< Previous8 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공사례 (a) 초대구경 강관보강그라우팅 시공(b) 터널 굴착 및 지보 (c) 콘크리트 라이닝 설치(d) 매입형 갱문 설치 <그림 4> ETPM공법 시공순서 3. 상관터널 갱구부 ETPM공법을 설계현황 본 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)이 적용된 상관터널은 ｢새만금~전주간 고속도로 제8공구｣에 계획된 장대터널 (L=3.806km)로 터널 시점부는 운용중인 순천~완주 고속도로 성토제체 하부에 터널 갱구부가 형성되도록 계획되었으 며, 종점부는 급한 편경사 계곡부에 위치함에 따라 터널 갱구부 비탈면 절취가 곤란하고 지보재의 높은 지보력 발휘로 갱구부의 구조적 안정성이 확보되어야 하는 상황이었다. 따라서 터널 갱구부의 지형, 지반 및 시공여건 등을 고려하여 표 1과 같이 터널 갱구부의 비탈면 절취가 거의 발생되지 않도록 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 적용계획을 수립하였 다. 특히, 터널 시점부는 운용중인 순천~완주 고속도로의 침하안정성을 고려하여 공사용 소단면 터널(Pilot Tunnel)을 적용하였으며, 단계적인 고속도로 부분 이설 및 재설치를 통하여 일반적인 고속도로 터널이 형성되도록 계획하였다. ∙ 상관터널 연장 및 환기방식: 새만금방향 L=3,787m, 전주방향 L=3,806m / 기계환기 ∙ 피난연결통로: 대인용 14개소, 차량용 6개소 및 대형차량용 5개소 ∙ 갱문형식: 벨마우스 변형형 <그림 5> 새만금~전주 고속도로 제8공구 상관터널 현황Vol. 22, No. 3 9 <표 1> 상관터널 시점 및 종점 갱구부 지형 및 시공여건 구분시점 갱구부종점 갱구부 설계 현황 장수방향 새만금방향 새만금방향 장수방향 지형 및 시공여건 ∙ 운용중인 순천~완주 고속도로 하부통과 ∙ 약 h=15.0m의 고속도로 성토제체 형성 ∙ 터널 주변 성토체, 토사 및 풍화암 분포 ∙ 계곡 좌우측에 터널 갱구부 형성 ∙ 장수방향 좌측에 급한 편경사지형 형성 설계개념 ∙ 순천~완주 고속도로 침하 안정성 확보를 위하여 성토제체 절취 배제 ∙ 터널(Pilot Tunnel)의 안정성확보 ∙ 급한 편경사 지형(장수방향)에 의한 대규모 비탈면 절취 최소화 계획 ∙ 편토압 작용을 고려한 터널 안정성 확보 <표 2> 상관터널 시점 및 종점 갱구부 ETPM공법 보강계획 구분 시점부종점부 새만금방향새만금방향장수방향 보강도 터널굴착전단면 굴착 / (종)1.0m상하반 분할굴착 / (종)1.0m상하반 분할굴착 / (종)1.0m 숏크리트고강도 강섬유SC 16.0cm고강도 강섬유SC 20.0cm고강도 강섬유SC 20.0cm 강지보H-125 / (종)1.0mH-125 / (종)1.0mH-125 / (종)1.0m 보강공법 초대구경 강관보강 그라우팅 ∙ 1열: Ø165.2mm, (횡)0.5m, θ120˚, L=40.0m ∙ 2열: Ø216.3mm, (횡)0.5m, θ전주면, L=51.0m 초대구경 강관보강 그라우팅 Ø165.2mm, (횡)0.5m, θ180˚, L=12.0m 초대구경 강관보강 그라우팅 Ø165.2mm, (횡)0.5m, θ180˚, L=24.0~30.0m10 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공사례 4. 상관터널 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공현황 4.1 상관터널 시점 갱구부 ETPM공법 시공현황 2020년 07월 현재, 상관터널 시점 갱구부는 운용중인 순천~완주 고속도로의 침하 안정성과 깊게 분포하는 고속도로 성토체, 토사 및 풍화암에 대한 소단면 터널(Pilot Tunnel)의 안정성 확보를 위하여 당초설계와 같이 고강성의 초대구경 강관보강 그라우팅 2열(1열: Ø165.2mm L=40.0m, 2열: Ø216.3mm, L=51.0m)을 터널 외주면에 보강하였고 고강도 숏 크리트와 강지보(H-125, (종)1.0m)를 조기에 설치하였다. 순천~완주 고속도로 ① 작업부지 형성 및 벌개제근 상관터널 시점 ETPM 갱구부 시공전경② 초대구경 강관 보강 ③ 초대구경 강관 보강완료④ 갱구부 굴착 및 공사용 갱문 설치⑤ 본선터널 굴착 및 지보재 설치 <그림 6> 상관터널 시점 ETPM 갱구부 시공전경 및 시공순서 운용중인 고속도로 성토제체를 절취하지 않고 초대구경 강관보강 그라우팅을 선보강한 후, 터널 굴착 및 지보재 설치 를 연속적으로 수행하는 단순한 공정의 영향으로 터널 갱구부의 안정성이 확보되는 상태에서 시공성이 크게 증대되어 공사기간이 단축되었다. Vol. 22, No. 3 11 4.2 상관터널 종점 갱구부 ETPM공법 시공현황 2020년 07월 현재, 상관터널 종점 갱구부는 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)의 초대구경 강관보강 그라우팅(새만금 방향:Ø165.2mm L=24.0~30.0m, 장수방향:Ø165.2mm L=12.0m)을 완료한 후, 본선터널 굴착이 진행되는 상태이다. 일반적인 터널 갱구부 공법을 적용할 경우 장수방향 편경사에 과도한 비탈면 절취가 발생되나, 편경사 지형을 따라 계획 된 ETPM공법 갱구부 계획으로 비탈면 절취를 배제하여 터널 갱구부 환경훼손을 최소화하였다. 장수방향 편경사 지형 일반 터널 갱구부공법 비탈면 절취 ① 작업부지 형성 및 벌개제근 상관터널 시점 ETPM 갱구부 시공전경② 초대구경 강관 보강 ③ 초대구경 강관 보강완료④ 새만금방향 공사용 갱문 설치⑤ 새만금방향 본선터널 굴착 ⑥ 장수방향 편경사부 굴착 및 지보재 설치⑦ 장수방향 편경사부 천장부 굴착 및 공사용 갱문 설치 ⑧ 장수방향 본선터널 굴착 <그림 7> 상관터널 종점 ETPM 갱구부 시공전경 및 시공순서12 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공사례 4.3 ETPM공법 초대구경 강관보강 그라우팅 보강효과 증대방안 적용 본 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)의 안정성 확보를 위한 지보 시스템은 터널 외측에 고성능 초대구경 강관보강 그 라우팅(Ø165.2, Ø216.3mm, Ø318.5mm)을 장심도 수평보강 구조로 보강한 후, 단계적으로 터널을 굴착하면서 강지보 및 숏크리트를 초대구경 강관에 직교되도록 설치하여 복합 지보력의 발휘가 유리하도록 하였다(그림 8). <그림 8> 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)의 복합지보력 발휘 개념 따라서 초대구경 강관천공의 직진도(ε)와 충분한 그라우팅 효과가 발현되는 것이 중요하므로, 시공중 초대구경 강관 보강 그라우팅의 품질관리방안을 수립하였다. 초대구경 강관의 허용 천공직진도(ε)는 강관연장의 2.0%로 관리하였으며, 정밀한 시공을 위하여 직천공식 천공비트와 강관 천공중 지속적인 중심축 측량을 수행하였고 강관 천공완료 후 강관 직 진도(ε=2.0%) 측량을 통하여 검증하였다(그림 9). 또한, 동시주입 그라우팅 방식과 주입재 유량‧ 유압 자동제어 시스템 을 적용하였고 강관의 격공시공 및 천공후 즉시 그라우팅을 통한 충분한 그라우트 양생시간(20일 이상)을 확보하여 그라 우팅 품질을 개선하였다(그림 10). (a) 직천공 비트(b) 천공중 강관 중심축 측량(c) 강관천공 후 직진도 확인측량 <그림 9> 초대구경 강관 천공 직진도(ε=2.0%) 확보방안Vol. 22, No. 3 13 (a) 동시주입 및 주입재 유량‧ 유압 자동제어 시스템(b) 강관 격공시공 및 천공 즉시 그라우팅 <그림 10> 초대구경 강관 그라우팅 품질확보 방안 상관터널 시점 및 종점 갱구부에 보강된 초대구경 강관의 직진도(ε) 측량자료를 검토한 결과, 초대구경 강관 연장(L) 이 40.0~51.0m 보강된 시점부의 강관오차는 -9.4~+24.6cm로 허용기준(ε=2.0%, ±80.0~102.0cm)을 모두 만족하였 으며, 강관 연장(L)이 12.0~30.0m 보강된 종점부의 강관오차는 -20.5~+45.0cm로 허용기준(ε=2.0%, ±24.0~60.0cm) 이내에 초대구경 강관이 위치하는 것으로 확인되었다(그림 11). (a) 시점부 새만금 방향(b) 종점부 장수방향(c) 종점부 새만금방향 <그림 11> 상관터널 시점 및 종점 갱구부 초대구경 강관 직진도 측량결과 상관터널 종점부는 당초설계에서 조사된 토사(풍화토) 심도 대비 얕게 분포하는 것으로 확인되어 갱구부 굴착중 특이 사항은 없었으나, 시점부의 경우 운행중인 순천~완주 고속도로 성토제체 하부를 통과하는 것으로 계획됨에 따라 초대구 경의 강성과 더불어 그라우트 품질이 확보되어야 하는 상황이었다. 시점부 터널 굴착중 확인된 터널 굴착면 및 막장면의 지반상태는 밀실한 그라우팅과 충분한 양생기간 확보로 지반강도특성이 크게 개선된 것이 확인되었다. 특히, 층상구조 를 나타내는 고속도로 성토제체의 구조적 특성에 의하여 주입재가 층상불연속면으로 다수 확산되어 터널 막장은 풍화암 이상의 강도와 높은 자립도를 나타내는 것으로 확인되었다(그림 12).14 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공사례 (a) 운행중 고속도로 하부통과 시점부 현황(b) 초대구경 강관 그라우트 주입현황 <그림 12> 상관터널 시점부 시공 및 그라우트 보강 현황 5. 시공중 계측자료 분석을 통한 터널 갱구부(ETPM공법) 안정성 검토 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)이 적용된 상관터널 시점 및 종점 갱구부의 계측자료를 분석하여 터널 시공중 안정성 을 검토하였다. 터널 시점부는 불량한 지반조건과 운용중인 순천~완주 고속도로의 침하 안정성 평가를 위하여 터널 종방 향으로 5.0m간격의 계측위치를 설정하여 터널 천단침하 및 내공변위를 측정하였고 터널 천단 1.0m상부에 수평 지중경 사계(L=20.0m)와 고속도로 노면에 침하계를 설치하여 지속적으로 터널 굴착에 따른 지반침하를 측정하였다. 계측결과, 터널 천단침하, 내공변위 및 고속도로 침하량은 1차 관리기준 이하를 나타냈으며, 수평 지중경사계는 초대구경 강관보강 그라우팅의 영향으로 부분적으로 상향변위가 발생되었으나 3.25mm에서 수렴한 것으로 검토되었다(그림 13, 표 3). (a) 시점부 계측위치(b) 천단침하(mm) (c) 내공변위(mm)(d) 고속도로 침하(mm) <그림 13> 상관터널 시점부 계측결과Vol. 22, No. 3 15 <표 3> 상관터널 시점 갱구부 계측결과 구분천단침하(mm)내공변위(mm)수평 지중경사(mm) 고속도로 침하 (STA.51+304.0, mm) 허용값20.0(1차)40.0(1차)-10.0 계측값5.0, O.K6.0, O.K3.35, 수렴1.0, O.K 터널 종점부 장수방향의 급한 편경사 지형과 얕은 기반암 분포조건을 고려하여 터널 종방향으로 10.0간격의 계측위치 를 설정하여 터널 변위 및 지보재 응력을 측정하였다. 계측결과, 편토압이 작용하는 장수방향이 새만금방향 대비 터널 변위 및 지보재 응력이 크게 발생되었으나, 모두 허용값 이하의 변위 및 지보재 응력이 발생되어 터널 갱구부의 안정성 은 확보된 것으로 확인되었다(그림 14, 15, 표 4). (a) 종점부 새만금방향 계측위치(b) 천단침하(mm) (c) 내공변위(mm)(d) 숏크리트 휨응력(MPa) (e) 록볼트 축력(kN)(f) 지중변위(mm) <그림 14> 상관터널 종점부 새만금방향 계측결과16 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공사례 (a) 종점부 새만금방향 계측위치(b) 천단침하(mm) (c) 내공변위(mm)(d) 숏크리트 휨응력(MPa) (e) 록볼트 축력(kN)(f) 지중변위(mm) <그림 15> 상관터널 종점부 장수방향 계측결과 <표 4> 상관터널 종점 갱구부 계측결과 구분천단침하(mm)내공변위(mm)숏크리트 휨응력(MPa)록볼트 축력(kN)지중변위(mm) 허용값20.0(1차)40.0(1차)11.4110.05.0(1차) 계측값 새만금방향4.0, O.K3.0, O.K0.007, O.K5.87, O.K0.03, O.K 장수방향5.0, O.K4.0, O.K0.200, O.K12.75, O.K0.50, O.K 2020년 7월 현재, 상관터널 시점부는 운용중인 고속도로 성토제체의 침하안정성을 확보한 상태로 통과하여 30.0m이 상 터널 굴진이 진행되었으며, 종점부 또한 터널 갱구에서 70.0m이상 굴진하여 본선터널을 굴착하고 있는 상황으로, 터 널 갱구부의 추가적인 변위 및 지보재 응력은 수렴하여 안정화된 것으로 확인되었다.Vol. 22, No. 3 17 6. 맺음말 ｢새만금~전주간 고속도로 제8공구｣소재의 상관터널 시점 갱구부는 불량한 지반조건과 운행중인 순천~완주 고속도 로 성토제체 하부를 통과하도록 계획되었고, 종점 갱구부는 급한 편경사 지형에 의하여 과도한 갱구부 비탈면 절취가 발 생하는 상황이었다. 상관터널 시점 및 종점 갱구부의 지형, 지반 및 시공여건을 종합적으로 고려할 때, 터널 갱구부의 비 탈면 절취를 최소화하고 고강성의 터널 보강공법 적용을 통하여 시공중 예상되는 문제점을 해결할 수 있을 것으로 판단 되어 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)을 터널 갱구부에 적용하였다. 그 결과, 상관터널 시점 갱구부는 불량한 지반조건 에 대한 터널 안정성 및 운용중인 고속도로 성토제체의 침하안정성을 확보한 상태로 본선터널을 굴착 중이며, 종점 갱구 부는 급한 편경사 지형과 자연환경을 유지하는 친환경 터널 갱구부를 형성시킬 수 있었다. 향후, 상관터널은 본선터널 굴착 및 콘크리트 라이닝 설치 후, 터널 갱구부에 ETPM 매입형 갱문 설치가 진행될 것이 다. 본선터널 콘크리트 라이닝 강재거푸집의 매입형 갱문 시공중 활용, 갱문 외부 거푸집의 축소, NATM구간 방수쉬트 를 갱문에 연장하여 단순하게 시공함으로써 시공성 향상에 의한 공사기간 단축이 예상된다. 또한, 원지반 지형이 유지되 고 콘크리트 갱문 돌출부가 최소화되는 친환경적인 터널 갱구부가 형성됨에 따라, 운용중 차량주행 안전성과 유지관리 편의성 및 유지관리비 감소를 기대할 수 있을 것으로 판단된다. (a) 영주터널 시점 갱구부(b) 영주터널 종점 갱구부(c) 천황산터널 시점 갱구부 계획 <그림 16> 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 적용 사례 완공도 참고문헌 1. 문경선, 서윤식, 강시온, 김상환, 2018, 터널 갱구부 보강방법에 따른 터널 변형 및 지조재 응력특성에 관한 연구, 한국터널지하공간학회 논문집, Vol.20, Issue.3, pp.625-639. 2. 신영완, 문경선, 2020, 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 적용사례, 대한토목학회 학회지, 제68권, 제6호, pp.48-53. 3. 문경선, 신영완, 박영만, 2018, 미니 파이프루프를 이용한 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)을 적용한 시공사례, 한국지반공학회 학회지, Vol.34, No.1, pp.57-71. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Next >