< Previous18 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 하· 해저터널 최소 토피고 선정과 토피 부족구간 안정성 확보대책 1.1 토피에 관한 설계기준 NATM터널은 토피에 관한 명확한 규정은 없으나 구조적 안전 확보와 수심의 영향을 고려하도록 제시되어 있으며 Shield TBM은 1.5D 이상을 권장하고 있으며, 해외(일본)의 설계기준에서는 Shield TBM에 대해 1.0D 이상을 제시하고 있으며 1.0~1.5D 이하인 경우에는 안정성 검토결과에 따라 대책을 수립하도록 기술되어 있다. <표 1> 토피에 관한 설계기준 구분토피고 국내 설계 기준 국가건설기준(KDS 27 10 10) (국토교통부, 2023) ∙ 터널을 하저 또는 해저에 시공할 경우 수심영향 고려 ∙ 터널의 최소 토피는 터널의 구조적 안전영역의 범위 확보 ∙ 장래 예상되는 토지이용 한계심도를 반영 국가건설기준(KDS 27 25 00) (국토교통부, 2023) ∙ 토피고는 가급적 굴착외경의 1.5배 이상이 되도록 계획 ∙ 1.5배 미만인 경우 안정성 검토결과에 따라 필요대책 수립 터널설계기준 (국토교통부, 2016) ∙ TBM 터널의 토피는 굴착외경의 1.5배 이상(p.101) ∙ 1.5배 미만인 경우는 상응하는 터널의 안정성 확보(p.101) 철도설계기준(노반편) (한국철도시설공단, 2013) ∙ TBM 터널의 최소 토피는 굴착외경의 1.5배 이상(p.12-76) 도로설계요령 (한국도로공사, 2009) ∙ 터널의 토피는 굴착외경의 1.5배 이상(p.283) ∙ 1.5배 미만인 경우는 상응하는 터널의 안정성 확보(p.283) Standard Specifications For Tunneling (2006, 일본토목학회) ∙ 최소토피고 1.0~1.5D로 고려하나, 0.5D이하 사례가 다수존재 ∙ 저토피 굴착시 지반붕괴, 슬러리누출, Blow-out에 대한 조치필요, 슬러리 누출 및 터널 부력검토는 해· 하저 통과 설계시 중요(p.29) 2. 하·해저 NATM 터널의 최소 암피복(Rock Cover) 선정 하· 해저터널의 종단선형을 결정하는 요소로는 철도, 도로 등의 시설물 종단조건에 대한 설계기준 뿐 아니라 지질 및 지형조건 또한 매우 중요한 요소이다. 특히 터널 천장부에서 기반암 상단까지의 거리를 표현하는 최소 암피복(Minimum <그림 1> 터널의 종단기울기와 최소 암피복에 따른 터널 종단선형계획Vol. 25, No. 3 19 Rock Cover)은 하· 해저터널의 굴착안정성을 좌우하는 결정적인 요소이므로 선형계획 시 반드시 고려해야 한다. 국내 설계기준에 의하면 도로터널의 종단기울기는 도로의 종류에 따라 차이가 있으나 일박적으로 4~6% 이내이며 철도의 경 우에도 최급기울기를 25~35‰ 이상으로 적용할 수 없기 때문에 제한된 종단기울기에서 수심과 상부 퇴적층의 두께를 고려해 필요한 최소 암피복(Minimum rock cover)을 산정하여 선형계획을 수립한다. 2.1 노르웨이 해저터널 사례 도표를 통한 최소 암피복 산정 전 세계에서 Drill & Blast 방식으로 굴착한 해저터널이 가장 많은 노르웨이에서는 기존 해저터널 사례를 기반으로 기 반암까지의 깊이(hw+hs)와 암피복(hr)사이의 관계를 그래프로 표현하여 최소 암피복(Minimum rock cover)를 확보했 는지 설계시 참고할 수 있도록 제시하였다. <그림 2> 해저터널의 지형과 최소 암피복의 관계 기반암까지 깊이(Depth to bedrock)는 해저 바닥면까지의 수심(hw)과 기반암상부 퇴적층 두께(hs)를 합한 것으로 그 림 2는 노르웨이 해저터널의 기반암까지의 깊이와 암피복(Rock Cover)의 관계를 그래프로 표기한 것이며 해당 지점의 암반 탄성파속도를 색으로 표현하여 지반조건을 추정하도록 작성되었다. 각 점들은 해당 터널내 가장 위험한 대표지점 들을 표기하였으며 대부분 해저의 지반불량구간과 일치한다. 그림 2에서 제시한 최소 암피복 한계선 이상의 암피복을 확보했다고 해서 해저터널의 굴착안정성을 보장하는 것은 아니지만 대부분의 경우 충분한 안전율을 확보하는 것으로 간 주될 수 있다.20 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 하· 해저터널 최소 토피고 선정과 토피 부족구간 안정성 확보대책 2.2 노르웨이 사례를 통한 경험적 방법(Palmström 1994&2002) 노르웨이의 해저터널 최소 암피복 사례를 조사하여 지반조건에 따라 구분하여 다음의 그림 3과 같은 도표로 작성하였 으며 도표에 의한 최소 암피복 산정결과를 우측의 표 2에 제시하였다. 계산결과에 의하면 수심 10m 조건에서 양호지반 은 22m, 불량지반에서는 35m의 최소 암피복이 필요한 것으로 산정되었다. 이 결과는 노르웨이 피오르드를 횡단하는 해 저터널 경험을 통해 산정된 결과이므로 절대적인 수치는 아니나 노선의 종단선형 계획시 최소 암피복으로 고려할 필요 가 있다. <그림 3> Norwaygian practice regarding minimum rock cover <표 2> 최소 암피복 계산 결과 수심(m)Good rockPoor rock 10m22m35m 20m25m38m 30m27m41m 40m28m43m 50m30m45m 60m31m46m 70m32m48m 80m33m50m 90m34m51m 100m35m52m 2.3 연약퇴적층이 분포하는 해저구간에서의 이론식(Dimitrios, 2005)을 이용한 최소 암피복 선정 해저터널 상부 기반암의 점착력과 내부마찰각으로 표현되는 강도특성과 수심에 따른 작용수압을 고려한 터널 굴착시 지보압에 기반한 최소 암피복 산정 이론식을 제안하였다. ∙ ≦ sin sin ′ sin cos sin sin ∙ ≧ sin cos 여기서, : 암반의 내부마찰각, : 해저터널 반경, : 물의 단위중량, : 점착력, : 단위중량, : 수압, : 암피복<그림 4> 최소 암피복 검토조건Vol. 25, No. 3 21 검토위치는 유체와 같이 거동하는 초연약해성점토층이 두껍게 분포하여 수압과 같이 하중으로 작용한다. 해저터널 굴 착 시 기반암 상부에 작용하는 수압+해성점토층 하중을 터널 상부 암반이 지지하는 조건으로 최소 암피복을 산정하였 다. 이때 터널 굴착으로 인해 발생하는 소성영역은 하중을 지지하는 지보력을 상실하는 것으로 간주하여 암피복 두께에 서 제외하는 것으로 검토하여 상부하중을 지지하는 탄성 암피복으로 표현하였다. ∙ 필요 암피복(A) = 탄성 암피복(B) + 소성대 높이(C) ∙ 탄성 암피복(B) : 기반암 상부의 수압 + 초연약 해성점토층 하중 지지에 필요한 암피복(이론식 산정) ∙ 소성대 높이(C) : 터널 굴착 시 터널 상부지반에 발생하는 지지력 상실 높이(수치해석 산정) <그림 5> 최소 암피복 산정 개념 해저터널 최소 암피복 검토구간은 남해지역에 위치하고 있으며 표 3의 검토단면에서 보이는 바와 같이 수심 20m이며 기반암 상부에는 약 30m의 초연약해성점토층이 분포하고 있다. 해성점토층은 N치 0으로 하중의 지지역할을 기대할 수 없으므로 물과 같이 취급하여 단위중량을 고려한 하중으로 재하하였다. 해당구간은 암반등급 3~5등급 지반이며 일부 단층과 교차할 것으로 추정된다. 검토시에는 해저터널 굴착에 가장 불리한 5등급 암반으로 검토를 수행하였다. 파괴조 건식은 Mohr-Coulomb 모델을 적용하고 응력-침투 연계해석을 통한 비교 검토를 수행하였다. 암피복 두께의 변화에 따른 소성대 발생높이를 산정하고 이론식에 의해 산정된 필요 탄성 암피복 11.0m를 합산하여 안전한 해저터널 굴착에 필요한 최소 암피복을 산정하였다. <표 3> 최소 암피복 계산 결과 검토 단면암피복 5m암피복 10m22 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 하· 해저터널 최소 토피고 선정과 토피 부족구간 안정성 확보대책 <표 3> 최소 암피복 계산 결과(계속) 암피복 13m암피복 15m암피복 20m 검토구간의 수심 및 해저퇴적층 조건에서 이론식(Dimitrios, 2005)으로 검토한 결과 굴착안정성 확보에 필요한 암피 복은 11.0m로 산정되었으며 이것을 탄성암피복이라 명명하였다. 수치해석 검토결과 해저구간의 암피복이 증가할수록 소성대 발생높이는 감소하며 터널의 안전한 굴착을 위해 필요한 최소 암피복은 소성대 발생 높이(2.0m)를 포함하여 총 13.0m 이상인 경우 해저터널 굴착 안정성을 확보할 수 있는 것으로 검토되었다. 그러나 지반조사의 한계성을 감안한 해저터널 지반조건의 불확실성과 해저터널 붕괴시 복구불능의 피해발생과 인명 피해 위험성을 고려한다면 해저터널의 암피복 선정시 충분한 안전율을 확보할 필요가 있다. <그림 6> 기반암 깊이와 최소 암피복의 관계 3. 쉴드TBM공법 적용시의 최소 토피 선정 쉴드TBM공법은 막장에 작용하는 토압 및 수압을 챔버내의 토사(이토압식) 또는 이수의 압력(이수가압식)으로 지지하 며 굴착하는 공법으로 NATM 공법에 비해 안정성 확보에 유리하여 도심지, 하천통과구간 등 토피가 부족하고 지질이 불Vol. 25, No. 3 23 량한 구간에서는 더욱 효과적인 공법이다. 그러나 쉴드TBM 공법도 토피 부족구간에서는 굴착 안전성이나 지반침하 측 면에서 자유로운 공법은 아니다. 터널설계기준에서는 터널의 토피고를 굴착외경의 1.5배 이상을 확보하도록 권고하고 있으며 1.5배 미만인 경우에는 안정성 검토결과에 따라 대책을 수립하도록 기술하고 있다. 특히 하·해저 및 저토피 통 과시 이수의 분출과 운영중 부력에 의한 안정성을 확인하여야 한다. 3.1 하· 해저터널 및 저토피구간에서의 이수 분출(Blow-out) 검토 이수가압식 쉴드TBM은 막장에 작용하는 압력을 챔버내 이수의 압력으로 지지하며 굴착하여 지반침하 및 막장붕괴를 방지한다. 이때 이수의 압력이 토압+수압 보다 작은 경우 막장 붕괴가 발생하며 막장압이 외부 압력보다 큰 경우 지반융 기나 그림 7과 같이 이수가 지표로 분출하는 현상(Blow-out)이 발생할 수 있다. ∙ 토압(쐐기파괴) + 수압 > 막장압 : 막장붕괴 ➡ 최소막장압 ( min ) ∙ 토압(전토압) + 수압 < 막장압 : Blow-Out발생 ➡ 최대막장압 ( max ) <그림 7> 쉴드TBM 이수분출(BLOW-OUT)개념도 이수가압식 쉴드TBM 굴진 시 DAUB(독일 지하건설 위원회) 및 ITA에서 막장압에 대한 최대치 및 최소치를 산정하는 방법에 대해 아래 그림 8과 같이 제시하였다. 이때 막장압이 토압+수압을 초과하는 경우 이수분출이 발생할 수 있으며 해저의 저토피구간에서는 큰 수압으로 인해 막장압이 클 수밖에 없으므로 이수 분출가능성이 증가할 수 있다. ∙ 터널 천단에서의 최소 허용 막장압 계산 : min min ∙ 터널 천단에서의 최대 허용 막장압 계산 : max max <그림 8> 쉴드TBM 터널 천단에서의 허용 막장압 산정24 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 하· 해저터널 최소 토피고 선정과 토피 부족구간 안정성 확보대책 3.2 운영중 부력 검토 지하수위 하부에 구조물을 축조할 경우 지하수위면 하부측 구조물에 연직방향 수압이 작용하며 구조체의 바닥에 작용 하는 상향력을 양압력(uplift pressure) 또는 부력이라고 한다. 일반적인 터널에서는 터널 상부지반의 단위중량과 전단 저항으로 부력이 발생하지 않으나 해저의 연약한 토사층을 굴진하는 쉴드TBM에서는 상부지반의 전단저항을 기대하기 어려우며 수심조건에 따라 큰 부력이 작용하므로 부력에 의해 구조물이 부상하는 현상이 발생할 우려가 높으므로 반드 시 부력에 대한 검토를 수행하여야 한다. <그림 9> 쉴드TBM에서의 부력의 작용개념 및 부력안전성 검토방법 부력에 대한 안전성은 다음 식으로 검토한다. 이때 안전율은 일반적으로 1.2 이상을 적용한다. 여기서, : 터널 상부 토사 하중과 구조물 자중 : 터널 상부 토사 하중과 구조물 자중 : 흙의 전단저항 혹은 측벽과 흙의 마찰저항 : 각 시공단계별 기초구조물의 저면에 작용하는 정수압에 의한 부력 (흙의 전단저항 또는 흙의 마찰저항)는 시공조건 등을 고려하여 적용 여부 결정 <그림 10> 하·해저터널 부력안전성 검토 개념도Vol. 25, No. 3 25 4. 암토피 부족구간 터널 굴착안정성 확보방안(지반보강) 아래의 그림 11은 노르웨이 Oslofjord tunnel의 지반보강 사례이다. 터널의 단층 교차지점은 해수면에서 -120m 하부 에 위치하고 있으며 기반암내에서 폭 15m 단층대를 따라 터널 천단부까지 느슨한 빙적 자갈과 모래로 구성된 빙적층이 분포한다. 터널 천단부에는 약 12bar의 고수압이 작용하고 투수성이 매우 큰 빙적층이 분포하여 일반적인 지반그라우팅 으로는 터널 굴착안정성을 확보할 수 없어 동결공법을 적용하였다. <그림 11> 노르웨이 Oslofjord tunnel 지반보강 사례 아래의 그림 12는 미국의 뉴욕과 뉴저지를 가로지르는 허드슨강을 횡단하는 철도프로젝트 설계 사례이다. 허드슨강 하 부 통과구간은 이수가압식 쉴드TBM으로 계획되어 있으며 맨하튼 근접구간의 최소 토피는 약 3.0m로 부력 및 이수분출 (a) 지반보강 평면계획 <그림 12> 허드슨강 프로젝트 저토피구간 보강계획26 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 하· 해저터널 최소 토피고 선정과 토피 부족구간 안정성 확보대책 위험성이 우려된다. 따라서, 토피 4.3m 이하 170m 구간에 대해 폭 37m로 그림 12와 같이 제트그라우팅에 의한 지반개 량을 계획하였다. 터널 통과구간의 지반은 점토 및 실트층으로 구성되어 있으며 터널 상반까지 약 7.5m 깊이로 고압분 사 지반보강을 계획하였다. 그림 13은 초연약해성점토층 하부 NATM 굴착계획 구간의 굴착 및 지반보강 설계사례이다. 터널구간의 수심은 23.4m이며 최소 토피고는 약 33m이나 기반암 상부에 20~30m 두께의 초연약해성점토층이 분포하여 NATM터널 굴착 시 지보역할을 하는 실질적인 최소 암피복은 약 13.6m이다. 고수압, 초연약해성점토층 분포, 해저구간 지반조사의 한계 등 해저터널의 리스크를 감안한 굴착 및 보강계획을 수립하였다. (b) 횡단면도(c) 지반보강 개요 <그림 12> 허드슨강 프로젝트 저토피구간 보강계획(계속) <그림 13> 남해지역 해저터널 지반보강 개요도Vol. 25, No. 3 27 굴착단계에서는 TSP, 선진수평시추 등 단계별 전방지질 확인조사 이외에도 소단면 파일롯터널을 선굴착하여 전방지 질을 확인하고 본선터널을 굴착하여 지질리스크를 최소화하도록 계획하였다. 파일롯터널을 통해 지반불량구간이 확인 되는 경우에는 그림 13과 같이 파일롯 터널에서 1차 선보강을 수행하고 본선터널 굴착 전 2차 지반보강을 실시한 후 확 대굴착하는 3단계 보강계획을 수립하였다. 이론식 및 수치해석 검토에서 요구하는 최소 암피복 두께를 확보하였으나 노르웨이 등 해외 해저터널 사례 고려 시 암 피복이 다소 부족하며, 해저터널 굴착 중 붕괴 시 복구불능의 대형 붕괴사고 및 인명피해 우려를 감안하여 안전성을 극 대화하는 굴착 및 지반보강계획을 수립하였다. 5. 결 언 하· 해저터널은 하천 또는 바다 하부에 터널을 건설하므로 상대적으로 큰 수압이 작용하며 지반조사의 한계로 인해 지질위험도 상대적으로 매우 높다. 하· 해저터널의 굴착 리스크를 최소화하기 위해서는 충분한 토피, 암피복을 확보하 는 것이 유효하나 교통터널의 경우 종단선형의 제약사항으로 충분한 토피 확보가 곤란한 경우가 많다. 따라서 굴착 리스 크를 고려한 최소 암피복 또는 토피를 산정하여 노선계획시 반영하고 토피부족구간이나 지질불량구간 등 위험구간에 대 해서는 충분한 안정성 검토를 수행하고 안정성을 확보할 수 있는 대책을 수립하여야 한다. NATM공법은 터널 내 보강이 비교적 용이하므로 위험구간에 대해 붕괴 및 해수유입을 방지하기 위한 차수그라우팅과 천단부 보강공법을 적용하여야 한다. 하· 해저구간은 지질조사로 지반조건을 정확히 확인하는 것이 불가능하기 때문에 시공중 조사와 돌발용수 발생시 대응을 위해 방수문 등의 긴급 대응대책이 필요하며, 해저터널 붕괴시 발생하는 복구의 어려움과 비용을 감안하여 육상터널에 비해 충분한 안전율을 확보하도록 보강을 적용할 필요가 있다. 쉴드TBM의 경우 수압과 토피조건에서 상대적으로 제약조건이 적으나 이수분출, 부력 등에 대한 충분한 검토가 필요 하다. 하· 해저터널에서 천층부에 쉴드TBM 터널을 계획하는 경우에는 연약한 해저퇴적층을 통과할 가능성이 있으므로 장비 침하, 이수분출 등의 우려가 높아지며, 병렬터널에서 터널간을 연결하는 횡갱이 필요한 경우에는 구조적 취약구간 으로 작용할 수 있으므로 지반조건을 고려하여 토피 및 선형계획을 수립하여야 하고 간혹 상부 퇴적층에 대한 지반보강 이 필요한 경우도 발생할 수 있다. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Next >