< Previous48 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 터널 및 지하공간 개발을 위한 원심모형실험 활용방안 - 이전연구사례를 중심으로 - (a) (b) (c) <그림 22> 실험 시나리오: (a) Buried tube test, (b) Tail void test, (c) Shield test <그림 23> 쉴드 TBM 외주면에 작용하는 토압Vol. 26, No. 2 49 (b)(a) <그림 24> 지표면에 유발되는 침하량: (a) 쉴드 TBM 정면방향, (b) 굴착길이방향 4.2 터널 보조공법 및 파괴모드 연구 Kamata and Mashimo (2003)은 터널 굴진 시 막장면, 천단부 보조공법 영향을 규명하고 최적화된 락볼트 길이, 배 열 그리고 강성을 제시하기 위해 원심모형실험을 수행하였다. 그림 25(a)와 같이 500mm (b) × 140mm (w) × 400mm (h) 규격인 토조에 실험모형체를 조성하였다. 이때, 토조의 한 면은 파괴형상을 실시간으로 관측할 수 있도록 투명아크 릴로 제작되었다. 모형지반은 Toyoura 모래를 한 층 당 2cm씩 다져서 단위중량 15.1kN/m3으로 조성하였다. 커터헤드 모형체는 그림 25(a)와 같이 직경 80mm 반원형단면으로 제작되었으며, 두께는 25mm이다. 실험은 커터헤드가 0.1D(D: 터널직경) 굴진하여 막장면이 조성된 것을 초기상태로 하고, 막장면을 지지하고 있던 커터헤드를 후퇴시켜 막장면 근처 에 유발되는 파괴형상을 분석하였다(그림 25(b)). (b)(a) <그림 25> 터널 굴진 실험시스템: (a) 개략도, (b) 실험사진50 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 터널 및 지하공간 개발을 위한 원심모형실험 활용방안 - 이전연구사례를 중심으로 - 매개변수연구는 그림 26과 같이 락볼트가 막장면에 굴진방향(길이방향)으로 설치된 조건(Face bolting), 락볼트가 막 장면과 0.1D 간격을 두고 지표면에 수직방향으로 락볼트가 설치된 조건(Vertical pre-reinforcement bolting) 그리고 터널 천단부에 지보재가 길이방향으로 설치된 조건(Forepoling)으로 수행되었다. (b)(a)(c) <그림 26> 매개변수연구 실험모형체: (a) Face bolting, (b) Vertical pre-reinforcement bolting, (c) Forepoling 실험을 통해 그림 27과 같이 보조공법이 적용되지 않은 실험과 보조공법이 적용된 실험의 파괴형상을 비교하였으며, 보조공법 설치조건별 효율을 조사하여 각각의 보조공법에 대한 최적화된 설치배열을 제시하였다. (b)(a) <그림 27> 막장면 파괴형상: (a) 보조공법 미적용 조건, (b) Forepoling 공법 적용 조건Vol. 26, No. 2 51 4.3 연약지반 굴착 중 히빙 안정성 연구 강석준 등(2018)은 수직구 굴착 시 ‘수직구 외주면 선행굴착공법’의 안정성 향상 효과를 검증하기 위해 원심모형실험 을 수행하였다. 수직구 외주면 선행굴착공법은 굴착면의 외주면을 선행굴착하고 굴착기 벽체를 관입시킨 후에 굴착을 진행하는 공법이다. 굴착기 내부 흙(이하 관내토)의 깊이를 굴착 중 일정하게 유지하며, 관내토 자중이 지반변형을 억제 하도록 하여 지반 안정성을 확보하는 공법이다. 실험을 통해 토압, 지반침하, 히빙 변위 그리고 주변지반 거동을 계측하 여 관내토 유무에 따른 지반 거동 영향을 분석하였다. 실험은 수직구 굴착 시 유발되는 히빙을 관측하기 위해 한 면이 투 명아크릴로 제작된 토조를 사용하였다(그림 28(a)). 수직구를 반단면으로 모사하여 관입 시 내부 변화를 실시간으로 관 측할 수 있다(그림 28(b)). (b)(a) <그림 28> 수직구 굴착 실험시스템: (a) 모형체 정면, (b) 수직구모형체 수직구 외주면 굴착중 지반의 거동을 측정하기 위해 레 이저 변위계, 토압계, 액션카메라를 사용하였다(그림 29). 레이저 변위계를 이용하여 수직구 굴착저면 변위와 배면 지반 침하량을 계측하였으며, 수직구 외주면에 토압계를 설치하여 작용하는 토압을 계측하였다. 또한, 액션카메라 를 이용하여 관입 시 나타나는 현상들을 촬영하였으며, 촬 영된 사진은 이미지 분석 프로그램 ‘PIVlab’을 사용하여 지반변위 크기 및 방향을 분석하였다. 실험을 통해 대표적으로 그림 30과 같이 원심가속 중 하중 증가와 히빙으로 유발되는 지반 변위를 관측하였으 며, 이미지 분석을 통해 관내토 유무에 따른 영향을 조사 하였다. 그 결과, 관내토 설치를 통해 히빙으로 인한 지반 침하와 융기를 제어할 수 있음을 주장하였다. <그림 29> 원심모형실험 계측기 배열52 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 터널 및 지하공간 개발을 위한 원심모형실험 활용방안 - 이전연구사례를 중심으로 - (b)(a) <그림 30> 수직구 주변지반 변위 분석: (a) 관내토 미적용 조건, (b) 관내토 적용 조건 4.4 터널 굴착에 따른 인접구조물 영향 분석 Yu et al. (2021)은 연약지반에서의 터널 굴착 시 터널 상부 지표면에 설치된 전면기초의 거동을 분석하기 위해 원심 모형실험을 수행하였다. 실험모형체는 그림 31과 같이 내측 규격이 540mm (b) × 220mm (w) × 500mm (h) 강체토조 에 조성되었으며, 터널 모형체의 설치를 위해 강체토조 양측 정면 벽체를 직경 60mm로 천공하였다. <그림 31> 원심모형실험 실험시스템: (a) 터널 정면방향, (b) 터널 길이방향Vol. 26, No. 2 53 터널 굴착 프로세스는 굴착직경과 라이닝 직경에 일정 간격이 존재함을 모사하기 위해 그림 32와 같이 터널 라이닝 모형체를 터널 모형체 내부에 배치하였으며, 터널 모형체 외부를 멤브레인으로 둘러싼 뒤 내부에 유체를 충진할 수 있도 록 설계하였다. 내부에 충진된 유체를 원심가속 중 제거하여 굴착직경과 라이닝 직경의 차이로 지반 체적이 감소하는 것 을 모사하기 위함이다. <그림 32> 모형터널 상세도 모형지반은 Kaolin 점토를 압밀하여 높이 320mm로 조성하였다. 점토 압밀은 1g 상태에서 선행압밀하중을 8kPa씩 증가시키며 수행하였고, 이후, 100g 원심가속하여 추가로 압밀을 진행하였다. 모형지반 조성 후, 1g 상태에서 터널 모형 체를 설치하였다. 매개변수연구는 지표면에 설치된 전면기초의 휨강성을 대상으로 수행되었으며, 전면기초 휨강성은 모 형체 두께를 각각 1mm, 4mm 그리고 10mm로 제작하여 조정하였다. 전면기초 모형체에는 그림 33과 같이 중립축을 기 준으로 우측에 변형률계 네 쌍을 설치하여 터널 굴착-지표면 침하로 기초에 유발되는 휨변형률을 계측하였다. 또한, 그 림 31(a)와 같이 전면기초 상단에 포텐셔미터를 배치하여 터널 굴착에 따른 지표면 침하로 유발되는 전면기초 침하를 계 측하였다. <그림 33> 전면기초 모형체(두께 4mm 조건)54 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 터널 및 지하공간 개발을 위한 원심모형실험 활용방안 - 이전연구사례를 중심으로 - 실험을 통해 각각 그림 34, 35와 같이 전면기초의 휨변형과 지반에 유발되는 침하량을 분석하였다. 그 결과, 전면기 초 강성 증가에 따라 침하와 휨변형이 감소되며, 전면기초와 기초면 하부 지반의 분리현상으로 전면기초 중앙부에서 큰 지반 손실이 유발됨을 확인하였다. (b)(a)(c) <그림 34> 터널 굴착으로 유발된 전면기초 휨변형: (a) 두께 1mm 조건, (b) 두께 4mm 조건, (c) 두께 10mm 조건 <그림 35> 터널 굴착에 따른 침하량: (a) 전면기초 미설치 조건, (b) 두께 1mm 조건, (c) 두께 4mm 조건, (d) 두께 10mm 조건 5. 맺음말 전 세계적인 인구 도시집중현상으로 각종 도시 및 사회문제가 대두되고 있다. 이를 해결하고 인류의 지속가능한 발전 을 위해서는 새로운 공간이 필요한 실정이며, 새로운 공간은 지하공간이 가장 현실적이다. 지하공간 개발을 위해서는 대Vol. 26, No. 2 55 심도-대규모 지반굴착이 필수적이며, 그에 따라 가시설, 본구조물의 안전성 및 인접구조물 영향 등을 고려해야 한다. 본 고에서는 지반-구조물 상호작용을 고려하여 다양한 지반공학적인 문제 해결에 활용할 수 있는 원심모형실험을 소개하 였다. 기존연구에서는 대심도 가설 흙막이벽체 지진응답, 충격하중을 받는 차량방호울타리 지지말뚝 수평거동, 잭업바 지 스퍼드캔 관입에 따른 인접구조물 영향, Dynamically Installed Anchors 관입 및 지지거동 연구와 같이 육상 및 해 양기초 연구에 활용되었으며, 터널 굴진에 따른 지반침하, 막장면 파괴모드, 보조공법 적용성능 평가, 인접구조물 영향 평가 등 터널 및 지하공간 연구에 원심모형실험이 적용된 사례가 있다. 다양한 실험시나리오를 모사하고 연구목적을 달 성하기 위해 원심모형실험시스템을 개발하고 활용해 왔으며, 미래에도 터널 및 지하공간 연구에 지속적으로 적용가능할 것으로 판단된다. 참고문헌 1. 국토교통부 (2018), “KDS 17 10 00: 내진설계 일반”. 2. 윤종석, 한진태, 김종관, 김동찬, 김두기, 추연욱, (2022), “동적원심모형실험을 통한 대심도 가설 흙막이 벽체 지진 시 거동 연구”, 한국지반공학회논문집, Vol. 38, No. 11, pp. 119-135. 3. 윤종석, 이민지, 추연욱 (2019), “원심모형실험을 통한 차량방호울타리 지지말뚝의 수평방향 충격하중에 대한 극한지지력”, 한국지반 공학회논문집, Vol. 35, No. 11, pp. 25-36. 4. 윤종석, 박성진, 한진태, 김종관, 김동찬, 김두기, 추연욱, (2023), “동적원심모형실험을 이용한 얕은 지반 굴착 버팀보 지지 흙막이 벽체의 지진토압 메커니즘 분석”, 한국지진공학회 논문집, Vol. 27, No. 5, pp. 193-202. 5. 한국도로공사 (2020), “고속도로 교량의 내진설계지침”. 6. 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[본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 26, No. 2 57 기술기사 3 1. 머리말 대심도 터널 건설은 대도시권 지상 토지의 제약을 극복하고 교통 인프라시설을 구축할 수 있고, 지하공간에 건설되어 운영과정중 교통소음 및 진동민원을 완벽하게 차단할 수 있는 친환경적인 시설로 평가받고 있다. 하지만 기술적, 경제적 타당성에도 불구하고 대심도 터널 건설과정에서 다양한 민원이 발생하고 있다. 특히 노선선정과 관련된 민원은 계획 및 설계과정에서 지역주민의 여론청취, 전문가의 자문 등으로 원만하게 해결된 사례가 있다. 이러한 관점에서 대심도 터널 건설추진절차와 관련된 법령에서 대중참여를 어떻게 규정하고 있는지 분석하였다. 2. 사업추진 절차 건설기술진흥법은 건설사업의 추진절차를 포괄적으로 규정하고 있다. 대심도 터널을 포함하는 인프라 건설계획을 수 립하려면 먼저 노선선정을 위한 타당성 조사를 실시하고, 기본 및 실시설계를 하고 교통· 환경 영향평가를 실시해 주민 의견 청취 등 제반절차를 거친 후 관련 행정절차를 거쳐 시행한다. 대중의견 수립과 관련한 내용은 건진법 시행령 67조 에 매우 포괄적이고 간략하게 규정되었고, 내용을 그림 1에 제시하였다. 이에 따르면 대중의 이해관계와 관련한 검토가 이루어질 수 있는 단계는 기본구상, 기본계획, 기본 또는 실시단계에서 부분적으로 언급되어있다. 특히, 토지조서가 가 시적으로 드러나는 실시설계 단계에서는 대중 참여에 대한 구체적 언급은 없다. 실시설계 단계에서는 구조물에 대한 이 해관계인과 합동조사에 대한 규정이 있는 데, 이때 구조물에 대한 의미도 매우 불분명하다. 이를 포괄적으로 해석한다 면, 토지 소유자 등도 인접구조물 개념으로 이해관계인에 관련될 수 있다. 대심도 터널 건설사업 관련 제도개선 방안 제안 문준식 경북대학교 토목공학과 정교수 신종호 건국대학교 사회환경공학부 정교수 문훈기 다산컨설턴트 부사장Next >