< Previous28 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 동해북부선 강릉~제진 단선전철 건설공사 저토피 터널통과 설계사례 생발전을 도모하고자하는 계획된 노선이다. 강릉~제진 4공구 구간은 강원도 양양군 현남면 견불리에서 양양읍 정손리 에 이르는 구간으로 기본설계시 그림 1과 같이 중앙부 집단거주지를 우회하는 노선으로 변경하여 집단민원을 배제하고, 단터널 9개소를 4개소로 변경하여 갱구부 개소 축소를 통한 환경훼손 최소화 노선계획을 수립하였다. 1.2 터널현황 강릉~제진 4공구 터널은 단터널인 후포매터널, 인구터널과 장대터널인 정자터널, 상광정터널 등 총 4개소의 터널이 위치하고 있으며, 장대터널에는 경사갱 및 비상탈출구를 계획하였다. 터널명후포매인구 정자상광정 본선경사갱본선경사갱비상탈출구 연장/개소1,351m1,221m5,520m1개소7,057m1개소1개소 <그림 2> 강릉~제진 4공구 터널설계현황 본 기술기사에서는 본 과업구간 중 상광정터널 2개소에 적용한 저토피 통과공법에 대하여 기술하고자 한다. <그림 1> 강릉~제진 4공구 기본 및 실시설계 노선현황(계속)Vol. 25, No. 2 29 2. 저토피 터널통과공법 국내에서는 주로 아칭효과가 발휘되지 못하는 저토피 구간이나 갱구부 구간에 대한 보조공법 등의 보강공법 연구, 환 경훼손을 줄일 수 있는 방법으로 가시설을 이용한 방법 및 개착공기를 단축시킬 수 있는 프리캐스트 구조물을 이용한 방 법 등의 개착식 터널에 대한 연구가 주로 수행되어왔다. 또한 최근에는 NATM 또는 개착식 터널의 적용이 곤란한 저토 피 구간에 대한 카린시안(반개착) 터널굴착 공법 적용에 대한 필요성이 증가되고 있다. 카린시안 터널굴착 공법은 Door frame slab를 이용한 공법으로 독일에서 처음 제안되어 유럽 및 일본 등에서 주로 적 용되어 왔으며, 시공개념은 그림 3과 같다. 카린시안 터널 굴착 공법은 터널 상부지반을 굴착하여 현장에서 Crown Arch형의 콘크리트 구조물을 원지반과 결속 시공 후, 깎기부를 되메움하고 터널내부를 굴착하는 방법으로 개착터널에 비해 원지반 훼손면적이 축소되고 터널 내부 에서 일괄 시공되어 시공성이 개선되는 효과가 있다. 그러나 복잡한 시공공정, Crown Arch 콘크리트-지반 결속부 구조적 안정성 취약, 그리고 Crown Arch 콘크리트 하 부 Arch형상 지반형성 곤란 및 계획 성토고까지 되메움 시 Crown Arch 콘크리트의 과대변형 및 응력집중 가능성이 존 재하였다. 또한, 철근보강 Crown Arch 콘크리트 및 터널 라이닝 중복 시공으로 과도한 안정성 확보에 따른 경제성 저하 등의 개선이 필요하다. 따라서, 상기 기존 카린시안 공법의 문제점을 해결하기 위하여 급속 카린시안 공법(Rapid Carinthian Cut-and- Cover Tunneling Method, RCM)이 개발되었다. 본 기술기사에서는 기존 카린시안 공법의 문제점을 개선하기 위하여 제안된 급속 카린시안 공법(RCM)을 적용한 설계사례를 소개하고자 한다. (a) 상부굴착 및 FrameSlab 시공(b) 상부 되메움(c) 터널 굴착 <그림 3> Door frame slab 공법 시공개념도 3. 급속 카린시안 공법(RCM, Rapid Carinthian Cut-and-Cover Tunneling Method) 3.1 급속 카린시안 공법 개요 급속 카린시안 터널공법(RCM)은 고강성의 강지보+숏크리트 시스템 적용에 의한 시공공정 단순화로 시공성 증대 및 공사기간 단축을 기대할 수 있고, 구조적으로 취약한 카린시안 보강재 저점부에 대한 강성결합구조(사부재 보강 및 콘크 리트 일체 기초부 형성)를 적용하여 충분한 안정성을 확보할 수 있는 공법이다. 또한 강지보+숏크리트 현장타설로 공사 차량 운행 최소화로 공사중 발생 가능한 민원의 최소화가 가능한 공법이라 할 수 있다.30 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 동해북부선 강릉~제진 단선전철 건설공사 저토피 터널통과 설계사례 <그림 4> 고강성 아치 지보시스템(강지보+숏크리트) 및 기초부 강성결합구조 <표 1> 급속 카린시안 공법 비교·검토 구분완전개착터널 공법기존 카린시안 공법급속 카린시안 공법 개요도 공법개요 ∙ 구조물(터널) 기초부까지 지반을 굴착(필요시 가시설 설치)하고 개착터널을 시공한 후 되메움하여 지하구조물을 형성하는 공법 ∙ 터널 상반까지 지반을 굴착 (필요시 가시설 설치)하고 콘크리트 아치 구조물을 시공 및 되메움 후, 터널 내부에서 상· 하반을 굴착 및 지보재를 설치하는 반개착 터널공법 ∙ 터널 상반까지 지반을 굴착 (필요시 가시설 설치)하고 고강성 아치 지보시스템(강지보+숏크리트)을 시공후, 터널 내부에서 하반만을 굴착 및 지보 재를 설치하는 급속 반개착 터널공법Vol. 25, No. 2 31 <표 1> 급속 카린시안 공법 비교·검토(계속) 구분완전개착터널 공법기존 카린시안 공법급속 카린시안 공법 안정성 ∙ 비탈면 절취고 증대로 안정성 저하, 장기공사로 인한 영구비탈면 경사 적용 ∙ 깊은 가시설 설치심도로 안정성 저하 ∙ 전토압을 고려한 구조물 설계 필요 ∙ 비탈면 절취고 축소로 안정성 증대, 장기공사로 인한 영구비탈면 경사 적용 ∙ 가시설 설치심도 축소로 안정성 증대 ∙ 콘크리트 아치 구조물과 터널 라이닝 설치로 안정성 확보 ∙ 비탈면 절취고 축소로 안정성 증대, 임시비탈면 경사 적용 ∙ 가시설 설치심도 축소로 안정성 증대 ∙ 고강성 아치 지보시스템과 터널라이닝 설치로 안정성 확보 환경성 ∙ 지반 절취면적 및 가시설 설치면적 증대로 환경성 저하 ∙ 과도한 토공 및 공사부지 필요, 공사기간 증대로 공사중 민원 증대 ∙ 지반 절취면적 및 가시설 설치면적 축소로 환경성 개선 ∙ 과도한 공사부지 필요, 공사기간 증대로 공사중 민원 증대 ∙ 지반 절취면적 및 가시설 설치면적 최소화로 환경성 우수 ∙ 공사부지 축소 및 공사기간 단축으로 공사중 민원 최소화 시공성 ∙ 과도한 토공 및 큰 규모의 개착터널 시공으로 시공성 저하 ∙ 긴 연장의 개착터널 시공시, 분할시공에 의한 시공성 저하 및 품질확보 필요 ∙ 복잡한 공정의 아치 지반 및 콘크리트 구조물 시공으로 시공성 저하 ∙ 콘크리트 아치 구조물의 고난이도 시공으로 품질확보 필요 ∙ 단순한 공정의 고강성 아치 지보시스템 시공으로 시공성 우수 ∙ 균일한 고강성 아치 지보시스템의 시공으로 품질 우수 공사기간 ∙ 과도한 토공 및 큰 규모의 개착터널 시공으로 공기 증대 ∙ 복잡한 공정의 콘크리트 아치 구조물 시공으로 공기 증대 ∙ 단순하고 신속한 고강성 아치 지보시스템 시공으로 공기단축 경제성 ∙ 과도한 토공 및 큰 규모의 개착터널 시공으로 공사비 증대 ∙ 복잡한 공정의 콘크리트 아치 구조물 시공으로 공사비 증대 ∙ 단순하고 신속한 고강성 아치 지보시스템 시공으로 공사비 감소 (a) 1단계: 터널 상반 굴착(b) 2단계: 강지보 설치 (c) 3단계: 숏크리트 타설(확대 연속기초)(d) 4단계: 터널 상반 되메우기 (e) 5단계: 터널 하반 굴착 및 지보설치(f) 6단계: 콘크리트 라이닝 타설(터널완공) <그림 5> 급속 카린시안 공법(RCM) 시공순서도32 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 동해북부선 강릉~제진 단선전철 건설공사 저토피 터널통과 설계사례 3.2 급속 카린시안 공법(RCM) 시공사례 3.2.1 중간 반개착 터널(카린시안) →RCM터널 변경 적용사례 철도터널인 도담~영천 복선전철 00공구 00터널 저토피 구간은 당초 실시설계에서 카린시안 공법 적용으로 계획하였 으나, 과도한 공사기간 소요 및 농경지 통과(L=100.0m) 민원이 발생됨에 따라, RCM공법으로 변경하여 시공성 향상에 의한 공사기간 단축으로 공사중 민원을 해결한 상태에서 저토피구간 터널을 시공하였다. (a) 1단계: 저토피구간 반개착(b) 2단계: 기초부 굴착 및 보강 (강관+기초 타설) (c) 3단계: 강지보재 설치 (d) 4단계: 콘크리트 기초 및 숏크리트 타설(e) 5단계: 반개착 구조물 시공완료(f) 6단계: 되메움 및 터널하반 굴착 및 지보재설치 <그림 6> 도담~영천 복선전철 00공구 00터널 급속 카린시안 공법(RCM) 시공사례 3.2.2 완전 개착 터널→RCM터널 변경 적용사례 또다른 철도터널인 도담~영천 복선전철 00공구 00터널 저토피 구간은 당초 실시설계에서 전구간 개착터널 공법으로 계획하였으나, 6.0개월 지연된 공사기간 만회, 개착구간 공사중 민원 및 가시설 공사비 절감효과 등을 고려하여 RCM공 법을 적용하였다.Vol. 25, No. 2 33 (a) 1단계: 저토피구간 반개착(b) 2단계: 강지보재 설치(c) 3단계: 반개착 구조물 시공완료 (d) 4단계: 되메우기(e) 5단계: 터널하반 굴착 및 지보재 설치(f) 6단계: 콘크리트 라이닝 타설 <그림 7> 도담~영천 복선전철 00공구 00터널 급속 카린시안 공법(RCM) 시공사례 4. 강릉~제진 4공구 상광정터널 RCM 적용현황 4.1 저토피구간 기본 설계현황 강릉~제진 제4공구 상광정터널은 단선철도 터널로 선형 및 지형조건에 의하여 일부 저토피를 통과하는 구간이 발생 함에 따라 기본설계시 4개의 중간개착터널을 계획하였다. 실시설계시 완전개착터널로 계획한 중간개착 #3,4에 대하여 현황분석 결과, 다음과 같은 문제점이 존재하는 것으로 파악되었다. 중간개착#3 구간의 경우 지반조건은 터널 전체가 토사 및 풍화암에 해당하고, 골프장 소유부지 통과 시 약 0.85m의 저토피 구간 발생으로 NATM터널 통과가 불가하여 완전개착터널로 계획하였으나, 단계별 시공계획에 따라 골프장 소유 부지 내 작업장이 위치하여 장기간 부지를 점유하게 되어 공사중 민원 발생에 의한 공기지연 RISK를 해소하기 위한 방 안이 필요하였다.34 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 동해북부선 강릉~제진 단선전철 건설공사 저토피 터널통과 설계사례 <그림 8> 중간개착#3 구간 기본 설계현황(가시설+개착터널) 중간개착#4 구간의 경우 약 5.86m(0.7D)의 저토피 구간 통과구간으로 지반조건은 터널 전체가 토사 및 풍화암에 해 당하여 완전 개착터널로 계획하였으나, 시공을 위한 과도한 토공, 콘크리트 라이닝 타설시까지 장기 부지점유 및 공사용 진출입로 민원예상 등으로 장기부지점유 및 민원을 해소하기 위한 방안이 필요하였다. (a) 평면현황(b) 종단현황 <그림 9> 중간개착#4 구간 기본 설계현황(개착터널) 4.2 중간개착#3 구간 급속 카린시안 공법(RCM) 적용계획 중간개착#3 구간 중 시점측 L=52.0m 구간을 급속 카린시안 공법(RCM)으로 변경하여 기존 병행 2단계 시공공정을 직렬 2단계 시공공정으로 단순화하여 시공효율을 증대시켰다. 특히, RCM공법 적용구간의 가시설 규모가 축소되어 시공 성 향상 및 공사기간 감소효과를 얻을 수 있었다. 또한, RCM공법의 시공으로 골프장 부지저촉 작업장을 종점측으로 이 동시켜 공사중 민원해소 계획을 수립하였다.Vol. 25, No. 2 35 시공순서 ① 터파기, 가시설 및 RCM 시공 ② 되메우기 및 갱구부 보강 ③ 기존도로 이설 ④ 개착터널 구간 터파기 ⑤ 개착구조물 시공 및 되메우기 ⑥ 기존도로 복원 <그림 10> 중간개착#3 구간 실시설계 현황(가시설+급속 카린시안(RCM)) <표 2> 급속 카린시안 공법 비교·검토(중간개착#3 구간) 구분완전개착터널 공법급속 카린시안 공법 개념도 특징 ∙ 골프장 부지 저촉구간 장기간 점유로 민원 발생에 따른 공기지연 예상 ∙ 가시설 설치면적 및 토공량 과다 ∙ 공정 복잡 ∙ 공사기간 단축으로 공사중 민원 최소화 ∙ 가시설 설치면적 및 토공량 최소화 ∙ 단순한 공정의 고강성 아치 지보시스템 시공으로 시공성 우수36 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 동해북부선 강릉~제진 단선전철 건설공사 저토피 터널통과 설계사례 4.3 중간개착#4 구간 급속 카린시안 공법(RCM) 적용계획 중간개착#4 L=30.0m 구간에 대해 급속 카린시안 공법(RCM)을 적용하여 지반 절취면적을 축소시켜 환경훼손을 최소 화하였으며, 신속한 고강성의 강지보+숏크리트 아치 지보시스템을 설치하고 되메움하여 원지반을 복원시킴으로써 공사 용 진입로 및 작업부지 운용기간을 단축하여 시공성 향상 및 공사중 민원을 최소화하였다. 특히, 중간개착#4 구간 원지 반 복원 후, 잔여시공을 본선터널 시공공정에 병합시킴으로써 시공공정 단순화에 의한 공사기간 단축효과를 기대할 수 있게 하였다. <그림 11> 중간개착#4 구간 실시설계 현황(토공+급속 카린시안(RCM)) <표 3> 급속 카린시안 공법 비교·검토(중간개착#4 구간) 구분완전개착터널 공법급속 카린시안 공법 개념도 특징 ∙ 지반 절취면적 및 토공량 과다 ∙ 지반 절취 후 콘크리트 라이닝 타설시까지 장기간 부지점유로 공사중 민원 발생예상 ∙ 지반 절취면적 최소화로 환경성 우수 ∙ 공사기간 단축으로 공사중 민원 최소화 ∙ 단순한 공정의 고강성 아치 지보시스템 시공으로 시공성 우수Vol. 25, No. 2 37 <표 4> 상광정터널 급속 카린시안 공법(RCM) 표준지보패턴 PSU-R 지보패턴 굴착공법상반: 개착, 하반: NATM터널 굴진장- / 하반 1.0m 숏크리트 (고강도) 반개착구간: 250mm NATM구간: 200mm 록볼트L=4.0m(종1.0m, 횡1.0m) 강지보H-150×150×7×10(종1.0m) 라이닝400mm(철근) / 인버트 비고 측벽 강관파일 (ϕ60.5 mm, L=4.0m, C.T.C 2.0m(종)) 4.4 급속 카린시안 공법(RCM) 안정성 검토 4.4.1 중간개착#3 구간 안정성 검토 중간개착#3 구간의 PSU-R 지보패턴에 대해 2차원 연속체 수치해석을 통하여 안정성을 검토하였으며, 해석단면 및 해석모델은 그림 12와 같다. (a) 해석단면(b) 해석모델링 <그림 12> 중간개착#3 해석단면 및 해석모델링 수치해석결과, 그림 13과 같이 최대 천단침하는 Ko=0.5일 때 7.95mm 발생하였으며, 내공변위는 Ko=2.0일 때 2.40 mm 발생하였다. 숏크리트 최대 압축응력은 Ko=0.5일 때 2.77MPa, 록볼트 최대 축력은 Ko=2.0일 때 42.41kN 발생하 였고, 강지보의 최대 휨압축응력은 Ko=0.5일 때 100.06MPa, 최대 휨인장응력은 68.17MPa, 최대 전단응력은 Ko=2.0 일 때 6.74MPa으로 발생하여 모든 지보재들이 허용치 이내로써 터널의 안정성이 확보되는 것으로 검토되었다.Next >