< Previous48 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 깊은 계곡부 인공성토 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공사례 ∙ 초대구경 강관보강 그라우팅 설치구간을 연속적으로 터널 굴착 및 보강이 가능하고 단순한 시공공정과 기존 터널 시 공장비의 운용으로 시공성 및 경제성이 향상되고 공사기간이 단축됨(표 1) ∙ 소규모 매입형 갱문 적용으로 공사기간 및 공사비가 절감되고 콘크리트 돌출면적이 매우 작아 자연 친화적인 갱구부 형성이 가능하고 차량 주행안전성이 개선됨(표 1) <표 1> 기존 터널 갱구부공법 대비 ETPM공법 차이점 구분기존 터널 갱구부 공법ETPM공법 터널 갱구 위치 터널 갱구부 비탈면 절취 배제 및 최소화 ⇒ 친환경 터널 갱구부 형성 보강 형식 고강성 초대구경 강관보강 그라우팅 적용 ⇒ 안정성 및 시공성 개선(공사시간 단축) 갱구 구조물 소규모 매입형 갱문 적용 ⇒ 시공성 개선(공사기간 단축) 및 공사비 절감Vol. 25, No. 3 49 ① 초대구경 강관보강그라우팅 시공② 터널 굴착 및 지보 ③ 콘크리트 라이닝 설치④ 매입형 갱문 설치 <그림 5> ETPM공법 시공순서 3. 남정8터널 시점 갱구부 ETPM공법 설계현황 ｢고속국도 제65호선 포항~영덕간 고속도로 제4공구｣의 남정8터널(L=165m, 영덕방향기준) 종점 갱구부는 시공전 현 황측량 및 지반조사 결과, 매우 급한 계곡부 편경사 지형과 터널 계획고 하부까지 풍화토, 풍화암 및 연암파쇄대(응회암) 의 불규칙한 분포에 의하여 터널 갱구부 형성을 위한 작업공간이 매우 협소하고 당초 실시설계 대비 대절취 갱구부 비탈 면(용지경계 침범) 형성 또는 과도한 비탈면 보강공법의 적용이 필요한 상황으로, 터널 갱구부 안정성 확보의 불확실성 이 큰 것으로 검토되었다. 구분터널연장평면선형종단경사통행방식환기방식갱문형식 포항방향143mR=3,000-1.1807%일방향 2차로자연환기아치면벽형 영덕방향165mR=3,200-1.1807%일방향 2차로자연환기아치면벽형 <그림 6> 포항~영덕간 고속도로 제4공구 남정8터널 현황50 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 깊은 계곡부 인공성토 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공사례 <그림 7> 남정8터널 종점 갱구부 현황 따라서, 남정8터널 종점 갱구부의 급경사 계곡지형, 불량한 지반조건 및 시공여건 등을 종합적으로 고려하여 표 2와 같은 터널 갱구부 세부항목 검토를 통하여 안정성 및 시공성이 향상되고 공사기간이 단축되는 친환경 터널 갱구부 공법 (ETPM) 적용계획을 수립하였다. <표 2> 남정8터널 종점 갱구부 계획 변경 세부 검토항목 및 개선방안 구분터널 갱구부 현황터널 갱구부 개선방안 갱구부 위치계획 ∙ 급한 계곡부 지형과 불량한 지반조건으로 실시설계 대비 갱구부 대절취 비탈면 형성 또는 대규모 비탈면 보강공법 필요 ∙ 계곡부 인공성토로 갱구위치 전방이동 NATM위치실시설계개선방안 포항방향43+796.043+832.1(▲36.1m) 영덕방향43+812.043+830.0(▲18.0m) 갱구부 보강계획 ∙ 깊은 심도 토사, 풍화암 및 연암 파쇄대 분포 ∙ 계곡부 편경사에 의한 지속적인 편토압 작용 ∙ 고강성 초대구경 강관보강 그라우팅 보강 ∙ 좌· 우측 동일 갱구위치 적용(편토압 상쇄) 갱문계획 ∙ 갱구부 협소한 작업공간 ∙ 운용중 터널 갱문 유지관리 편의성 ∙ 갱구부 지형, 전방 깍기부 및 교량 접속현황고려, 일체형 면벽형 갱문 적용 남정8터널 종점 갱구부 개선방안(표 2)을 고려하여 그림 8과 같이 상세설계를 수행하였다. 갱구부의 깊은 계곡부에 대한 인공성토를 함으로써 터널 갱구부 배면 비탈면 절취를 배제하여 원지반 강도특성이 유지되도록 하였고, 계곡 지형의 편토압에 대하여 인공성토 지반반력으로 지지할 수 있도록 하였으며, 고강성의 초대구경 강관보강 그라우팅(Ø165.2mm) 을 인공성토을 관통하여 원지반에 지지시키는 형태로 보강하여 안전하고 환경 친화적인 터널 갱구부가 형성되도록 계획 하였다. 특히, 인공성토의 경우 영구적인 안정성 확보를 위하여 터널 굴착면 외측 B=2.0m영역과 터널 필라부(P.W=0.7D) 는 빈배합 콘크리트로 계획하였고 그 외측은 양질의 토사 쌓기와 배수로를 조성하여 식생과 원활한 지표수가 배출되도 록 하였다. 또한, 포항 및 영덕방향에 이격되어 각각 계획된 아치형면벽 갱문을 일체형 면벽 갱문으로 단순화하여 시공성 및 유지 관리 편의성을 증대시켰으며, 우기시 갱구부로 집중될 수 있는 지표수에 대하여 갱구부 배수시설을 단순화하여 원활한 배수성능을 확보하였다.Vol. 25, No. 3 51 (a) 평면현황(b) 포항 및 영덕방향 종단현황 (c) 횡단현황(d) 일체형 갱문현황 <그림 8> 남정8터널 종점 갱구부 친환경 터널 갱구부 계획(ETPM공법) 남정8터널 종점 갱구부의 불량한 지반조건과 편토압 및 인공성토 하중 등에 대한 충분한 안정성 확보를 위하여 고강성 의 갱구부 지보패턴을 계획하였다. 터널 갱구부 영역(L=1.0D~2.0D) 중 풍화암~연암파쇄대구간은 대구경 선진보강 그라 <표 3> 남정8터널 종점 갱구부 지보패턴 현황 구분P-4-1P-4-1A (ETPM) 지보패턴52 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 깊은 계곡부 인공성토 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공사례 우팅(Ø114.3mm)이 보강되는 P-4-1패턴을 적용하였고 토사~인공성토구간은 초대구경 강관보강 그라우팅(Ø165.2mm, L포항=36.0m, L영덕=18.0m)이 보강되는 P-4-1A패턴을 적용하였다. 인공성토의 양질 토사부는 1회 층다짐고 20.0cm 이하로 뒤채움용 재료 품질기준(고속도로 공사 전문시방서 제8장, 2012)을 적용하였으며, 빈배합 콘크리트부(터널외측 2.0m 및 필라부)는 조기강도 발현을 통한 자립성능을 확보하기 위 하여 표 4와 같이 fck7=5.0MPa 이상의 배합비를 적용하였다. <표 4> 빈배합 콘크리트 배합비 구분물시멘트모래골재(25mm)골재(13mm) fck7=5.0MPa (fck28=18.0MPa)101kg/m3168kg/m3947kg/m3805kg/m3392kg/m3 남정8터널 종점부의 지형 및 지반조건과 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공계획을 고려한 3차원 연속체 수치해석 을 수행한 결과, 충분한 안정성이 확보되는 것으로 검토되었다. (a) 전체 모델링도(b) 터널 갱구부 모델링 상세도(c) 터널 보강 모델링도 <그림 9> 남정8터널 종점 친환경 터널 갱구부(ETPM) 수치해석 모델링도 <표 3> 남정8터널 종점 갱구부 지보패턴 현황(계속) 구분P-4-1P-4-1A (ETPM) 굴착, 굴진장 상‧하반단면, 1.0m/1.0m (상반/하반)상‧하반단면, 1.0m/1.0m (상반/하반) 숏크리트200mm (강섬유)200mm (강섬유) 록볼트L=4.0m, 1.0m/1.5m (종/횡)L=4.0m, 1.0m/1.5m (종/횡) 강지보공H-150×150×7×10, 1.0 (종)H-150×150×7×10, 1.0 (종) 라이닝400mm (철근보강)400mm (철근보강) 보조공법 대구경 선진보강 그라우팅(Ø114.3mm) θ=180°, L=12.0m, (횡)0.5m, (종)6.0m 초대구경 강관보강 그라우팅(Ø165.2mm) - 포항방향 : θ=180°, L=36.0m, (횡)0.5m - 영덕방향 : θ=180°, L=18.0m, (횡)0.5mVol. 25, No. 3 53 (a) 천단침하 (최대 1.37mm < 30.0mm, O.K) (b) 내공변위 (최대 2.79mm < 30.0mm, O.K) (c) 숏크리트 최대 휨압축응력 (최대 5.9MPa < 11.2MPa, O.K) <그림 10> 남정8터널 종점 갱구부 포항방향(P-4-1A) 안정성 검토결과 (a) 천단침하 (최대 6.02mm < 30.0mm, O.K) (b) 내공변위 (최대 1.75mm < 30.0mm, O.K) (c) 숏크리트 최대 휨압축응력 (최대 3.8MPa < 11.2MPa, O.K) <그림 11> 남정8터널 종점 갱구부 영덕방향(P-4-1A) 안정성 검토결과 4. 남정8터널 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공현황 2023년 05월 현재, 남정8터널 종점부의 급한 계곡부는 인공성토로 터널 갱구부를 형성한 후, 초대구경 강관보강 그 라우팅(Ø165.2mm, L포항=36.0m, L영덕=18.0m)을 보강하였고 본선터널을 굴착하여 관통이 완료된 상태이다. 터널 시점 <그림 12> 남정8터널 종점 ETPM 갱구부 전경(2023. 05현재, 터널굴착완료)54 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 깊은 계곡부 인공성토 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공사례 부에서 종점부로 콘크리트 라이닝이 단계적으로 타설되고 있으며, 종점 갱구부 좌· 우측 깎기비탈면과 인공성토 상부지 반에 대하여 식생작업이 진행되고 있다. 향후, 터널 갱구부 전방 토공부 정리 및 일체형 갱문설치가 완료되면 급한 계곡부에 환경 친화적인 터널 갱구부가 형 성될 것으로 판단된다. ① 터널 갱구부 좌우측 비탈면 절취② 터널 갱구부 작업부지 형성 인공성토 ③ 인공성토 형성④ 인공성토부 초대구경 강관보강 그라우팅 시공 ⑤ 갱구부 터널 굴착 및 공사용 갱문 설치⑥ 본선터널 굴착 및 갱구부 정리 <그림 13> 남정8터널 종점 ETPM 갱구부 시공순서Vol. 25, No. 3 55 5. 시공중 계측자료 분석을 통한 터널 갱구부(ETPM공법) 안정성 검토 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)이 적용된 남정8터널 종점 갱구부의 계측자료를 분석하여 터널 시공중 안정성을 검토 하였다. 포항방향 및 영덕방향 터널의 천단침하, 내공변위, 숏크리트 휨응력 및 강지보 응력을 측정한 결과, 계측관리 1 차 관리기준 이하조건에서 터널 갱구부의 안정성이 확보되는 것으로 파악되었다(표 5). 깊은 계곡부 지형에 의한 편토압 작용조건과 공학적인 강도특성이 매우 불량한 토사, 풍화암 및 연암파쇄대(응회암) 가 터널 계획고 하부까지 분포한 지반조건을 종합적으로 고려할 때, 터널 갱구부의 안정성 확보가 매우 어려운 상황이었 으나, 터널 갱구부 비탈면 절취를 최소화시켜 원지반 강도특성을 유지(지반이완 최소화)시키는 인공성토 계획과 고강성 의 초대구경 강관(Ø165.2mm)보강 및 충분한 그라우팅 양생시간을 확보함으로써, 남정8터널 종점 갱구부의 안정성을 확보할 수 있었다. <표 5> 남정8터널 종점 갱구부 최대 계측결과 구분천단침하(mm)내공변위(mm)숏크리트 휨응력(MPa)강지보 응력(MPa) 계측값 포항방향-16.018.02.721.0 영덕방향-12.020.02.918.0 허용값(1차)30.030.08.96140.0 (a) 포항방향 천단침하(mm)(b) 영덕방향 천단침하(mm) (b) 포항방향 내공변위(mm)(c) 영덕방향 내공변위(mm) <그림 14> 남정8터널 종점 갱구부 계측결과56 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 깊은 계곡부 인공성토 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공사례 (d) 포항방향 숏크리트 휨응력(MPa)(e) 영덕방향 숏크리트 휨응력(MPa) (f) 포항방향 강지보 응력(MPa)(g) 영덕방향 강지보 응력(MPa) <그림 14> 남정8터널 종점 갱구부 계측결과(계속) 6. 맺음말 ｢고속국도 제65호선 포항~영덕간 고속도로 제4공구｣ 소재의 남정8터널 종점 갱구부는 매우 급한 계곡 지형과 불량한 지반조건의 영향으로 터널 갱구부 작업공간이 매우 협소하고 당초 실시설계 대비 과도한 갱구부 비탈면 깎기 또는 대규 모 비탈면 보강공법 적용에 의한 과도한 환경훼손이 발생되고 갱구부 안정성 확보가 매우 어려운 상황인 것으로 파악되 었다. 따라서, 본 남정8터널 종점 갱구부는 지형 및 지반조건의 특수성을 고려하여 일반적인 터널 갱구부 깎기 비탈면을 형 성하는 방법에서 탈피하여 인공성토에 의한 갱구부 지반형성 + 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)을 적용하여 갱구부 안 정성을 확보하는 상태에서 환경 친화적인 터널 갱구부를 형성시킬 수 있었다. 향후, 남정8터널은 본선 콘크리트 라이닝 설치 후, 일체형 갱문을 시공하여 완공될 예정으로, 종점 갱구부는 원지반 지형이 유지되고 집중 강우에 대한 지표수의 원활한 배수성능을 확보한 자연 친화적인 터널 갱구부가 형성됨에 따라, 운용중 차량주행 안전성과 유지관리 편의성 및 유지관리비용 감소를 기대할 수 있을 것으로 판단된다. 터널 갱구부의 형성은 깎기 비탈면과 갱구부 터널로 구분할 수 있는데, 기존 일반적인 터널 갱구부 절취방법은 깎기 비탈면 보다 갱구부 터널의 안정성 확보가 중요하다고 판단됨에 따라, 대규모 갱구부 비탈면 깎기 또는 과도한 비탈면 보강공법(Soil Nailing, Earth Anchor 및 절토옹벽 등)의 적용 되어 갱구부 비탈면의 붕괴사고 및 환경훼손이 크게 발 생되는 사례가 다수 발생되었다. 근래, 고강성의 터널 지보재 또는 보강공법이 개발됨에 따라, 갱구부 터널의 고강성의 Vol. 25, No. 3 57 지보 시스템 적용을 통한 비탈면 깎기면적이 최소화되는 친환경 터널 갱구부 형성이 공사중 안정성 및 운용중 유지관리 편의성 증대와 유지관리비용 감소 측면에서 보다 바람직한 대안으로 판단된다. 참고문헌 1. 문경선, 서윤식, 강시온, 김상환, 2018, 터널 갱구부 보강방법에 따른 터널 변형 및 지보재 응력특성에 관한 연구, 한국터널지하공간학회 논문집, Vol.20, Issue3 pp.625-639 2. 신영완, 문경선, 2020, 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 적용사례, 대한토목학회 학회지, 제68권, 제6호, pp.48-53 3. 문경선, 신영완, 박영만, 2018, 미니 파이프루프를 이용한 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)을 적용한 시공사례, 한국지반공학회 학회지, Vol.34, No1 pp.57-71 4. 문경선, 신영완, 최성훈, 김재영, 2021, 친환경 터널 갱구부 공법의 거동특성에 관한 연구, 한국지반환경공학회, pp.30-35 5. 신치현, 이성렬, 이용수, 청철식, 박재형, 문경선, 2023, 고속도로 급경사터널 갱부구 친환경 공법(ETPM) 시공사례, 한국터널지하공간 학회, pp.5-15 [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Next >