< Previous28 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 RRS (Reinforced Ribs of Shotcrete) 터널 지보방법의 국내 적용을 위한 기술 개선: RCS (Rebar Coupled Shotcrete) 개발 표 1에서 RRS와 RCS를 비교하였다. RCS는 RRS와 시공 순서가 다르고, 굴착 초기 지보 역할 수행 여부 등 차이가 있다. RRS는 이미 해외 현장에서 널리 사용되고 있는 검증된 기술이지만, 현장타설 라이닝이 설치되어야 하는 국내 실정에 서는 적용이 어렵다. RRS를 개선한 RCS는 숏크리트와 철근이 일체화되어 굴착 초기 터널의 안정성을 높이고, 산정된 합 성강도를 수치해석에 반영할 수 있다. <표 1> RRS와 RCS 비교 기술명RRS (Reinforced Ribs of Shotcrete)RCS (Rebar Coupled Shotcrete) 개념숏크리트와 록볼트 설치 후 추가 보강굴착 직후 설치되는 숏크리트와 합성 보강 시공 1차 지보가 완료된 숏크리트 면 위에 다수의 철근과 숏크리트 구조체 설치 굴착 직후 설치되는 숏크리트 내에 다수의 철근을 록볼트와 연결하여 구조체 형성 역할지반 이완 하중 지지, 낙반 및 붕락 방지굴착 초기 변위 억제 및 숏크리트 지보능력 향상, 낙반 및 붕락 방지 수치해석 반영 방법철근과 숏크리트의 등가 합성 강도 반영 장점우수한 지보 능력, 시공 유연성 초기 안정성 확보, 시공 유연성, 단면 확대 거의 없음 단점현장타설 라이닝 설치를 위해서는 단면 확대 필요 1차 지보재 설치 시간 증가 4.2 철근과 숏크리트 합성강도 산정 RCS가 적용된 터널의 안정성을 평가하기 위해서는 먼저 다수의 철근과 숏크리트가 결합된 RCS의 적절한 합성강도를 산정하는 것이 필요하다. 기존에 제시된 H-형강, 격자지보재 등의 강지보재와 숏크리트의 합성강도를 산정하는 방법은 표 2와 같이 4가지 case가 있다(Carranza et.al., 2009, 하태욱 등, 2008). <표 2> 강지보재와 숏크리트 합성부재 모델링 방법 Case해석방법특징입력물성 산정부재력 평가 1 강재는 고려하지 않고, 숏크리트가 축력과 모멘트를 모두 받는 경우 현재 수행하고 있는 방법으로서, 가장 보수적인 방법이며 강재의 보강효과가 고려되지 않음 강재는 배제하고 숏크리트만 Beam으로 모델링 도출된 부재력을 숏크리트의 허용응력과 비교하여 안정성 판단 2 숏크리트는 분담된 축력만 받고, 강재가 분담된 축력과 모든 모멘트를 받는 경우 다소 보수적인 접근이며, 설치간격이 고려된 강재보다 휨에 대한 저항성이 큰 숏크리트의 휨강성이 무시됨. 숏크리트와 강재를 합성재료로 가정하여 압축강성비와 휨강성비에 따른 등가환산 합성물성 산정 도출된 부재력 중, 축력은 압축강성 분담비에 따라 숏크리트와 강재의 허용응력으로 각각 평가하고, 모멘트는 강재의 허용응력으로 평가 3 숏크리트와 강재가 모두 각각 분담비에 따른 축력 및 모멘트를 받는 경우 숏크리트와 강재가 각각 분담하는 하중에 저항하여 실제상황과 비슷한 해석방법임. 숏크리트와 강재를 합성재료로 가정하여 압축강성비와 휨강성비에 따른 등가환산 합성물성 산정 도출된 축력과 모멘트는 각 부재의 분담비에 따라 부재력을 계산하여 각각 부재에 대한 안정성을 평가 4 숏크리트와 강재를 중복 모델링하여, 해당되는 축력과 모멘트를 각자 부담하는 경우 입력 과정이 단순하나 숏크리트 모델과 강재모델이 분리되어 작용하므로 Interface의 특성을 고려하기 어려움 숏크리트와 강재를 각각 빔요소로 2중으로 중첩하여 모델링 숏크리트와 강재에 각각 도출된 축력과 모멘트는 각 부재의 허용응력과 비교하여 안정성 평가 Vol. 27, No. 2 29 강지보재는 표면이 매끈하기 때문에 숏크리트와 완전한 합성거동을 하기 위해서는 스터드와 같은 별도의 결합장치가 필요할 수도 있다. 반면 RCS의 경우는 철근보강 콘크리트와 마찬가지로 이형 철근을 사용하기 때문에 숏크리트와 일체 화되어 합성거동을 한다고 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 case 3의 방법을 이용하여 RCS의 합성물성을 산정하였고, 부재력 평가 시에는 철근의 단면력이 숏크리트에 비해 매우 작아 철근은 무시하고 숏크리트의 강성만으로 안정성 평가를 수행하는 방법을 채택하였다. RCS가 적용되는 숏크리트는 그림 13에서 보듯이 1회 굴진장마다 철근이 결합된 RCS구간 과 일반 구간으로 구성되어 있다. <그림 13> RCS 개념도 합성물성 산정은 그림 14와 같은 단면을 대상으로 2 단계의 과정을 거치게 된다. 1단계에서 RCS구간에 대해서 철근과 숏크리트의 합성물성을 산정한 다음, 1단계에서 구해진 RCS구간의 물성과 일반구간을 합성하는 과정을 거쳐 최종 합성단 면과 물성을 도출한다. 그림 15는 지보패턴 4-1 type에 대하여 합성물성을 산정하는 과정과 산정결과를 정리한 사례이다. <그림 14> RCS 합성 단면 형상30 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 RRS (Reinforced Ribs of Shotcrete) 터널 지보방법의 국내 적용을 위한 기술 개선: RCS (Rebar Coupled Shotcrete) 개발 <그림 15> 합성물성 산정 예시(4-1 type) 4.3 RCS와 강지보재의 시공 단계별 비교 강지보재를 이용하는 기존 지보패턴은 실링 숏크리트만 타설된 상태에서 강지보재가 설치되고, 1차 숏크리트(일반 강 도)가 타설된 후 록볼트 및 막장면 천공작업이 이루어진다. 록볼트 설치 및 장약작업이 끝난 후 발파굴착과 버력처리 공Vol. 27, No. 2 31 정으로 이어진다. RCS를 적용한 지보패턴은 실링 및 1차 숏크리트(고강도)가 타설된 후에 천공작업을 하게 되며, 이후 설 치된 록볼트에 연결재를 이용하여 다수의 철근이 결합되고 이어서 2차 숏크리트가 타설된다. 장약 및 발파 직전 상태에서 기존 지보패턴은 1차 숏크리트만 타설된 상태이고 RCS 지보패턴은 2차 숏크리트까지 타설된 상태로 시공 단계에 따라 보강 및 작업 환경에 있어서 차이가 있다. 표 3에서 4-1 type에 대해 강지보재를 이용하는 기존 지보패턴과 RCS 지보패 턴의 시공순서를 비교하였다. <표 3> 강지보재 및 RCS 지보패턴 시공순서 비교(4-1 type 기준) 시공 단계강지보재 지보패턴RCS 지보패턴 암판정 막장면 & 록볼트 천공 록볼트 설치 RCS 설치- 2차 숏크리트 타설-32 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 RRS (Reinforced Ribs of Shotcrete) 터널 지보방법의 국내 적용을 위한 기술 개선: RCS (Rebar Coupled Shotcrete) 개발 <표 3> 강지보재 및 RCS 지보패턴 시공순서 비교(4-1 type 기준)(계속) 시공 단계강지보재 지보패턴RCS 지보패턴 장약 발파/환기/버력처리 실링 숏크리트 1차 숏크리트 타설(RCS) 강지보재 설치- 1차 숏크리트 타설 2차 숏크리트 타설 (N+1) - 본 고에서는 강재가 포함된 숏크리트 라이닝의 지보역할에서 가장 핵심 요소인 휨강성(탄성계수 x 단면이차모멘트)에 대해서 기존 강지보재 지보패턴과 RCS 지보패턴의 구조적 안정성을 개략적으로 비교하여 평가하였으며, 추후 RCS 지보 패턴에 대해 수치해석을 통한 안정성 평가를 별도 논문으로 발표할 예정이다. 4-1 type의 주요 시공 단계에서 강재가 포함된 숏크리트 라이닝의 휨강성을 비교하면 표 4와 같다. 천공작업 단계에 있어서는 동일하나 이후 주요 작업 단계에 있어서는 RCS 지보패턴이 강지보재 지보패턴보다 우수한 강성 상태에 있는Vol. 27, No. 2 33 데, 장약 및 발파와 버력처리 단계에서는 RCS 지보패턴의 휨강성이 4배 이상 더 큰 것을 확인할 수 있다. 또한 굴착 및 보강작업이 완료되고 최종 마감 구조물인 콘크리트 라이닝이 설치되기 전까지의 장기적인 안정성에 있어서도 RCS 지보 패턴의 휨강성이 기존 강지보재 지보패턴보다 약 1.5배 정도 더 크다. RCS는 강지보재 폭(100~150mm)보다 넓은 범위(600mm)에 걸쳐 록볼트와 결합되고, 숏크리트면에 밀착되어 설치 되기 때문에 강지보재보다 굴착 초기 낙반이나 붕락 방지 측면에서 우월하다고 할 수 있다. <표 4> 주요 작업단계에 따른 휨강성 비교(4-1 type 기준) 주요 작업 단계주요 Risk 작업 시 지보 상태 휨강성비 (RCS/강지보재) 강지보재RCS 록볼트 천공/설치 발파공 천공 ∙ 천공 시 낙반 ∙ 록볼트 설치 시 낙반 ∙ 주변 지반 안정성 ∙ 격자지보재 설치(LG-50x20x30) ∙ 1차 숏크리트 타설(일반강도, t=8cm) ∙ 1차 숏크리트 타설(고강도, t=8cm)100% 장약/발파 버력처리 ∙ 장약 시 낙반 ∙ 주변 지반 안정성 ∙ 버력처리 시 낙반 ∙ 1단계와 동일 상태 ∙ RCS 설치(SD400, D16, 6ea) ∙ 2차 숏크리트 타설(고강도, t=8cm) 424% 콘크리트 라이닝 시공 전 ∙ 장기 안정성 ∙ 2차 숏크리트 타설(일반강도, t=4cm) ∙ 숏크리트 경화 숏크리트 경화156% * 숏크리트(일반강도): fck = 21 MPa, E=14.0 GPa (soft) / 19.8 GPa (hard) 숏크리트(고강도): fck = 35 MPa, E=18.4 GPa (soft) / 26 GPa (hard) 4.4 RCS 활용 계획 본 고에서는 RCS의 원리와 개념을 소개하고, 강지보재를 적용한 지보패턴과 시공단계별로 휨강성을 비교하였다. RCS 가 실제적으로 적용 가능한 기술이 되기 위해서는 다음의 추가 연구가 필요하다. ∙ 수치해석 등을 통해 RCS를 적용한 터널 안정성 평가 및 비교 ∙ 철근과 숏크리트 합성 강도 산출을 위한 숏크리트 압축강도 및 경과시간에 따른 탄성계수 분석 ∙ 상세 설계를 통한 수량 산출 및 경제성 분석 ∙ 현장 시험시공 및 계측을 통한 시공성, 안정성 검증 ∙ 표준화, 기준 및 지침 수립 그리고, 다음의 분야에 RCS 기술이 활용될 수 있다. ∙ 전단면 굴착 확대: 4-1 type 이하 암반 조건에서의 분할 굴착을 전단면 굴착으로 변경 ∙ 대단면 터널 분할 최소화: 지보 능력 향상을 통한 굴착 면적 확대 → 대단면 터널 분할 개수 축소 ∙ NATM 공법에서 고성능 지보재 적용을 통한 이완하중 감소 및 라이닝 최적화: 고성능 숏크리트, 부식방지 록볼트, 34 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 RRS (Reinforced Ribs of Shotcrete) 터널 지보방법의 국내 적용을 위한 기술 개선: RCS (Rebar Coupled Shotcrete) 개발 RCS 등 지보재 중장기 성능 평가 및 라이닝 최적화 ∙ 싱글쉘 터널 공법의 국내 도입을 위한 기초 마련 5. 결 론 1) 국내 NATM 공법에서 불량한 암반 조건에서 주요 지보재로 설치되는 강지보재는 터널의 낙반이나 붕락을 방지하고 숏크리트 경화 후에 지반 하중을 지지하는 역할을 수행하지만, 형상이 고정되어 있어 숏크리트 물량이 과다해지고, 배 면 공극으로 유로가 발생하는 등의 문제점이 있다. 2) NMT 터널 공법에서 불량한 암반에 적용하는 RRS는 설치 초기부터 숏크리트와 같이 지보 역할을 수행하고, 여굴에 의한 숏크리트 타설량 증가 및 배면 공극 발생 등의 문제가 없다. 하지만, 현장타설 라이닝이 설치되어야 하는 국내 터 널에서 RRS를 적용하기 위해서는 굴착 단면을 확대해야 하는 문제가 있다. 3) RCS는 RRS의 국내 적용을 위해 개선한 기술로, 굴착 후 1차 숏크리트면 위에 록볼트와 연결하여 다수의 철근을 거치 시키고 2차 숏크리트 타설을 통해 철근 & 숏크리트 합성 구조체를 형성하는 방법이다. 철근과 숏크리트가 일체화되어 굴착 초기 하중에 저항하고, 산정된 합성강도를 수치해석에 반영할 수 있다. 4) RCS는 이형 철근을 사용하기 때문에 숏크리트와 일체화되어 합성 거동을 한다고 볼 수 있다. 숏크리트와 강재가 모두 각각 분담비에 따른 축력 및 모멘트를 받는다는 가정으로 RCS의 합성물성을 산정하였으며, 다만 부재력 평가 시에는 철근의 단면력이 숏크리트에 비해 매우 작아 철근은 무시하고 숏크리트의 강성만으로 안정성 평가를 수행하는 방법을 채택하였다. 5) RCS 지보패턴과 강지보재 지보패턴은 시공 순서가 다르다. 주요 작업 단계별로 휨강성을 비교한 결과, RCS의 휨강 성이 강지보재의 경우보다 전체적으로 우위에 있고, 특히 장약/발파 및 버력처리 단계에서 RCS의 휨강성이 4배 이상 더 큰 것으로 확인되었다. 그리고, 굴착 초기 낙반 및 붕락 방지 측면에서도 RCS가 더 효과적일 것으로 판단된다. 6) 향후 수치해석 등을 통해 RCS를 적용한 터널 안정성 평가 및 현장 시험시공을 통한 시공성과 안정성 검증 등의 추가 연구가 필요하며, 별도의 논문을 통해 발표할 예정이다. 7) 이러한 연구를 통해 RCS는 전단면 굴착 확대, 대단면 터널 분할 최소화, NATM 공법에서 이완하중 감소를 통한 라이 닝 최적화, 싱글쉘 터널 공법의 국내 도입 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. RCS는 기존 강지보재의 한계를 극복하고 터널 안정성을 향상시킬 수 있는 대안적인 기술로서 향후 추가 연구와 현장 적용을 통해 터널 공학 분야에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 감사의 글 본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었습니다(과제명: 초장대 K-지하고속도로 인프라 안전 및 효율 향상 기술 개발, 과제번호: RS-2024-00416524).Vol. 27, No. 2 35 참고문헌 1. 김기현, 김연덕, 황병현, 최용규, 김상환 (2020), “터널 상 ․ 하반 굴착 시 강지보재 지지구조 효과에 대한 연구”, 한국터널지하공간학 회 논문집, Vol. 22, No. 5, pp. 543-561. 2. 김영근, 마상준 (2023), “터널 강지보재 설계 및 시공상 문제점에 대한 고찰”, 자연, 터널 그리고 지하공간, Vol. 25, No. 1, pp. 36-44. 3. 박연준, 이정기, 노봉건, 유광호, 이상돈 (2010), “철근배근형태에 따른 철근보강. 숏크리트의 휨파괴 거동특성 연구” 한국암반공학회 지, Vol. 20, No. 3, pp. 169-182. 4. 이상돈, 박연준, 임두철, 손정훈, 유광호, 김수만 (2008), “강재로 보강된 숏크리트 거동의 수치해석적 연구”, 터널과 지하공간, Vol. 18, No. 3, pp. 226-238. 5. 이상필, 하희상, 김동현 (2024) “싱글쉘 터널의 국내 적용에 대한 고찰”, 한국터널지하공간학회 논문집, Vol. 26, No. 3, pp. 223-242. 6. 하태욱, 김대영, 신영완, 양형식 (2008), “이차원 수치해석에 의한 강지보 성능을 고려한 숏크리트 라이닝의 부재력 평가방법”, 한국터널지하공간학회 논문집, Vol. 10, No. 3. pp. 269-282. 7. 한국도로공사 (2007), 철근보강 숏크리트의 설계 및 시공법 개발, Report No. RT-GE-07-13, pp. 1-163. 8. 한국터널지하공간학회 (2016), 터널 강지보재(격자지보)의 품질관리 기술, 한국터널지하공간학회, 굴착지보위원회 Annual Technical Report (Part 1), pp. 1-11. 9. 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[본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]36 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 “대심도 지하공간의 개발, 과연 우리는 올바른 방향으로 나아가고 있는가?” 지난 10여 년간 대한민국은 도시의 입체적 확장을 위해 대심도 지하공간 개발에 박차를 가해왔다. 2014년 「대심도 지 하도로 설계지침 제정연구, 국토교통부」 등 기술적 연구를 시작으로 GTX, 삼성역 복합환승센터 등 다양한 대형 사업이 본격 추진 중이다. 하지만 이러한 기술적 축적과 정책 정비에도 불구하고, 우리는 여전히 예기치 못한 사고와 구조적 위험에 노출되어 있 다. 2025년 신안산선 광명 구간 터널 붕괴 사고 등은 설계 기준, 지반 리스크, 방재 체계의 허점이 현실 속에서 여전히 존 재함을 보여준다. 이제는 되짚어봐야 할 시점이다. 그간 축적된 국내 ․ 외 기준과 기술, 그리고 실제 현장의 공학적 ․ 방재적 문제를 바탕으 로 “우리는 정말 대심도 공간을 안전하게 설계하고 관리하고 있는가?”를 다시 묻는다. 정책과 이론을 넘어 현장에 작동하 는 안전이란 무엇인지, 기술자가 함께 되새겨야 할 시간이 찾아왔다. 1. 대심도 지하공간 1.1 대심도 지하공간의 추진 배경 고밀도 도시의 공간 부족 문제를 해결하기 위한 대안으로 대심도 지하공간(Deep Underground Space)개발이 본격적 으로 논의되고 실행되고 있다. 이는 포화상태인 도시 기능을 수평에서 수직으로 확장하여, 국토의 효율적 활용 ․ 교통 ․ 물 류 ․ 기반시설 등 핵심 인프라를 지하로 이관하는 도시공간 구조의 전환을 의미한다. 안전한 대심도 지하공간 개발을 위한 고찰: 대심도 지하공간의 정책, 공학적 리스크 그리고 방재 전략 유찬호 대림대학교 건설환경공학과 교수Vol. 27, No. 2 37 지하 40m 이상의 대심도 지하공간은 기존의 지하 공간과 달리 응력 환경, 구조 안정성 측면에서 고유한 기술적 도전과 위험을 동반한다. 이에 따라 국내 ․ 외에서 다양한 연구가 진행되어 왔다. 1.2 대심도 지하공간 관련 국내 ․ 외 개발 사례 및 동향 일본은 2001년 ‘심층지하제도’를 법제화하여 지하공간의 공공적 이용을 제도화하였으며, 도쿄 오에도선, 린카이선 등 심도 40~50m의 지하철망을 구축하는 모델을 제시했다. 스위스 고트하르트 베이스 터널(2016)은 지하 2,000m 이상의 고심도 환경에서 터널 장기 안정성, 지반응력, 수압, 크 리프 등 공학적 요소를 종합 설계한 세계 최고 심도의 터널로 평가받고 있다. 싱가포르는 3D 지하공간 마스터플랜과 STEMS 모니터링 시스템을 통해 도심 심층 인프라의 계획-시공-운영을 통합 하고 있다. 노르웨이 로그파스트 터널은 완공시 가장 긴 해저터널(L=27km)로 기록될 것으로 예상되며, 최대 심도 392m로 2033 년 개통을 목표로 건설 중에 있다. <표 1> 국내 ․ 외 주요 대심도 지하공간 개발 사례 국가시설 또는 프로젝트 명심도 (m)특징 노르웨이로그파스트 터널최대 3922차선 도로터널, 2개 터널, 내부 폭 10.5m 대한민국영동대로 복합환승센터70~80GTX-A, GTX-C, 위례-신사선 연결 스위스고트하르트 베이스 터널최대 2,400내부 직경 7.76m, 라이닝 두께 30~110cm 스페인마드리드 M30 터널15~603차선 도로터널, 복층터널, 내부 폭 13.5m 일본도쿄 중앙환상도로 신주쿠선40m 이상터널 폭 : 11.5m, 방재 및 설비 공간 확보 프랑스듀플렉스 A86 터널20~90복층터널, 직경 11.6m 국내에서 대심도 지하공간과 관련된 연구는 한국건설기술연구원(2014), 한국터널지하공간학회(2020) 등을 중심으로 2010년대부터 대심도 지하구조물의 시공 ․ 설계 기술 연구가 확대되었으며, 2020년 이후에는 GTX, 삼성역 복합환승센터 등 대형 프로젝트에 적용, 운영되고 있다. 최근 서울에서 대심도 지하공간 개발이 본격화되면서 서울시는 2024년 「대심 도 지하공간 개발 증가에 따른 서울시 지하안전관리 방안」 연구를 통해 다음과 같은 기준을 제시하고 있다. <표 2> 대심도 지하공간 개발 증가에 따른 서울시 지하안전관리 방안 주요 내용 항목내용특징 심도대심도 기준 명확화40m 이상 대심도 규정 지하수지하수관리 고도화유출량 실측, 비배수 설계 검토 방재설비방재설비 평가체계 강화단순 설치기준에서 작동성 중심 전환 안정성3D 모델링 강화과지압(높은응력), 기존 시설물 영향 평가 계측실시간 감시 체계 구축스마트 계측 시스템 구축 유지관리디지털 기반 유지관리 및 모니터링설계, 시공, 유지관리 전 단계 체계적 관리 추진Next >