0kN)으로 나타났으며, 모든 케이스에서 발생하는 지보 재 응력이 허용치 이내로 안정함을 확인하였다. 막장 간 이격거리가 2.0m인 케이스에 대하여 최종 시공단계에서의 숏크 리트 휨응력 및 락볼트 축력은 그림 9와 같다. (a) 숏크리트 휨응력도(b) 락볼트 축력도 <그림 9> 지보재 응력도(막장 이격거리 2.0m) 2) 굴착 및 지보패턴 변경시 안정성 검토 단면확폭부(WRP-2 패턴, 굴진장 및 연장 축소)와 3차로 확폭부(DWP-3, DWP-4 패턴, 상반 분할굴착 계획 변경) 두 구간에 대한 시공단계별 천단침하 및 내공변위, 지보재 안정성 검토를 수행하였다. 우선, 단면확폭부(WRP-2)의 시공단계에 따른 최대 천단침하 및 내공변위는 모두 최종 시공단계인 3차로 확폭부 하 반 굴착 완료 단계에서 발생하였으며, 최대 천단침하는 8.14mm, 최대 내공변위는 상반 좌측에서 0.84mm로 나타났다. 그림 10은 단면확폭부 상반 미굴부 굴착 완료 단계에서의 합변위도를 나타내었다.50 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 국내 최초의 대심도 분기터널 시공사례 소개 <그림 10> 합변위도 : 단면확폭부 상반 미굴부 굴착 완료(②) 단계 시공단계별 발생하는 숏크리트 휨응력 및 락볼트 축력의 최대값 또한 3차로 확폭부 하반 굴착 완료 단계에서 발생하 였으며, 숏크리트 휨응력 및 락볼트 축력의 최대값은 각각 3.14MPa(<8.40MPa), 26.8kN(<88.0kN)으로 허용치를 만족 하였다. 다음으로, 3차로 확폭부(DWP-3, DWP-4)도 마찬가지로 시공단계별 천단침하 및 내공변위와 지보재에 발생하는 응력 을 통해 안정성을 검토하였다. 3차로 확폭부 하반 굴착 완료 단계에서 최대 천단침하 8.07mm, 최대 내공변위 0.75mm 가 발생하였다. 시공단계에 따른 지보재 발생 응력은 숏크리트 최대 휨응력의 경우 단면확폭부 및 3차로 확폭부 상반 굴착 완료 단계 에서 3.78MPa(<8.40MPa), 락볼트 최대 축력의 경우 단면확폭부 상반 미굴 굴착 완료 단계에서 31.7kN(<88.0kN)으로 나타났으며, 모두 허용치를 만족하는 것으로 확인되었다. 4.5 분기부 굴착 계획 변경안 적용 결과 3차원 해석 결과, 본 현장의 경우 단면확폭부(WRP-2) 연장 축소(25.2m → 20.0m) 및 지보패턴 변경(무지보 → 강지 보)과 3차로 확폭부(DWP-3, DWP-4)의 상하분할선 상향(3.37m → 4.77m) 및 DWP-4 패턴 상반 분할단면 변경(3분할 → 2분할)에 따른 터널 안정성의 문제 발생 가능성은 낮은 것으로 판단되었다. 이에 따라 현장에서는 상기 검토사항을 바탕으로 별도 특이사항 없이 분기부 구간의 굴착이 진행 중이며, 이는 터널 안정성을 확보함과 동시에 시공성을 개선한 사례라고 판단된다. 5. 결 론 본 고에서는 국내 최초의 대심도 분기터널 시공에 따라 현장에서 중점적으로 고려한 사안을 소개하였다. 본 현장은 노 선 종점부의 대단면 분기부에서 램프(4개소)를 통해 인근 ㄱ대로, ㄴ대로와 연결되도록 계획되어 있으며, 하천 직하부 토사층부터 대심도 암반에 이르는 다양한 지반에 대한 굴착이 필요하다. 이에 따라 1) 하천 하부를 통과하는 저토피 토사 터널의 보강방안과 2) 대단면 분기부의 시공성 개선을 중점 고려사항으로 검토하였다.Vol. 21, No. 4 51 1) 한강 지류 하천으로 인해 충적층이 발달한 토사터널의 경우 국내 시공사례가 그다지 많지 않다. 따라서 본 현장에서 는 타 현장 시공사례와 주변 여건 및 지층 특성을 고려하여 수평제트그라우팅을 보강방안으로 채택하고 이를 통해 하 천 하부 구간의 굴착 마무리단계를 진행 중이다. 본 사례는 또 하나의 충적층 토사터널 보강사례로 추후 타 현장 시공 에 참고 되기 바란다. 2) 2개소의 램프가 연결되는 대단면 분기부의 경우 2차로의 본선에서 램프로 접속하기 위해 변속차로를 고려하여 3차로 및 3차로 확폭으로 단면이 변화하게 되는데, 본 확폭구간의 시공성을 개선하고자 3차로 확폭부의 상하반 분할선 상 향, 상반 분할 수 축소(3분할 → 2분할) 및 분할단면의 막장 간 이격거리에 대한 터널 안정성을 사전에 검토하고 안정 적으로 굴착 중이다. 지하도로의 분기부와 지상 진, 출입로 연결 시공은 확폭부 안정성 확보 및 시공방법에 대한 기 술 축적이 필요한 사례로 본 사례가 추후 참고가 되었으면 한다. 본 현장은 이 밖에도 설계시 터널 사용자의 안전과 편의를 위하여 국내 지침보다 더 높은 수준의 방재설비를 계획하고 환경친화적 설계를 추구하였으며, 현장직원 모두 더 안전하고, 경제적인 시공을 위해 끝없이 노력하고 있다. 참고문헌 1. O터널 주식회사, “O터널 실시설계보고서”. 2. O터널 주식회사, “O터널 지반조사보고서”. 3. 국토해양부(2010), “도로설계편람 제6편 터널”. 4. 윤현섭, 김도수(2013), “충적층지반 터널의 차수 및 보조공법 개선사례”. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]52 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 1. 개 요 최근 GTX-A(수도권광역급행철도), 동탄~인덕원, 월곶~판교, 신안선 등 철도교통망 확충사업이 활발히 진행되고 있 고 특히 수도권지역에서 철도터널 건설이 급증하고 있다. 이러한 상황을 고려하여 예측하기 어려운 터널 시공 중 위험요 인(Risk)에 대응하고 철도 터널 설계를 개선하고자 한국철도시설공단에서 발주한 “철도 터널설계 선진화 용역”을 한국터 널지하공간학회가 수행하고 있다. 철도터널 설계 및 시공 현안사항을 파악하고 터널설계 개선방안을 마련하기 위해 터 널 현장 관계자 설문조사를 실시하였다. 2. 설문조사 계획 2.1 설문조사 항목 작성 및 배포 철도 터널설계 선진화 용역은 지보패턴 개선, 암판정 및 계측 개선, 내역체계 개선, 철도터널 배수체계 개선 등 총 4 개 분야로 구성되어 있다. 설문조사는 4개 분야에 대해 설문조사 항목과 내용을 작성하였으며 철도시설공단의 지원아래 현재 시공 중에 있는 철 도 사업을 대상으로 설문조사를 실시하였다. 조사대상은 철도시설공단내 수도권본부 등 총 5개 본부에서 시공 중인 총 22개 사업에 대해 설문지를 배포하여 터널 현장 관계자의 의견을 수렴하였다(표 1 참조). 철도 터널설계 선진화 용역 터널현장 관계자 설문조사 남경민 한양대학교 박사과정 이재국 (주)삼안 상무 김상환 호서대학교 교수 이성도 한국철도시설공단 건설본부 기준심사처 과장 박진용 한국철도시설공단 건설본부 기준심사처 부장 손병두 한국철도시설공단 해외사업본부 본부장Vol. 21, No. 4 53 <표 1> 설문조사 대상사업 현황 지역본부설문조사 대상 수도권본부당고개~진접 복선전철 등 6개 사업 영남본부포항~삼척 철도건설 등 7개 사업 호남본부보성~임성리 철도건설 등 3개 사업 충청본부이천~문경 철도건설 등 4개 사업 강원본부도담~영천 복선전철 등 2개 사업 계총 22개 사업 설문조사 세부항목으로는 분야-1 “리스크(Risk) 대응형 터널 지보패턴 개선” 11문항, 분야-2 “철도터널 막장관찰, 암 판정 개선 및 계측 강화방안 마련” 31문항, 분야-3 “선진적인 터널공사 내역 체계 마련” 9문항, 분야-4 “터널 배수체계 품질 및 시공 개선방안 마련” 8문항 등 총 59문항으로 하였다(표 2 참조). <표 2> 설문조사 주요 내용 구분주요 설문조사 내용 공통 ∙ 응답자 소속 사업 및 경력 ∙ 기술등급 및 전공분야 ∙ 담당업무 분야-1 ∙ 터널 설계도면에 제시된 지질이상대와 실제 시공 중 상황과 일치 여부 ∙ 설계 시 적용된 구간별 지보패턴과 실제 시공 중 적용된 지보패턴의 일치여부 ∙ 현장에 적용하고 있는 표준지보패턴 수 ∙ 표준지보패턴 이외에 별도 지보패턴으로 변경하여 적용한 사례 여부 ∙ 지보패턴 변경하거나 터널의 안정성에 대해 재검토와 관련한 별도 가이드라인 필요에 대한 의견 분야-2 ∙ 막장관찰 및 터널설계 관련 교육 경험여부 ∙ 막장관찰 업무 수행 시 소요되는 시간 ∙ 매핑자료 작성 시 소요시간 ∙ 막장관찰자의 개인적인 판단으로 막장관찰 항목과 안정성 측면에서 중요하다고 생각하는 요소 ∙ 암판정위원회의 구성 현황과 결과에 대해 이의를 제기하여 재 검측한 사례 여부 ∙ 계측 업무 수행 시 소요되는 평균 및 순수 계측시간 ∙ 계측결과를 활용하여 굴진 중 축소 또는 증가, 지보재량 변경을 적용하여 시공한 사례 분야-3 ∙ 현행 KRQP 수량산출 및 내역체계 설계에 대한 개선방안 ∙ 현행 공단 발주 및 입찰방식 적용 시 설계변경 및 공사비 정산에 대한 개선 사항 ∙ 터널 표준공종 외에 현장에서 추가되는 설계변경 항목에 대한 처리 방안에 대한 의견 ∙ 터널 공종별 수량 및 내역체계 개선에 대한 방안에 대한 의견 ∙ m당 공사비 및 Lum sum 방식 내역체계 적용에 대한 의견 분야-4 ∙ 바닥 맹암거의 적정 위치 ∙ 라이닝 기초폭 1.2 m 확보방안의 적정성 ∙ Y형 횡방향 연결관 적정 설치 방법 ∙ 횡방향 연결관 설치간격 30 m → 10 m 의 적정성 ∙ 횡방향 연결관 맹암거 연결방법 개선안의 적정성 ∙ 라이닝 신축이음 간격 30 m → 250 m 적정성54 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 철도 터널설계 선진화 용역 터널현장 관계자 설문조사 이 중 분야-2에서 주관식의 문항으로 실무자들이 느끼고 있는 막장관찰, 계측에 대한 업부 현안 개선에 대해 조사하 였으며, 분야-3에서도 내역체계개선과 관련한 개선사항에 대해 조사하였다. 2.2 설문조사 대상 설문조사 대상자는 표 3과 같으며, 철도시설공단 공사관리관, 감리단 관계자, 시공사 현장소장/공사팀장/설계팀장으 로 하였다. 설문조사는 전체분야에 대하여 답변할 수 있도록 가급적 객관식으로 하였으며, 공무팀장은 내역체계 개선인 분야-3, 막장관찰 및 계측 담당자는 분야-2의 설문조사 항목에 응답할 수 있도록 객관식과 주관식으로 혼합하여 작성 하였다. <표 3> 설문조사 대상자 소속대 상 자답변항목 철도시설공단공구별 공사관리관전체분야(분야-1,2,3,4) 건설사업관리단(감리단)책임기술자(감리단장), 터널담당자(감리원)전체분야(분야-1,2,3,4) 시공사 현장소장, 공사팀장 및 터널담당자,설계팀장전체분야(분야-1,2,3,4) 공무팀장분야-3(내역체계) 막장관찰 담당자, 계측 담당자분야-2(암판정 및 계측) 3. 주요 현장 설문조사 결과분석 3.1 설문조사 응답자 현황 설문조사는 전체 대상 사업 22개의 현장 중 19개 현장으로부터 회신을 받았으며(회신률 86%), 설문조사 응답자수는 약 570명으로 집계되었다. 설문조사 응답자의 현황은 그림 1과 같다. 응답자의 연령대는 주로 40대와 50대(응답자의 80%)였으며, 20대와 30대 그리고 60대 이상이 응답자의 20%였다. 또한 터널 분야 경력은 5~15년이 51%로 가장 많았으며, 15년 이상도 30%가 되 었다. 기술등급은 19%가 기술사, 61%가 특급 및 고급기술자로 가장 많았다. 주 전공분야는 “토목공학”이 96%로 가장 많 았으며, 그 밖에 자원공학, 지질학 등을 전용한 응답자 순서였다.Vol. 21, No. 4 55 <그림 1> 설문조사 공통부분 응답자 현황 3.2 분야별 설문조사 결과 분석 3.2.1 지보패턴 개선 관련 설문조사결과 분석 설계에서 계획한 지보패턴에 대한 일치여부에 대한 설문조사를 실시하였다(그림 2 참조). 터널 설계도면에 제시된 터널구간 지질이상대(단층파쇄대, 저비저항구간 등) 시공시 69%가 당초 설계도면과 50% 이 상 일치한다고 답변하였다. 터널구간별 지보패턴의 경우 시공시 75%가 설계시 예측한 결과와 50% 이상 일치한다고 답 변하였다.56 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 철도 터널설계 선진화 용역 터널현장 관계자 설문조사 <그림 2> 시공시 설계에서 계획한 지보패턴에 대한 일치여부에 대한 설문결과 다음은 본선터널 표준지보패턴만으로 터널 현장의 지반조건을 충분히 반영할 수 없기 때문에 세분화가 필요한지에 대 한 설문조사였는데 세분화가 필요하다는 답변이 약간 우세하였다(그림 3 참조). 이는 현장 실무자의 경우 지보패턴 세분 화가 시공성 저하 등 시공이 복잡하지 않을까하는 우려가 있는 것으로 본다. 이 부분에 대해서는 시공성을 고려한 표준 지보패턴 선정이 될 수 있도록 고려할 필요가 있다. <그림 3> 철도터널 표준지보패턴 세분화에 대한 설문결과 지질 이상대구간을 만나게 될 경우 별도의 지보패턴이 필요한지, 터널 설계변경시 터널 안정성 재검토 수행 여부에 대한 설문조사를 실시하였다(그림 4 참조). 이에 가이드 라인이 필요하다고 답변한 비율이 우세하였다. 또한 시공중 설 계와 달리 변경된 지보패턴에 대한 터널의 안정성을 확인하기 위해 지보패턴에 대한 터널 안정성 검토를 수행한 적이 많 았다고 답변했다.Vol. 21, No. 4 57 <그림 4> 지질이상대구간 별도의 지보패턴 제시 및 터널 안정성 검토여부에 대하 설문조사결과 3.2.2 암판정 및 계측분야 설문조사결과 막장관찰 업무를 수행하는 엔지니어 업무수행경력과 전공에 대해 설문조사를 실시하였다(그림 5 참조). 업무수행 경력은 5~10년이 가장 많았으며 10년 이상의 경우는 36%, 10년 이하가 64%인 것으로 나타났다. 막장관찰자 는 대부분 토목공학을 전공하였으며 자원공학과와 지질학을 전공한 것으로 조사되었다. 터널현장에 근무하는 종사자의 연령이 대체로 40대 이상임을 고려해 볼 때 막장관찰자는 상대적으로 터널 현장 관계자에 비해 업무수행 경력이 낮았다. <그림 5> 막장관찰자의 경력, 전공현황Next >