< Previous18 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도심지 붕적층 근접병설 터널 시공사례 <표 2> ○○ 근접 병설터널 검토위치 수치해석 검토결과 구분 천단침하 (mm) 내공변위 (mm) 숏크리트 휨응력 (MPa) 강지보 휨응력 (MPa) 강지보 전단응력 (MPa) 타이볼트 축력 (kN) STA.1+000 □□방향-4.99-0.644.84104.8538.55 76.86 △△방향-5.470.785.1999.1636.96 STA.1+030 □□방향-5.980.995.3083.2046.52 76.54 △△방향-6.42-0.555.52122.4058.45 STA.1+100 □□방향-9.173.444.97149.4178.86 98.07 △△방향-9.664.397.26135.5067.18 허용값--8.40175.0100.0115.6 (a) STA.1+000 연직변위도(b) STA.1+030 연직변위도(c) STA.1+100 연직변위도 (d) STA.1+000 타이볼트 축력도(e) STA.1+030 수평변위도(f) STA.1+100 수평변위도 5.2 터널 계측자료 분석에 의한 안정성 검토 본 현장의 근접 병설터널 굴착중 측정된 계측자료를 분석한 결과, 최대 천단침하 및 내공변위는 6.0mm로 관리기준(1 차)의 50.0% 이하 수준에서 변위가 수렴되었고 최대 숏크리트 휨응력 및 강지보 휨응력은 0.88MPa과 59.43MPa이 발 생되어 관리기준(1차)의 16.0% 및 74.0% 이하 수준이 발생되었다. 또한 필라부 최대 타이볼트 축력은 51.56kN으로 관 리기준(1차)의 32.0% 이하 수준에서 터널의 안정성이 확보된 것으로 검토되었다. 이는, 근접 병설터널 굴착 후 막장의 지보력이 발휘되는 상태에서 필라부 타이볼트를 터널 강지보에 체결하여 필라부 지반이완을 최소화하고 조기에 복합지 보력이 필라부에 작용하여 미소한 터널 변위와 관리기준 이하의 지보재 응력조건에서 당 현장의 근접 병설터널의 안정 성이 확보된 것으로 검토되었다. 본 현장 터널 주변에 깊게 분포한 퇴적토 및 자갈층의 분포를 고려할 때, SNT공법의 터널 강지보 체결 타이볼트 시스 템의 보강효과는 매우 우수하여 다양한 지반조건, 근접 병설터널 규모 및 필라폭 조건에서 적용성이 클 것으로 판단된다.Vol. 24, No. 1 19 <표 3> ○○ 근접 병설터널 계측자료 분석결과 구분 천단침하 (mm) 내공변위 (mm) 숏크리트 휨응력 (MPa) 강지보 휨응력 (MPa) 타이볼트 축력 (kN) STA.1+000 □□방향2.00-1.800.3159.43 51.56 △△방향-5.00-4.000.8819.74 STA.1+030 □□방향-5.00-6.000.2235.07 17.85 △△방향-4.00-4.000.5916.17 STA.1+100 □□방향-6.00-3.000.4912.81 6.61 △△방향-6.00-3.000.5410.71 관리기준 1차12.012.05.3879.92164.35 2차45.045.06.7299.90205.43 3차45.0 이상45.0 이상8.40124.87256.79 구분(a) STA.1+002.0(b) STA.1+030.0(c) STA.1+100.0 천단 침하 내공 변위 숏크리트 응력 강지보 응력20 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도심지 붕적층 근접병설 터널 시공사례 <표 3> ○○ 근접 병설터널 계측자료 분석결과(계속) 구분(a) STA.1+002.0(b) STA.1+030.0(c) STA.1+100.0 타이볼트 축력 6. ○○ 근접 병설터널의 시공성 검토 본 현장에 적용된 SNT공법은 다음과 같이 일반적인 병설터널과 동일한 시공공정(V=2막장/1일)으로 시공됨에 따라, 기존 근접 병설터널 기술 대비 시공성이 증대되어 공사기간이 감소되었다. ① 상행터널 굴착② 상행터널 필라부 강지보 체결 타이볼트 설치③ 상행터널 숏크리트 타설 ④ 후행터널 굴착⑤ 후행터널 필라부 강지보 타이볼트 체결⑥ 후행터널 숏크리트 타설 <그림 8> ○○ 근접 병설터널 SNT공법 시공공정 7. 맺음말 본 ○○ 근접 병설터널 현장의 필라부는 매우 협소(P.W=0.17D~0.43D(2.09~5.18m))하고 터널 선형에 근접된 하천의 지속적인 퇴적작용에 의하여 퇴적토 및 자갈층이 터널 계획고 하부까지 분포하며, 터널 지상부에 기존도로(왕복4차로), Vol. 24, No. 1 21 광역상수도(Ø1,000, Ø1,350), 건물 등이 위치함에 따라, 터널 형성이 매우 어려운 상황이었다. 특히, 지반의 공학적인 강도특성이 매우 불량한 퇴적토 및 자갈층이 깊은 심도로 분포하므로, 터널 본선과 필라부의 신속한 안정성 확보가 중요 하였다. 따라서, 터널 막장 후방에서 본선 터널 강지보에 타이볼트를 체결하여 터널 필라부에 복합지보력이 발휘될 수 있는 SNT공법을 적용한 결과, ○○ 근접 병설터널의 안정성을 확보하였고 2022년 02월 현재, 터널이 준공되어 교통량 이 많은 서울 서남부의 교통흐름 개선에 크게 기여하고 있다. 일반적으로, 근접 병설터널은 일반 병설터널 대비 안정성, 시공성 및 경제성이 상대적으로 낮고 공사기간이 증가는 단점이 존재하였으나, SNT공법을 적용할 경우 근접 병설터널의 단점이 개선되어 현장적용성이 크게 증가될 것으로 판 단된다. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]22 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 1. 서 론 강릉~제진 단선전철 건설공사는 남북철도 및 유라시아 대륙철도망을 연결하여 남북간 상생발전을 도모하고 강릉권 과 제진권 철도연결로 지역 균형발전에 기여하기 위해 계획되었다. 제1공구 사업구간은 강원도 강릉시 박월동 및 교동을 남대천 저토피 구간 및 강릉역 하부 통과 쉴드TBM 터널설계 사례 한성남 계룡건설산업(주) 토목본부 부장, 토목시공기술사 정갑영 계룡건설산업(주) 토목본부 이사, 도로및공항기술사, 토목시공기술사 정상준 (주)에스코컨설턴트 특수사업본부 상무, 토질및기초기술사, 토목시공기술사 강준호 (주)에스코컨설턴트 특수사업본부 부사장, 공학박사, 화약류관리기술사 <그림 1> 강릉~제진 1공구 터널 설계현황Vol. 24, No. 1 23 통과하며 강릉도심 및 남대천 통과구간은 쉴드TBM터널로 계획하였고 강릉역 하부통과 구간은 2Arch터널로 계획하였다. 본 기술기사에서는 하천 하부를 저토피로 통과하는 쉴드TBM터널과 기존 정거장 직하부를 근접 통과하는 2Arch터널 계획시 본 설계에서 검토한 사항에 대하여 기술하고자 한다. 2. 주요현황 강릉터널은 쉴드TBM 2,654m와 2Arch 및 확폭터널로 구성된 정거장터널 442m(개착정거장 포함)로 계획하였다. 남 대천, 강릉역 및 도심지를 통과하는 사업 노선으로 지층이 대부분 퇴적층, 풍화토 및 풍화암으로 이뤄졌으며 특히 남대 천 하부구간은 호박돌층을 통과하게 되므로 이를 고려한 터널 굴착 및 보강방안이 요구되었다. <그림 2> 터널굴착공법 쉴드TBM터널 단면은 국내 관련기준을 비롯하여 철도 설계, 시공사례 및 터널 배수체계 개선(안)을 검토하여 설계에 반영하였으며 건축한계를 준수하면서 안정성, 시공성 및 유지관리 편의성 등을 고려하였으며, 궤도, 전차선, 전력, 신호 및 통신 등 시스템 분야와의 인터페이스를 고려하여 굴착직경 9.00m, 세그먼트 외경 8.65m의 단면으로 계획하였다. 또한 정거장터널은 시공성과 유지관리 편의성을 고려하여 단면 개수를 최소화한 통합단면으로 계획하였으며, 인버트 를 전구간 설치하여 터널 및 궤도 안정성을 향상시켰다. <그림 3> 쉴드TBM 단면 현황<그림 4> 정거장터널 단면 현황24 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 남대천 저토피 구간 및 강릉역 하부 통과 쉴드TBM 터널설계 사례 3. 주요검토사항 3.1 쉴드TBM터널 강릉도심 및 남대천을 통과하는 쉴드TBM터널은 TBM 선형유지를 최우선한 굴착계획, 연약 퇴적층의 지질리스크를 고려한 장비계획 및 남대천 호박돌층 통과를 고려한 보강계획을 수립하였으며, 세그먼트 안정성 확보의 신뢰성을 높이 기 위해 국제터널공학회(ITA)에서 제시한 11단계 구조안정성 검토를 수행하였다. 3.1.1 쉴드TBM 굴착계획 열차의 안전하고 쾌적한 고속주행을 위해 터널의 선형유지가 매우 중요하다. 초기굴진시 600톤에 이르는 쉴드머신을 고추력으로 원지반에 압입해야 하므로 쉴드TBM 반력대와 받침대의 지반조건이 토사층과 같이 연약한 경우 장비 침하 및 반력대 밀림에 의한 선형이탈 우려가 크다고 판단하여 견고한 암반층인 개착정거장에서 발진하도록 굴착계획을 수립 하였다. 이를 통해 초기굴진시 TBM의 자세제어가 용이하도록 개선하였으며, 개착정거장의 주차장 부지를 지상설비 설 치 등 작업부지로 활용하여 환경훼손을 최소화하고 시공성을 대폭 개선하였다. 또한 쉴드TBM 상향굴진 계획을 수립하여 슬라임 자연배출로 세그먼트 조립시 시공오차를 최소화하고 TBM선형유지 에 유리하도록 하였다. <그림 5> 쉴드TBM 굴착계획<그림 6> 암반층 발진 계획<그림 7> 상향굴진 계획 3.1.2 쉴드TBM 장비계획 쉴드TBM터널 통과구간은 지반조건이 모래자갈층과 같은 연약지층, 암반과 토사층이 혼재한 복합지층 및 3bar 이상 의 고수압 구간 등으로 다양한 지질리스크가 존재한다. 이러한 지질리스크를 극복하기 위하여 이수식 쉴드TBM을 적용 하고 실시간 전방탐사시스템, 막장전방 프로브 드릴, 지반붕괴 검지장치 및 긴급지수장치 등 12대 스마트 장비계획을 수 립하여 굴착안정성을 확보하도록 계획하였다.Vol. 24, No. 1 25 <그림 8> 쉴드TBM 12대 스마트 장비계획 3.1.3 쉴드TBM 남대천 통과계획 남대천 하저 통과구간은 최소토피고 7m의 저토피 구간으로서 호박돌층이 넓게 분포되어 있다. 지반안정성을 향상시 킬 수 있도록 남대천 전구간에 친환경 보강 그라우팅 및 세굴방지공을 단계별로 설치하고 원격 자동화 계측을 통해 이상 변위 발생여부를 실시간 확인하도록 계획하였다. <그림 9> 남대천 하부 보강계획<그림 10> 호박돌층을 고려한 장비계획26 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 남대천 저토피 구간 및 강릉역 하부 통과 쉴드TBM 터널설계 사례 또한 호박돌층 통과시 배니관 막힘이나 커터헤드 폐색의 우려가 있으므로 해당구간에서 그리즐바를 설치하여 대형 호 박돌의 유입을 막고 텅스텐 카바이드 커터를 적용하여 호박돌 절삭능력을 증대하였으며, 조크러셔를 대형화 하여 호박 돌 파쇄능력을 향상시켰다. 3.1.4 쉴드TBM 세그먼트 안정성 검토 쉴드TBM 세그먼트 설계시 현황 조건을 고려한 단계별 구조안정성 검토가 필요하다. 그러나 국내에서는 세그먼트 안 정성 검토 기준이 제시되어 있지 않았기 때문에 기존 설계사례를 참조하여 세그먼트 안정성을 평가하는 실정에 있다. 이 를 개선하여 보다 체계적으로 세그먼트 안정성을 검토할 수 있도록 국제터널공학회(ITA, 2019)에서 제시한 세그먼트 11 단계 검토항목을 참조하여 구조검토를 수행하였다. 세그먼트 11단계 검토항목은 <표 1>과 같으며 세그먼트 제작부터 운 영단계까지 세그먼트의 Life Cycle에 따른 검증항목을 제시하고 있다. <표 1> 세그먼트 단계별 안정성 검토항목(ITA, 2019) 검토 단계검토 내용검토 단계검토 내용 제작1~4단계탈형, 적재, 운반, 조립 운영 8단계주요구간 안정성 검토 시공 5단계TBM 잭 추력9단계조인트 버스팅 검토 6단계뒤채움 주입압10단계장기변형 7단계국부적 뒤채움 주입압기타11단계내진/내화/내구성 3.2 2Arch터널 강릉역 하부 통과구간은 강릉역사 구조물 지지를 위한 말뚝기초와 근접하기 때문에 기존 구조물 및 운행선 궤도에 대 한 영향 최소화가 대단히 중요하다. 말뚝기초에 대한 영향을 최소화하기 위해 초대구경 수평강관을 적용하여 말뚝-강관 이격거리를 최소 1m 이상 확보하였다. 또한 강릉역 침하방지를 고려하여 2Arch터널 중앙부를 쉴드TBM으로 선굴진하 고 고강도 세그먼트를 적용함으로써 공사기간을 단축시키고 기존 구조물에 대한 굴착영향을 최소화하도록 계획하였다. 또한 초대구경 수평강관의 처짐을 최소화하기 위해 가압백을 적용하였다. <그림 11> 말뚝기초를 고려한 수평강관 이격계획<그림 12> 강릉역 침하방지를 고려한 보강계획Vol. 24, No. 1 27 TBM선굴진 2Arch터널은 갱문 설치 후 초대구경 수평강관 보강을 하여 지반침하에 대한 안정성을 확보한 후 쉴드 TBM을 선굴진하도록 계획하였다. 쉴드TBM 선굴진 후에는 중앙기둥을 설치하여 굴착안정성을 확보한 후 좌우터널을 굴착하도록 계획하였다. <그림 13> TBM선굴진 2Arch터널 시공계획 3.3 통합기재갱 3개소가 계획된 통합기재갱은 쉴드TBM 측면에 설치되기 때문에 접속부에 대한 누수방지계획을 수립하였다. 차수그 라우팅 형식은 FAN형으로 적용하여 무주입 구간을 배제하도록 계획하였다. 또한 접속부 안정성 향상을 위하여 강재 세 그먼트 보강, 강관삽입형 수평제트 그라우팅 등 6단계 보강계획을 수립하였다. <그림 14> 통합기재갱 누수방지 계획<그림 15> 통합기재갱 6단계 보강계획 4. 맺음말 최근 도심지를 통과하는 지하교통망 건설계획이 빈번하게 발표됨에 따라 고층건물이나 지하철의 직하부를 근접 통과 하고 하저를 저토피로 통과하는 등의 저토피 근접터널 건설수요가 증가할 것으로 예상된다. 이러한 터널 계획시에는 지 반조건, 지형 및 지장물조건 등을 종합적으로 고려하여 건설 리스크를 최소화해야 하고, 지역민원과 환경민원을 예방하 면서 동시에 터널의 사용성, 안정성 및 경제성을 일정 수준이상 충족시켜야 하는 어려움이 있으며 이를 극복하기 위해 다양한 검토가 설계단계에서 수행되어야 한다.Next >