< Previous48 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 고속도로 장대터널 확폭부에서 관통 시공 사례 3.2 관통 개요 비암터널은 4.58km의 기계환기 터널로 경사갱을 통한 양방향 굴착계획을 수립하여 시공성을 향상시키고 공기를 단 축하려고 하였으나, 주변 민원 등의 문제 제기에 따라 공사가 지연 되어, 본선부를 우선 굴착하는 것으로 변경하였다. 이 에, 지반조사 결과, 터널 종단경사를 고려한 급배수 계획 등을 종합적으로 고려하여 터널내 관통 위치를 선정 하였다. 따 라서, 관통위치는 양방향 모두 본선 확폭부(연락갱 및 경사갱)와 인접하는 구간에서 관통하는 것으로 계획하였다. <그림 4> 관통부 상세도 3.3 관통위치 지반등급 3.3.1 현장 원위치 조사인 수평보링조사와 막장 암판정 결과 양주방향은 Ⅲ등급 이상의 양호한 암반이 분포하였고, 파주방 향은 Ⅳ등급 암반이 분포하는 것으로 수평 보링조사 되었으나, 현장 암판정시 Ⅲ등급 이상의 양호한 암반이 분포하였다. 따라서, 적용 지보패턴은 C-1로 적용하였다. <표 3> 암반등급 구분파주방향양주방향비고 설계지질개요도ⅡⅡ 시공중 수평 보링조사ⅣⅡ 암판정ⅢⅢVol. 23, No. 2 49 ① 수평보링 결과 <표 4> 수평보링 결과 구분파주방향(HB-12)양주방향(HB-11)비고 구간Sta.9+835~9+885Sta.9+798~9+873 수량50.0m75.0m 조사 위치도 터널 통과구간 수평 보링 조사 결과 관통위치 sta.9+873 관통위치 sta.9+865 ② 터널 막장 암판정 결과 <표 5> 막장암판정 구분파주방향양주방향비고 위치STA. 9+968.0STA. 9+975.0 막장 관찰도50 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 고속도로 장대터널 확폭부에서 관통 시공 사례 <표 5> 막장암판정(계속) 구분파주방향양주방향비고 막장면 사진 판정결과C-1C-1 3.4 굴착순서 변경 설계시 굴착순서는 비암터널 시· 종점부 및 경사갱을 이용하여 8개소에서 굴착을 하여 터널을 관통하는 것으로 계획 되었으나, 실제 시공은 본선 굴착 후 경사갱 외부에서 내부로 굴착하는 것으로 변경되었다. 3.4.1 굴착 및 관통 순서 <그림 5> 관통 순서도Vol. 23, No. 2 51 3.5 보조공법(경사볼트) 적용 3.5.1 관통을 위해 당초 설계시 보조공법은 포오폴링으로 계획되었으나, 현장 막장면에 대한 조사시 용수가 거의 없었고, 자재의 확보가 용이한 경사볼트+레진공법을 적용하였다. 3.5.2 관통구간 지보 패턴 및 보조공법은 아래의 표와 같다. <표 6> 관통구간 지보패턴 및 보조공법 위치(STA.)연장(m)지보 패턴굴진장(m)보조공법(경사 락볼트 : SD35, D25) 파주9+864~9+87814C-12.0θ=120°, L=4.0m, 0.5m(횡), 2.0m중첩 양주9+857~9+87114C-12.0θ=120°, L=4.0m, 0.5m(횡), 2.0m중첩 3.5.3 굴진장은 관통시 응력의 집중 등에 따른 불균형력 작용 등을 고려하여 굴진장을 경사볼트의 중첩장과 동일하게 2.0m 로 적용하여 수치해석 결과를 확인 하였다. ⇒ ⇓ ⇐ <그림 6> 보강 개요도52 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 고속도로 장대터널 확폭부에서 관통 시공 사례 3.6 수치해석 및 계측 결과 비교 고찰 본선과 전기실 및 연락갱 등 터널 단면이 변화되는 구간 근처에서 관통을 위한 수치 해석시 굴착단계 및 지보재 설치 에 따른 영향과 터널 종방향 아칭효과를 고려할 수 있어 보다 정확한 굴착해석을 할 수 있는 3D해석 프로그램을 이용하 여 전후 좌우 4.0D, 하부 3.0D를 해석 범위로 선정하여 수치해석을 하였고, 수치해석 결과와 현장 계측치를 천단변위, 내공변위, 숏크리트 응력, 록볼트 축력의 항목 등에 대하여 비교 고찰하였다. <표 7> 해석모델 해석모델 ∙ 지반 : 확폭터널에서 관통부까지 구간을 검토하였음 ∙ 관통부 전, 후 4D 범위 구간 모델링 ∙ 절점 : 32,210개, 요소 : 48,241개 생성 3.6.1 수치해석 단계 <표 8> 수치해석단계 단계모델링내용단계모델링내용 1단계 초기응력 ① 초기응력 정의 4단계 파주방향 종점부 굴착 ① 모델영역 확폭터널 굴착 ② Soft S/C 및 록볼트 설치 ③ Hard S/C ④ 굴착단계 반복 2단계① 변위초기화 5단계 양주방향 확폭구간 STA.9+852 까지 굴착 ① 양주방향 확폭터널 STA. 9+852까지 상반굴착 ② Soft S/C 및 록볼트 설치 ③ Hard S/C ④ 굴착단계 반복 3단계 양주방향 종점부 굴착 ① 양주방향 종점부에서 관통부까지 굴착 ② Soft S/C 및 록볼트 설치 ③ Hard S/C ④ 굴착단계 반복 6단계 파주방향 확폭구간 굴착 ① 파주방향 확폭터널 상반굴착 ② Soft S/C 및 록볼트 설치 ③ Hard S/C 7단계 파주방향 양주방향 관통 ① 파주 및 양주방향 상반관통 ② Soft S/C 및 록볼트 설치 ③ Hard S/CVol. 23, No. 2 53 3.6.2 터널 관통부의 천단변위 및 내공변위 수치해석 결과 <표 9> 천단변위 및 내공변위 수치해석결과 구분터널 수평 변위(mm)터널 연직 변위(mm) 파주 방향 최대 3.727mm 발생(Sta.9k+903)최대 4.587mm 발생(Sta.9k+903) 양주 방향 최대 3.610mm 발생(Sta.9k+903)최대 4.449mm 발생(Sta.9k+903) 3.6.3 터널 관통부의 숏크리트 압축응력과 락볼트 축력 수치해석 결과 <표 10> 숏크리트 압축응력 및 락볼트 축력 수치해석 결과 구분숏크리트 압축응력록볼트 축력 파주 방향 최대 : 1.289MPa < 8.4MPa (O.K)최대 : 27.542kN < 88.7kN (O.K) 양주 방향 최대 : 0.957MPa < 8.4MPa (O.K)최대 : 26.055kN < 88.7kN (O.K)54 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 고속도로 장대터널 확폭부에서 관통 시공 사례 3.6.4 수치해석 결과와 계측결과 비교 <표 11> 수치해석결과와 계측결과 비교 구분파주방향양주방향허용값검토 숏크리트 최대 응력(MPa) 해석1.2890.957 8.4 O.K 계측1.31.4 록볼트 축력(kN) 해석27.54226.055 88.7 O.K 계측1.421.35 천단 변위 종점방향(mm)해석4.587(압축)4.449(압축)<20mmO.K sta.9k+853(파주) 계측 8(압축)<20mmO.K sta.9k+855(양주)7(압축)<20mmO.K 좌측 내공 변위 종점방향(mm)해석3.727(압축)2.919(압축)<40mmO.K sta.9k+853(파주) 계측 6(압축)<40mmO.K sta.9k+855(양주)6(압축)<40mmO.K 우측 내공 변위 종점방향(mm)해석2.934(압축)3.610(압축)<40mmO.K sta.9k+853(파주) 계측 5(압축)<40mmO.K sta.9k+855(양주)5(압축)<40mmO.K 3.6.5 수치해석 및 계측결과 분석 계측 A(천단침하계, 내공변위계) 및 계측 B(지중변위계, 숏크리트응력계, 록볼트 축력계)에 의한 수치해석과 계측 결 과를 분석한 결과 천단침하, 내공변위 및 숏크리트 응력은 수치해석 결과와 유사한 값을 보이고, 록볼트 축력 측정 결과 도 수치해석 결과에 비해 작은값을 보이고 있다. 이에, 지중 경사계를 비교 분석한 결과 변위가 미소하여 이완영역이 발 생하지 않는 양호한 암반 구간이 분포하는 것으로 추정된다. 3.7 관통부 시공시 유의사항 1) 관통부 시공시 암반상태(절리방향 등)를 면밀히 관찰하여야 하며, 암반상태가 불량할 경우 감독원과의 협의하여 관통 위치를 변경하여야 한다. 2) 관통부 영향범위를 고려하여, 관통위치(2.0D 이상)까지 시공이 되었을 경우 즉각 굴착을 중지하고, 절리방향 등 암반 상태를 면밀히 조사하여야 한다. 3) 관통부 시공시는 암반상태에 따라 굴진장 축소, 보강공법 등을 적극 검토하여야 한다. 4) 관통위치 시공시 절리방향에서 불리한 위치부터 상반 굴착을 수행하여야 하며, 암반상태에 따라 보강공법을 적용하 여 안정성을 확보하여야 한다. 5) 관통부 굴착시 막장조건이 불량할 경우 막장면 숏크리트 등으로 보강하여야 한다. 6) 관통부 시공계획을 참고하여 안정성을 확보하여야 하며, 감독원과 협의하에 관통부의 위치, 추가적인 보조 보강공법 을 적용할 수 있다.Vol. 23, No. 2 55 4. EX-TM(Expressway Tunnelling Method) 막장 암판정 효과 분석 4.1 개요 기존의 경험적 지보패턴의 경우 표준지보패턴(5개)에 의해 터널 구간별로 판정·적용함으로써 단순하고 획일적인 지보 패턴 적용되어 있었다. 이에, 시공단계에서 현장 기술자의 판단에 따라 다양한 지반특성에 보다 적합한 지보패턴을 결정하 여 시공할 수 있도록 하는 한국도로공사의 터널 공법인 EX-TM에 의한 지보패턴(9개+부분 보강패턴)을 적용하였다. 4.2 EX-TM적용 세부 방안 4.2.1 터널 감리원의 자격기준을 중급 이상의 터널 유경험자로 “터널굴착기간+2개월(굴착 전· 후 1개월)” 배치하므로서 전 문인력에 의한 터널관리를 수행토록 하였다. 4.2.2 건설사업단내 감독원, 토질 및 기초분야 전문가 및 현장 관계자와 주 1회 이상 시공중 막장 점검을 통하여 지반상태, 지보패턴 및 지반보강 등의 적정성을 확인하였다. 4.3 막장 암판정 결과 비교 약 4.5KM 양방향 본선 굴착구간에 대하여 EX-TM적용에 따른 구 암판정 방법 적용시의 공기 비교 결과는 아래 표 및 그림과 같다. <표 12> 암판정 결과 비교 구분AB-1B-2C-1C-2D-1D-2E-1E-2 암반등급 Ⅰ 경암 Ⅱ 보통암 Ⅲ 연암 Ⅳ 풍화암 Ⅴ 풍화암및파쇄대 RMR 점수(%)100~8180~7170~6160~5150~4140~3130~2120~1110 이하 굴착공법전단면전단면전단면전단면전단면전단면상하반상하반상하반 굴진장 EX-TM4.04.03.53.02.52.01.5/3.01.2/2.41.2/1.2 구4.03.52.01.5/3.01.2/1.2 설계지보패턴 연장(m)3,1221,242950.91,025.3562.2332.6178.8550.835.85 EX-TM 지보패턴 연장(m)--724.854,051.31,645.1322.8889.4020.4 기존지보패턴 연장(m)-724.95,696.41,212.220.4 EX-TM 지보패턴 굴착기간-- 51.8일 (1.7개월) 337.6일 (11.3개월) 164.5일 (5.5개월) 40.4일 (1.3개월) 111.2일 (3.7개월) - 4.3일 (0.1개월) 기존지보패턴 굴착기간-51.8일(1.7개월)569.6일(19개월)151.5일(5.1개월)4.3일(0.1개월) EX-TM 지보패턴 굴착기간 : 23.7개월(2년) 감 2.2개월 기존 지보패턴 굴착기간 : 25.9개월(2.2년) ※ 지보패턴에 따른 기간 산정시 4막장 2회씩 발파하여 “8회 / 1일”로 적용.56 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 고속도로 장대터널 확폭부에서 관통 시공 사례 <그림 7> 굴착 기간 비교 4.4 EX-TM적용 효과 분석 4.4.1 터널 막장 암판정을 EX-TM으로 적용하였을 경우 터널의 암판정시 지보 패턴의 유연한 적용으로 공기 단축(약 2.2개 월 이상) 및 공사비 절감 효과를 기대할 수 있었다. 4.4.2 터널 감리원의 자격기준을 중급 이상의 터널 유경험자로 배치하므로서 전문인력에 의한 터널관리를 수행토록 하였고, 건설사업단내 감독원, 토질 및 기초분야 전문가와 현장 관계자가 주 1회 이상 시공 중 막장 점검을 통하여 지반상태, 지 보패턴 및 지반보강 등의 적정성을 확인하므로서 객관화되고, 보다 안정성을 확보한 터널 굴착시공을 할 수 있었다. 5. 굴착 시공중 안전 및 환경 개선 사례 5.1 스마트 관제 시스템 5.1.1 목적 터널 시공 특성을 고려하여 통신, 관제, CCTV, 유해가스 등 최신 ICT 기반 기술을 활용하여 터널 시공 중 안전 감시 체계 확립 및 터널내 작업 환경을 개선하기 위하여 스마트 관제시스템을 도입하였다. 5.1.2 원리 인터넷을 기반으로 PC, 스마트폰, 관제 모니터 및 사무실 대형TV로 실시간 영상 시스템을 구축하였다.Vol. 23, No. 2 57 <그림 8> 스마트 관제시스템 개요도 5.1.3 효과 ① 막장별 굴진량 및 누계량 등을 기록하여 굴착 진행현황을 파악하였다. ② CCTV활용으로 실시간 터널내 막장면 및 근로자 위치 확인에 의한 터널내 안전 현황을 확인하였다. ③ 산소농도, 황하수소, 일산화탄소 등 유해가스 농도 자동 측정으로 터널 환경을 확인하였다. ④ 터널내 작업공정을 CCTV화면으로 실시간 확인 하였다. <그림 9> 스마트 관제시스템 화면Next >