< Previous48 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 쉴드 TBM 터널에서 피난연결통로(Cross-Passage) 설계 및 공법선정에 대한 고찰 A B (a) 해석단면 위치 개구부 없을 때 개구부 있을 때 (circumferential joint 미고려) 개구부 있을 때 (circumferential joint 고려) 개구부 없을 때 개구부 있을 때 (circumferential joint 미고려) 개구부 있을 때 (circumferential joint 고려) AB (b) 단면위치별 축응력 비교 A B 개구부 없을 때 개구부 있을 때 (circumferential joint 미고려) 개구부 있을 때 (circumferential joint 고려) 개구부 없을 때 개구부 있을 때 (circumferential joint 미고려) 개구부 있을 때 (circumferential joint 고려) (c) 단면위치별 모멘트 비교 <그림 2> 세그먼트 라이닝 개구부 주변의 응력-모멘트 비교 2.2 세그먼트 라이닝 개구부 전단면 링보강 세그먼트 개구부 전단면 링보강 방법은 절개가 되는 링과 영향을 받는 링들의 내부에 원형의 강재빔을 설치하여 전단 면을 지지하는 방법이다. 이 방법은 응력과 모멘트의 변화가 생기는 세그먼트 링에 360° 보강을 하므로 보강효과가 확실 하고 변위와 하중을 제어하기가 쉬우며 시공리스크가 적은 공법으로서 현재 우리나라에서 가장 많이 적용하고 있는 보 강공법이다. 개구부에 의한 응력변화가 발생하는 여러 개의 링에 걸쳐 전단면을 보강하고 피난연결통로의 작업구를 준 비한 일반적인 보강 컨셉은 그림 3과 같다. 아래 그림과 같이 개구부의 크기와 주변 지반의 상태에 따라 내부에 수직 또 는 수평의 보강재가 추가로 설치되기도 한다.Vol. 26, No. 1 49 <그림 3> 전단면 세그먼트 링보강 컨셉(Lee and Choi, 2017) 전단면 링보강의 단점으로는 보강재와 TBM 굴진 중에 통행하는 버력처리 장비나 세그먼트 운송차량을 위해 설치된 레일과 간섭이 발생할 수 있다. 또한 환기를 위한 풍관과 간섭이 발생할 수 있으며 슬러리 TBM의 경우 슬러리 운송 파이 프와 간섭이 발생하기도 한다. 따라서 전단면 세그먼트 링보강은 TBM 굴진과 동시시공을 하기 매우 어려워 공정상 공기 지연이 발생할 수 있는 상황을 고려해야 한다. 그림 4는 전단면 세그먼트 링보강의 시공 중과 시공 후의 전경이다. <그림 4> 전단면 보강 시공중 및 시공완료 전경(photographs courtesy of DN-hybrid) 2.3 세그먼트 라이닝 개구부 부분보강 전술한 그림 2와 같이 세그먼트를 절개하여 개구부를 시공할 때의 응력변화는 개구부 주변 45°~120° 사이의 세그먼 트에서 크게 발생한다. 따라서 개구부가 형성되는 방향으로만 적절한 보강이 이루어진다면 TBM 굴착작업과 간섭을 줄 이고 세그먼트 라이닝보강을 위한 강지보재 수량도 절감할 수 있다. 일반적으로 사용되는 개구부측 부분보강 방법은 먼 저 개구부 위치의 상단과 하단에 하중의 지지와 전달을 위한 수평지지재(lintel beam)를 세그먼트에 설치하고 수직부재 를 이용하여 수평지지재를 지지하는 개념이다. 일반적인 부분보강의 개념도는 그림 5와 같다. 부분보강재는 개구부의 50 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 쉴드 TBM 터널에서 피난연결통로(Cross-Passage) 설계 및 공법선정에 대한 고찰 세그먼트링이 지지하던 후프응력을 직접 지지하면서 인접한 세그먼트로 응력을 전달하기도 한다. 부분 절개하고 남은 세그먼트링에 휨에 대한 지지가 필요할 경우에는 곡선의 강재로 반달형의 모양으로 지지시킬 수도 있다. <그림 5> 일반적인 부분보강의 개념도(Lamand and Sahnoun 2020) 지지되는 세그먼트링의 개수와 지보재의 설계는 개구부의 크기나 지반조건에 따른 하중의 크기와 세그먼트 설계 등을 고려하여 수행한다. 일반적으로 절개되는 세그먼트링과 인접한 링까지 지지되는 경우가 많으나 때로는 절개되는 세그먼 트만 지지되기도 하는데 이는 암반층과 같이 지반 안정성이 양호하거나 bicone과 같은 링간의 전단지지부재를 같이 사 용하여 지보재를 최소화한 경우이다. 그림 6에서는 부분보강에 의해 개구부와 인접 링을 같이 지지했을 때와 개구부가 있는 링만 지지했을 때의 지지부재 설계사례이다. 개구부 개구부 (a) 개구부 인접링을 지지한 경우(b) 절개된 링만 지지한 경우 <그림 6> 강지보에 의한 부분보강 사례Vol. 26, No. 1 51 아래 그림 7과 8은 홍콩의 ○○현장에서 시공했던 내경 6.5m의 터널 내부에 부분보강 지보재가 설치된 현황이다. 부 분보강의 단점은 시공이 까다롭다는 것이다. 특히 TBM 굴진중에 버력처리용 광차나 세그먼트 운반차량의 운행을 허용 하면서 시공한다면 그 어려움은 배가될 수 있다. 그림 7과 같이 상부와 하부를 지지하는 빔(lintel beam)은 앵커볼트에 의해 세그먼트에 고정하여 축력을 전단 지지하는 형식이므로 총 92개(M27 56개, M36 36개)의 Hilti 볼트를 세그먼트에 설치하였다. 뿐만 아니라 협소한 공간에서 양중장비의 사용에는 많은 제약이 있으므로 그림 8과 같이 세그먼트 라이닝 상단에 설치된 여러 개의 호이스트를 이용하여 상부 빔들을 설치하였다. 이처럼 전단면 보강 방법에 비하여 부분보강 방 법은 세심한 시공계획 수립이 필요하고 세그먼트 설계에 양중계획을 반영해야 하며 시공에도 상대적으로 시간이 많이 소요되는 단점이 있다. <그림 7> 강지보에 의한 부분보강 시공 사례 <그림 8> 부분보강 빔 설치과정52 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 쉴드 TBM 터널에서 피난연결통로(Cross-Passage) 설계 및 공법선정에 대한 고찰 강지보재 설계를 위해서는 먼저 개구부의 크기와 위치 선정이 중요하다. 통상적으로 개구부 중심이 링간 접속부에 위 치하도록 하여 절개되고 남은 세그먼트가 대칭이 되도록 하고 잔여부분을 최대한 지지구조물로 이용하여 설계한다. 그 림 8은 폭 1,500mm의 2개 링 사이에 폭 2,100mm의 개구부를 설치한 사례이다. 450mm 1500mm <그림 9> 2개의 세그먼트 링 사이에 위치한 개구부 사례 부분보강에 의한 개구부 안정성은 3차원 구조해석에 의해 검토한다. 그림 10은 홍콩 ○○현장에서 3차원 구조해석에 의해 세그먼트 라이닝과 보강재의 축력검토를 수행한 사례이다. 3차원 해석에서 얻어진 세그먼트의 위치별 축력과 모멘 트, 전단력에 대한 검토에 의해 세그먼트의 철근량이 결정되며 보강재의 설계도 진행한다. 앞서 설명하였듯이 세그먼트 Max Resultant Force (KN/m) <그림 10> 3차원 구조해석에 의한 부분보강 안정성 검토 Vol. 26, No. 1 53 에는 후프응력과 모멘트가 같이 작용하므로 축력과 모멘트의 상관도(P-M Curve)분석을 통하여 세그먼트의 철근배근의 적정성 검토를 수행한다. 그림 11은 150mm 간격의 20mm 주철근이 사용된 세그먼트의 단면 부재력 검토결과이다. <그림 11> 세그먼트의 단면 부재력 검토 2.4 세그먼트 라이닝 개구부 전단지지부재(bicone) 적용 세그먼트 링간(circumferential joint) 연결부재로 bicone(또는 고강도 Dowel)을 사용하여 절개된 세그먼트링에 작 용하는 외력을 인접링으로 효과적으로 전달하여 강지보의 크기를 줄일 수 있다. 이는 터널 안정성을 높일 뿐만 아니라 프로젝트 전체 공기에도 영향을 미치므로 피난연결통로에 bicone 사용은 점점 확대되고 있는 추세이다. 그림 12에는 bicone 사용 예시도와 bicone에 의해 슬림해 진 지지부재 적용 사례이다. 강철 재질의 bicone은 350kN 정도의 전단저 항력도 발현하므로 개구부가 많은 경우 세그먼트의 설계단계에서 bicone의 적용을 고려해 볼 필요가 있다. <그림 12> bicone의 병용사용에 의해 보강빔을 최소화한 사례(Lee and Choi, 2017) 세그먼트의 링간 조립에 bicone을 적용할 경우 접속부간 시공오차(offset)를 줄여 개스킷의 충분한 접촉면 확보를 통 한 우수한 방수능력을 기대할 수 있으나, 허용 유격이 작아 세그먼트 균열이 다소 증가하는 경향이 있다. 또한, 터널 선 형의 급격한 변화구간에서는 전통적인 볼트타입 연결에 비해 조정(correction curve)이 용이하지 않아 선형관리에 어려 움이 있을 수 있다. 54 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 쉴드 TBM 터널에서 피난연결통로(Cross-Passage) 설계 및 공법선정에 대한 고찰 직경이 8m 이하인 지하철 터널에 적용이 되는 250~300mm 사이의 세그먼트 두께에서는 철근망과의 간섭 때문에 bicone의 설치가 용이하지 않은 경우가 있다. 그 이유는 TBM 터널의 특성상 세그먼트의 두께는 전 구간에서 동일해야 하므로 세그먼트 두께의 최소화가 세그먼트 자체의 비용절감 뿐만 아니라 TBM 장비의 크기와 전체 굴착량에도 연결되 어 있어 피난연결통로 구간에 설치되는 세그먼트는 철근비가 이미 높고 철근간격이 조밀하게 되는 경우가 많기 때문이 다. 세계적으로 적용사례가 증가하고 있는 강섬유보강 콘크리트(SFRC)나 하이브리드(강섬유+철근) 세그먼트의 경우 상 대적으로 작은 단면에서 Bicone 적용에 있어 용이할 수 있다. 3. 피난연결통로 굴착을 위한 지반보강 피난연결통로는 지반을 그라우팅 등에 의해 안정화 시킨 후에 굴착을 진행할 수 있다. 절리 빈도가 작고 투수계수가 작은 암반층에서는 NATM 공법에서처럼 별다른 보강 없이도 굴착을 할 수 있다. 그러나 쉴드 TBM이 적용되는 도심지 하부에서의 터널이나 하·해저를 통과하는 터널의 경우 토사나 토사와 암반이 혼합된 층에서 시공되거나 고수압 하에 위 치하게 되는 경우가 많아 차수나 지반보강이 필요하다. 3.1 갱내 또는 지상 그라우팅에 의한 보강 암반 등 지반의 강도가 양호하나 유입수의 문제만 있을 경우 차수그라우팅을 실시한다. 인접한 구조물이 없어 침하 등 지하수위 저하에 의한 문제가 없을 경우 차수그라우팅 대신 펌핑에 의해 지하수위를 저하시켜 안정성을 확보하는 사례 도 있다(Roberts et al., 2015). 그러나 이 방법은 특정한 지반조건과 주변구조물의 검토가 진행된 후에 제한적인 조건 에서 사용이 가능하다는 점을 유의해야 한다. 가장 유명한 해저 TBM 터널 중 하나인 영불해저터널의 시공사례를 보면 피난연결통로는 안정적인 지반인 석회암층 에 위치하였으나 석회암의 투수계수가 커 유입수의 차단이 필요하였다. 대상지반에는 Tube-a-Manchette(TAM) 차수 그라우팅이 수행되었으며 지중응력의 두배인 25bar의 주입압으로 그라우팅 영역 부피의 약 2.5%의 그라우팅액 주입에 의해 투수계수를 1×10-7m/s 이하로 저하시킬 수 있었다(Warren, 2003). 그림 13은 일반적인 피난연결통로 차수그라우 팅 단면이다. <그림 13> 갱내 TAM 차수그라우팅 보강 단면(Khokhar et al., 2020)Vol. 26, No. 1 55 지하수위 아래 토사층에서 피난연결통로를 시공해야 하는 경우에는 차수그라우팅 만으로는 부족하며 아울러 지반보 강이 수반되어야 한다. 고압분사 계열의 공법(JSP, SIG, RJP, JGP등)은 초고압으로 분사된 시멘트 그라우트액이 토사 와 교반되어 원주의 고결체를 형성하므로 N치가 너무 크지 않은 토사층(통상적으로 N<50 이하)에서 지반보강효과가 뛰 어나 널리 사용되고 있다. 하지만 갱내에서는 사용이 어려우며 주로 지상에서 장비의 접근이 허용될 경우에 사용이 가능 하다. 고압분사 공법은 지반에 노즐을 관입시켜 300-700bar의 초고압으로 지반을 절삭하며 교반하므로 만약 토출구가 막혀 슬러지가 원활하게 배토가 되지 않는다면 지반 내에 순간적으로 고압이 작용하여 지반변위를 일으킬 수 있다. 특히 응력집중에 취약한 세그먼트 라이닝에 인접해서 시공하는 것은 매우 위험하다. 따라서 본 공법은 세그먼트 라이닝의 설 치 전, 즉 TBM의 굴진 전에 지반보강작업이 완료되어야 한다. 만약 불가피하게 시공이 완료된 세그먼트 라이닝 인접부 에 지반보강이 필요하다면 필히 저압으로 주입하되 이중 압력 저감장치, 자동 중지장치, 라이닝 내 자동 계측 시스템 등 철저 한 세그먼트 라이닝의 보호대책이 수반되어야 한다. 그림 14는 싱가포르 DTL 현장에서 집수정이 포함된 피난연결통로의 시공을 위해 지상에서 시공된 Jet grouting의 보 강영역과 공배치를 보여준다. 해당 위치의 지반조건은 N치 14~23의 실트질 모래와 실트질 점토로서 구근의 설계지름은 1.4m이고 보강 후 채취된 시료의 최소 일축압축강도 기준은 1MPa이었다. 본 공법에서 한 가지 더 유의할 점은 TBM의 굴진에 의해 보강영역에 균열이 발생했을 수 있으므로 고수압 조건일 경 우 세그먼트 제거 전에 감지공에 의해 유입수량을 파악하고 필요시에는 갱내 차수그라우팅을 추가해야 한다. Jet Grouting ∅=1.4m 23.5m <그림 14> 지상에서 Jet grouting을 시공한 사례 DTL (Fang et al., 1993) 지상에 작업공간을 확보하기 어려운 경우에는 갱내에서 차수그라우팅과 더불어 강관다단이나 훠폴링을 실시하여 천 단과 필요시 측면까지 보강하고 굴착을 하면서 지보재를 설치한다. 그림 15는 훠폴링에 의해 천단부를 보강한 사례를 보 여준다. 천공작업을 실시해야 하는 본선터널의 단면이 작을 경우 장비의 사용에 제약이 크기 때문에 강관다단 보다는 천 공경이 작은 훠폴링 보강이 작업에 용이하다.56 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 쉴드 TBM 터널에서 피난연결통로(Cross-Passage) 설계 및 공법선정에 대한 고찰 <그림 15> 피난연결통로 시공을 위한 훠폴링 보강사례(Khokhar et al., 2020) 3.2 동결공법 동결공법은 100년 이상의 역사를 가지는 공법으로서 Artificial Ground Freezing(AGF) 공법이라고도 한다. 주로 일 반적인 그라우팅으로 보강효과를 얻기 어려운 모래층이나 연약한 점토지반에 파이프를 삽입하고 매우 차가운 냉매를 순환시켜서 지반을 동결하여 안정화 한 후에 굴착하는 공법으로서 지반강도 증진과 차수에 효과적이다. 동결공법은 토 립자 간의 물을 동결시켜 강한 점착력을 얻는 원리를 이용하므로 점토나 실트층에서 효과적이지만 공법자체가 그라우팅 에 비해 워낙 비싸고 상당한 규모의 설비가 필요하며 지하수의 흐름이 있는 조건에서는 동결상태에 도달하는 시간이 오 래 소요된다. 지하수 흐름이 0.19m/day 보다 빠른 조건에서는 지반이 동결상태에 이르기가 상당히 어렵다(Sanger & Sayles 1979). 피난연결통로의 시공을 위해서는 그림 16과 같이 굴착면 외곽으로 굴착 중에 안정성을 확보할 수 있는 충분한 두께의 동결층을 얻을 수 있도록 1~2열의 냉매파이프를 굴착영역 주변으로 설치하여야 한다. 주로 사용되는 냉매는 유출에 의 한 사고위험이 적은 브라인(Brine) 또는 액체질소(Liquid nitrogen)이다. 그림 16은 수에즈 운하 하부의 연약한 점토층 과 모래층을 통과하는 지름 13.05m의 병렬 2차선 도로터널에서 최대 5bar 이상의 수압 하에 시공된 피난연결통로에 동 결공법이 사용된 사례이다(Rizos et al., 2018). 11.4m <그림 16> Port Said 터널에서 동결공법을 이용한 피난연결통로 굴착 사례Vol. 26, No. 1 57 동결시킨 토사시료를 시험하여 얻어진 결과에 의하면 -15°C 동결토의 일축압축강도는 2.0~3.5MPa 사이로 굴착작 업을 위한 안정성이 충분히 확보가 되는 강도이다(Lam et al., 2014). 동결토의 주요 특성치의 시험결과는 아래 표 1과 같다. <표 1> -15°C 동결토의 특성치 토사층UCS (MPa)Young’s Modulus (MPa)Creep Strength (MPa)Creep Modulus (MPa) Frozen Marine Deposit2.01601.021 Frozen Alluvium3.53151.7536 동결공법의 단점은 고비용의 공사비와 더불어 타 공법에 비해 공기가 길다는 점이다. 지상에서 동결공법을 시행한다 면 피난연결통로의 공사에 앞서 사전에 작업을 진행할 수 있지만 터널 갱내에서 동결공법을 시행해야 한다면 문제는 다 르다. 세그먼트의 코어링과 지반천공을 실시한 후에 동결파이프를 설치하고 나서 설계 보강두께가 일정온도 이하로 동 결이 진행된 후에 굴착작업을 시작할 수 있다. Fan & Yang(2019)의 연구결과에서는 피난연결통로 시공을 위한 동결공법의 소요기간을 추정할 수 있다. 그림 17과 같이 실트층에 동결공법을 사용하여 피난연결통로의 시공 중 지반내의 온도측정이 함께 이루어졌다. 총 66개의 동결관 이 215mm에서 최대 1m의 간격으로 양쪽에서 설치되었고, 온도측정용 센서가 설치된 총 13개의 파이프들을 갱내에서뿐 아니라 지상에서도 설치하여 시공 중 지반의 온도변화를 면밀히 관찰하였다. A A A-A B-B B B <그림 17> 집수정이 포함된 피난연결통로에서의 동결관 배치사례 그림 17의 C7과 C8의 위치에서 공사기간 중 측정한 지중의 온도는 아래 그림 18과 같다. 냉매인 브라인을 주입하여 동결시스템을 가동한 총 기간은 79일이며 그중 지반을 목표한 온도이하로 동결시키는데 걸린 기간이 45일 이었다. 이중 지반의 온도를 0도까지 내리는데 약 10일이 경과되었으며 목표두께인 1.8m를 설계온도까지 내리고 지반의 안정성을 확 보하는 데까지는 35일이 추가로 필요하였다. 이후 실제 공사인 세그먼트 제거 및 굴착, 그리고 라이닝 설치에 34일이 소 요되었다. 하지만 여기에 더하여 세그먼트 라이닝의 코어링과 지반천공 작업을 포함한 동결관 설치기간을 고려하여야 하며, 갱 내에서의 동결관 설치작업은 공간적 제약과 장비사용의 어려움으로 상당한 기간이 소요됨을 감안해야 한다.Next >