< Previous38 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 터널 강지보재 설계 및 시공상 문제점에 대한 고찰 그러나 격자지보는 스파이더가 위치한 중앙부가 복잡한 8자형 구조로 되어 있고, 특히 격자지보의 직경 20mm 환봉 이 양 옆으로 위치하고 있어, 급결성이 있는 강섬유 숏크리트를 타설 하게 되면, 20mm 환봉에 급결성이 있는 숏크리트 가 붙으며, 격자지보 중앙부로의 입구를 좁게 만들어, 격자지보 중앙부로 공극이 크게 발생한다. 그림 2는 숏크리트 타설후 격자지보 중앙부로 드릴링후, 드릴링 홀을 통해 내시경으로 촬영된 사진이며, 그림 3은 이 를 도식적으로 보여주고 있다. <그림 2> 격자지보 중앙부 내시경 삽입 장면(좌) 및 내시경 촬영 사진(우) <그림 3> 격자지보 숏크리트 타설 공정에서 공극 발생 과정 격자지보 중앙부에 위치한 공극은 숏크리트와 합성부재인 격자지보재의 구조적 성능을 현격히 떨어지게 한다. 이런 공극은 지하수가 유입되어 격자지보재를 따라 지하수의 물길이 형성된다. 그림 4는 격자지보 설치 위치에 격자지보재내 공극을 따라 유로가 형성, 격자지보로 지하수 물길이 형성된다. 이때, 격자지보 중앙부로 지하수 유입은 장기적으로 격 자지보 강재의 부식을 유발, 강재의 부식 팽창으로 인해 숏크리트에 강재 부피 팽창압이 작용한다. Vol. 25, No. 1 39 <그림 4> 격자지보 지하수 유출 현상 그림 5는 숏크리트가 타설된 격자지보의 20mm 환봉에 지하수로 인해 격자지보 환봉이 부식되어 있는 상태를 보여주 는 사진이다. 본 사진과 같이 격자지보가 부식이 계속해서 진행된다면, 부식으로 인해, 숏크리트에 강재의 부식으로 인 한 팽창압이 전달되어, 숏크리트 타설면에서의 박리현상과 강지보재와 숏크리트간의 분리현상을 유발하여, 부식된 격자 지보는 더 이상 터널 구조재로 써 역할을 상실하게 된다. <그림 5> 격자지보 강봉 부식40 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 터널 강지보재 설계 및 시공상 문제점에 대한 고찰 그림 6은 국내 OO터널에서 지보패턴이 3에서 4로 변경되는 지점에서 찍은 사진으로 지보패턴-4(P-4)에서는 강지보 재가 설치되었고, 지보패턴-3(P-3)에서는 강지보재가 설치되지 않았다. 강지보재가 설치된 구간(P-4)에서는 격자지보 재를 따라 지하수가 유출되어 지보재의 성능 저하가 발생한 반면, P-3에서는 숏크리트 타설면에서 부분적으로 지하수 가 비치는 정도를 보이고 있다. 본 조사를 통해서 숏크리트를 타설된 대부분의 격자지보 중앙부에 공극이 존재함 알 수 있다. <사진 1> P-4 Type (격자지보 설치구간)<사진 2> P-3 Type (격자지보 미 설치구간) <그림 6> 격자지보 구간과 무지보 구간에서의 지하수 유출 비교Vol. 25, No. 1 41 2.3 강지보재 연결부 취약 강지보재 구성은 상반에 두조각, 하반에 두조각, 총 4조각이 한조로 구성되어 있다. 특히 천단부는 터널 구조상 가장 취약부로 변위 발생량이 가장 크게 발생되는 부위 이다. 격자지보와 H형 강지보재의 연결재는 직경 20mm인 M20 볼트 를 적용하는데, 격자지보와 H형 강지보재의 연결부 구성은 그림 7, 8에서 보는 바와 같다. 각각의 지보재의 일반부와 연 결부의 단면적을 비교하면 표 1, 2와 같다. 표 1에서 격자지보는 연결부가 일반부에 비해서 강재량이 30%에 불과하여, 지반하중을 받아주는 부분도 이와 동일하 여 기존 격자지보재에서는 연결부가 취약부가 될 수밖에 없다. 표 2에서 H형 강지보재 연결부는 일반부에 비해 10~20%에 불과하여, 강지보재에 지반하중 또는 지반 이완하중이 전 달될 경우 연결부에서 먼저 심각한 변위가 발생되어 파괴로 까지 전이가 된다. 구조분야에서 설계하는 방음터널인 경우, 그림 9는 방음터널에서 H빔 연결부 시공사례로 H빔 연결부가 일반부 보다 더 큰 강성을 가지기 위해서 볼트 프라켓과 함께 볼트를 30~40개 체결, 즉 모재 단면적 이상으로 제작을 하여 시공하여야 한다. (a) 격자지보 연결부(b) 격자지보 연결부 볼트체결 (c) 격자지보 일반부 단면(d) M20볼트 <그림 7> 격자지보 구성42 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 터널 강지보재 설계 및 시공상 문제점에 대한 고찰 (a) H형 강지보 일반부(b) H형 강지보 연결부 <그림 8> H형 강지보재 구성 <표 1> 격자지보 일반부와 연결부 단면적 비교 격자지보 규격 일반부 ∅20mm×2ea, ∅30mm 단면적(cm2) 연결부 M20×2ea, 볼트단면적(cm2) 일반부 대비 연결부 강재량 비고 50*20*3013.354.735.2%강재량 부족 70*20*3013.354.735.2%강재량 부족 95*22*3215.644.730.0%강재량 부족 <표 2> H형 강지보재 일반부와 연결부 단면적 비교 H빔 규격 일반부 H빔 단면적(cm2) 연결부 M20×2ea 볼트단면적(cm2) 일반부 대비 연결부 강재량 비고 H10021.904.721.5%강재량 부족 H12530.314.715.5%강재량 부족 H15040.144.711.7%강재량 부족 <그림 9> 방음터널 볼트 체결부Vol. 25, No. 1 43 표 3은 강지보재 연결 관련 기준 및 국가기준(류)를 살펴보면, 강구조 연결부는 구조체에 작용하는 하중에 대해서 필 요강도 이상이거나 충분한 내력을 가지도록 기준에 제시 하고 있다. <표 3> 강지보재 관련 연결 국가기준 및 국가기준(류) 종류내용 강구조 연결 설계기준 (KDS 14 30 25) 4.1.1 접합은 보강재, 거세트 플레이트, 브라켓등 접합소재와 용접, 볼트로 구성있다. 이러한 요소들은 구조체에 작용 하는 하중에 필요강도 이상이 되거나 또는 접합부가 충분한 내력을 발휘할 수 있는 강도 이상이어야 한다 국도건설공사 설계실무 요령 6.터널공 8. 나 3) 강지보재의 연결체결부는 일반부와 동등이상의 강도 등 구조설계기준을 만족하는 성능을 발휘하도록 해야한다 2.4 과굴 발생구간 터널 굴착시 과굴이 발생될 경우, 과굴지점에 강지보재 설치시, 강지보재와 굴착면과의 이격거리가 과굴난 거리만큼 발생되어 과굴난 체적부 만큼을 숏크리트를 2~3차례 타설후, 격자지보를 설치한다. 이때 시공 공정상 격자지보 설치 없 이, 과굴난 체적만큼 2~3차례 숏크리트 타설하면서 2~3막장 굴진후, 격자지보를 설치하게 된다. 즉 터널굴진을 2~3막 장 하는 동안, 강지보재는 없는 상태에서 굴진을 하여 터널 안정성에 문제가 발생된다. 격자지보를 설치한다 해도 굴착면 에서 과굴이 발생된 길이 만큼 숏크리트 타설면 위에 강지보재를 설치하게 되므로 터널 구조적으로는 좋지 않을 것이다. 3. 기술적 제언 격자지보 중심부에 발생되는 공극 발생 인자는 격자지보 20mm 환봉 직경 크기와 20mm 환봉간 이격간격, 숏크리트 의 급결성으로 인해 발생된다. 즉 20mm 환봉 직경이 커져, 20mm 환봉간 간격이 좁하지게 되면, 급결성이 있는 숏크리 트가 타설되면서, 20mm 환봉간 이격공간에 숏크리트가 급격하게 폐색이 되어 격자지보 중앙부에 공극이 발생된다(그 림 10 참조). 이격간격이 격자지보 종류에 따라 60mm에서 100mm 이격되어 있는데, 이 이격거리가 좁아지게 되면 숏크 <그림 10> 격자지보 공극 발생 구조44 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 터널 강지보재 설계 및 시공상 문제점에 대한 고찰 리트의 급결성에 의해서 격자지보 중앙부에 숏크리트가 채워지기 전에 입구부가 폐색이 되어 공극이 발생된다. 이를 위 해서 격자지보 20mm 환봉의 소재 강성을 높여, 환봉의 직경을 줄여, 환봉간 이격간격을 넓이는 방향으로 연구개발을 해야 할 것 이다. 지하수가 유출되는 구간에 대해서는 격자지보 설치전 굴착면에 드레인 보드를 설치하여 격자지보를 따라 지하수가 유 출되지 않도록 해야 한다. 격자지보 중앙부에 생성되는 공극은 숏크리트 리바운드율을 기존 10% 내외에서 30~50%가 되도록 격자지보 중앙부에 숏크리트 타설을 밀실하게 해야, 격자지보 중앙부에 생기는 공극을 최소화 할 수 있다. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 25, No. 1 45 ∎ 제3강을 시작하면서 최근 도심지에서의 수해나 지진에 대한 안전대책, 지상의 자연환경이나 경관보전대책 그리고 안전하고 쾌적한 생활공간의 재생을 위해서 지하공간의 활용이 활발히 추진되고 있다. 특히 일본 도쿄와 같은 대도시의 경우 2000년대부터 도심지 공간개발의 한계를 해결하기 위하여 지하토지이용과 보상 문제를 [대심도 지하(Deep Underground)]라는 개념을 도입하여 법/제도적으로 수용하여 지하 공간개발을 활성화하고자 국가/지자체를 중심으로 다양한 노력을 지속적으로 수행하고 있다(그림 1). <그림 1> 일본의 대심도 지하개발 제3강 일본에서의 대심도 지하와 지하개발에 관한 고찰 Review of Deep Underground Development in Japan 김영근 한국터널지하공간학회 부회장 (주)건화 지반터널부 부사장 공학박사/기술사기술강좌 시리즈: 도심지 지하공간 개발과 대심도 지하인프라 구축 제3강. 일본에서의 대심도 지하와 지하개발에 관한 고찰 46 자연,터널 그리고 지하공간 제3강에서는 [일본에서의 대심도 지하와 지하개발 관한 고찰]이라는 주제하에 2001년 시행된 ‘대심도 지하의 공공적 사용에 관한 특별조치법(이하 대심도법)’의 주요 내용을 살펴보고, 대심도 지하의 주요 특성을 중심으로 현재 일본에서서 추진되었거나 진행 중인 주요 대심도 지하인프라 개발 내용과 특징 등을 고찰함으로서 도심지 대심도 지하공간개발에 관심이 많은 터널기술자들에게 실무적으 로 도움이 될 수 있도록 하였다. 1. 새로운 도시공간과 대심도 지하 대도시에서는 하수도 정비에 의한 도시의 위생 환경의 향상이 이루어지고, 수도, 전기, 가스라고 하는 라이프 라인의 지하화, 도시 의 활동을 지원하는 지하철이나 지하가 정비되는 등 지하이용에 의한 생활 편리성의 향상이 도모되어 왔다. 최근에는 이와 더불어 수해나 지진에 대한 안전대책, 지상의 자연환경이나 경관보전대책으로서의 지하이용 등 안전하고 쾌적한 생활공간의 재생을 위해서 지하공간의 활용이 진행되고 있다. 일본에서는 대도시의 지하이용이 한층 확대되고 보다 깊은 곳으로 전개됨에 따라 2001년에 ‘대심도 지하의 공공적 사용에 관한 특별조치법(대심도법)’이 시행되어 대도시의 대심도 지하이용에 대한 요건, 절차 등이 정해졌다. 대심도 지하란 지하 이용의 신개념으 로 1980년대 버블 경기를 정점으로 한 지가 급등 시에 고안된 것으로, 통상 이용되지 않는 심도의 지하공간을 공공용으로 이용할 수 있도록 하고, 도시 형성에 불가결한 도시터널이나 공동구 등의 건설을 촉진시키기 위해 법제화되었다. 환기, 재해시 안전성 확보 등 기술적인 문제와 건설비용 문제도 있어 대심도 지하를 사용한 사업은 오래 실시되지 않았으나 2000년대 후반부터 대심도 지하를 사용한 사업이 구체화되었다. 그림 2에는 일본 국토교통성에서 발간한 [대심도 지하]에 대한 설명 및 홍보자료가 나타나 있다. 대심도 지하는 도심지의 새로운 도시공간으로서 도시의 새로운 가치를 창출할 수 있는 소중한 공간이다. 본고에서는 대심도법의 주요내용을 중심으로 친숙한 지하시설부터 평소 볼 수 없는 지하시설까지 우리의 생활을 지탱하고 있는 다양한 지하시설에 대해 되돌아 (a) 새로운 도시공간 - 대심도 지하 (b) 새로운 가치창출 공간 - 대심도 지하 <그림 2> 일본 대심도 지하제3강. 일본에서의 대심도 지하와 지하개발에 관한 고찰 Vol. 25, No. 1 47 보면서 앞으로의 대심도 지하이용에 대해 고찰하였다. 2. 대심도 지하(Deep Underground) 2.1 도심지 지하개발 현황 대도시의 천부의 지하이용은 매우 혼잡해지고 있으며, 새로 설치되는 시설의 깊이는 상당히 깊어지고 있다. 그림 3은 도쿄의 도로 하부에 설치되어 있는 관로의 연장과 도쿄 지하철 터널구간의 최대 심도 추이를 나타내고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 대도시의 지하는 매우 혼잡해지고 있으며, 설치 심도도 깊어지고 있음을 볼 수 있다. (a) 도쿄 도로하부 관로의 연장(b) 도쿄 지하철 터널 최대 심도 <그림 3> 도쿄 지하의 혼잡성과 터널 심도 그림 4(a)는 도쿄 이다바시 지하의 현재 개발상황으로 매우 복잡한 것을 알 수 있다. 또한 그림 4(b)는 도영 오에도선 이다바시역~ 가스가역 사이의 지하심도를 나타내고 있는데, 최대 지하심도가 49m로 기존 지하철 심도에 비하여 더 깊은 지하가 이용되고 있음을 확인할 수 있다. (a) 도쿄 이다바시 지하 상황 (b) 도쿄 지하철 터널 심도 <그림 4> 대도시 지하의 복잡성과 지하철 터널 심도Next >