[논문]근접 철도터널의 굴착계획 및 설계 사례

김선홍; 정동호; 석진호; 정건웅; 서성호

문제 정의

특히 진동, 소음문제는 민원발생의주원인이 되며 모든 터널현장에서 중요한 고려사항이 되고 있다. 본 고는 발파진동 및 소음으로 인한 인접구조물과 인근 지역의 피해를 최소화할 수 있고 경제성, 시공성이 고려된 굴착공법 계획 및 설계사례를 토대로 소개하고자 한다.
본 설계사례는 기존 재래식 ○○터널과 인접하여 신설 복선터널을 건설하는 과업으로 증가되는 교통량을 수용할 수 있도록 계획되었다. 신설 터널이 시공 완료될때까지 기존○○터널을 통하여 열차의 운행은 계속된다.

제안 방법

발파 시 소음으로 인한 민원발생이 예상되므로 Table 14와 같이 소음전파를 차단할 수 있는 방음문과 갱구부 비산대책을 위한 슈퍼보드 공법을 이용한 암 파쇄 방호벽 설치를 계획하였다. 대구경에 의한 2자유면 확보로 일반 심발발파시의 진동과 소음을 감소시키고 장약 시 완전전색을 실시하고 지발당 장약량을 최소로 하여 발파하도록 하였다. 건설소음 규제 기준에 근거하여 본 구간와 발파 시 발생하는 소음의 허용정도를 평가해 보면 Table 15와같이 60~61dB로 허용규제기준치인 70dB 내서 발생하는 것으로 산정된다.
이와 같이 비 발파에 의한 굴착작업은 충격과 진동, 소음이 적어서 인접구조물과 인근 지역의 피해를 최소화할 수 있지만 공사비가 고가이고 굴착효율이 저하되는 단점이 있다. 따라서 굴착효율 측면과 경제적인 측면에서 유리한 발파공법을 적용하되 기존터널과 ll~22m 내외의 이격거리를 고려하여 진동저감효과가 있는 선대구경 수평발파공법을 적용하여 피해를 최소화하도록 계획하였다.
1） 기존 인접구조물과 인근 가옥의 보호를 위해서는 기계굴착이나 암 절개 공법과 같은 비발파공법이 진동과 소음이 없으므로 인근지역의 영향을 최소화하는 공법이지만 터널 굴착 시 시공성과 경제성을 확보할 수없는 이유로 심발을 대구경으로 선천공하여 2자유면을 확보할 수 있는 선대구경 굴착공법을 적용하여 인근가옥과 근접구조물에의 영향을 최소화하였다. 또한 15m 이내로 근접된 보안물이 위치하는 구간은 Line Drilling과 선대구경 발파공법을 병용하여 소음과 진동을 허용치 이내에서 발생하도록 계획하였다. 또한 시험발파에 의해 현장의 진동전파 특성 및 진동저감효과를 분석하고 이를 근거로 적정한 발파 계획을 수립하도록 하였다.
또한 15m 이내로 근접된 보안물이 위치하는 구간은 Line Drilling과 선대구경 발파공법을 병용하여 소음과 진동을 허용치 이내에서 발생하도록 계획하였다. 또한 시험발파에 의해 현장의 진동전파 특성 및 진동저감효과를 분석하고 이를 근거로 적정한 발파 계획을 수립하도록 하였다.
또한 파쇄가 심한계 곡지형 을 통과할 경우 과다유입수가 예상되는 구간에서 수발공으로 활용될 수 있다. 발파 굴착 시공 시 허용진동치를 초과하는 경우는 진동을 경감시키기 위한 Line Drilling과 암 절개공법을 적용하여 소음과 진동이 최소화되도록 하였다.
발파 시 소음으로 인한 민원발생이 예상되므로 Table 14와 같이 소음전파를 차단할 수 있는 방음문과 갱구부 비산대책을 위한 슈퍼보드 공법을 이용한 암 파쇄 방호벽 설치를 계획하였다. 대구경에 의한 2자유면 확보로 일반 심발발파시의 진동과 소음을 감소시키고 장약 시 완전전색을 실시하고 지발당 장약량을 최소로 하여 발파하도록 하였다.
신설터널 시공 중에 발생할 수 있는 기존구조물에 대한 영향을 평가하여 열차의 안전운행과 사용 중인 구조물의 안정성 확보를 위하여 자동화 구조물 유지관리 계측을 계획하였다.
유지관리 계측항목으로는 터널 내 열차운행에 지장이 없게 기존 터널구간의 시점부, 중앙부, 종점부에 설치하여 차후 근접터널 굴착 시 기존터널의 변위 및 응력을 측정하도록 계획하였다.
진동저감대책을 위하여 본 구간의 경우 굴착 시 시공성을 고려하여 기존 터널과 15m 이내로 근접될 경우와 그 이상일 경우 2가지 경우에 대하여 굴착계획을 달리하여 진동으로 인한 인접구조물의 안정성이 확보되도록 하였다. 즉, Table 12와 같이 보안물건과 15m 이상이격된 경우는 심빼기 발파를 대신한선대구경 천공 발파공법을 적용하였고 보안물건과 15m 이내로 근접될 경우는 터널 굴착면 최 외곽부에 Line Drilling 적용한 후 CD분할 심발좌측 이동 선대구경 천공발파공법을 시행하도록 하였다. 이때의 설계발파시 안정구조물에 미치는 진동영향 평가는 Table 13과 같다.
지반조사 중 탄성파 탐사 시 음원발생을 위해 실시하는 누두공형태의 발파를 이용하여 이격거리별로 3대의 진동측정기를 사용하여 연속적인 진동계측을 실시하고 계측치를 회귀 분석하여 추정식을 결정하고 인근 구조물에 대한 발파로 인한 영향 평가와 지발당 장약량을 결정한다. 이에 대한 결과를 Table 10에 나타내었다.
본설계의 굴착공법은 상술한 바와 같이 발파공법이 계획되었으므로 굴착계획 시 진동저감 대책을 강구하여야 한다. 진동저감대책을 위하여 본 구간의 경우 굴착 시 시공성을 고려하여 기존 터널과 15m 이내로 근접될 경우와 그 이상일 경우 2가지 경우에 대하여 굴착계획을 달리하여 진동으로 인한 인접구조물의 안정성이 확보되도록 하였다. 즉, Table 12와 같이 보안물건과 15m 이상이격된 경우는 심빼기 발파를 대신한선대구경 천공 발파공법을 적용하였고 보안물건과 15m 이내로 근접될 경우는 터널 굴착면 최 외곽부에 Line Drilling 적용한 후 CD분할 심발좌측 이동 선대구경 천공발파공법을 시행하도록 하였다.

대상 데이터

본 구간은 중앙선 ○○~○○의 일부구간으로 기존 재래식 단선 철도터널이 위치하고 있는데 증가되는 교통량의 확보를 위하여 신설 복선 철도터널이 기존 터널과 ll~22m 정도 근접하여 계획되었다. 이 신설터널의 시점부는 11m 이격되어 기존 터널이 위치하고, 55m 이격되어 교회가 위치한다.

성능/효과

1） 기존 인접구조물과 인근 가옥의 보호를 위해서는 기계굴착이나 암 절개 공법과 같은 비발파공법이 진동과 소음이 없으므로 인근지역의 영향을 최소화하는 공법이지만 터널 굴착 시 시공성과 경제성을 확보할 수없는 이유로 심발을 대구경으로 선천공하여 2자유면을 확보할 수 있는 선대구경 굴착공법을 적용하여 인근가옥과 근접구조물에의 영향을 최소화하였다. 또한 15m 이내로 근접된 보안물이 위치하는 구간은 Line Drilling과 선대구경 발파공법을 병용하여 소음과 진동을 허용치 이내에서 발생하도록 계획하였다.
Table 3, 4 및 5와 같이 발파와 비 발파에 의한 굴착공법을 검토해본 결과, 본 설계구간은 대부분 연암이상으로 Road Header는 불가능하다. TTM공법의 경우에는 l,800kgf/cm2 까지 굴착이 가능하나 기계의 가능 굴착단면이 작아서 확공이 필요하며 Pilot터널과 부대설비 공간이 필요하므로 시공이 복잡하고 굴착효율이 낮다.

후속연구

2） 근접된 기존 재래식터널의 라이닝은 원지반과 완전히 밀착하고 있다면 진동에 대한 안전도가 높지만 천단부에 배면공동이 존재하여 라이닝이 독립되어 진동할 경우와큰 편차가 작용하고 있는 경우에는 진동으로 인하여 라이닝의 균열과 붕락의 원인이 발생할 수 있으므로 기존 구조물의 사전조사를 철저히 하여 배면공동이 조사되면 충진한 후 공사를 진행해야 할 것이다. 또한 근접터널의 시공이 진행되는 동안 기존터널의 구조물변위와 라이닝응력, 진동치 등의 유지관리 계즉을 실시하여 이상변위가 발생할 경우는 즉시 대책을 강구하여야 할 것이다.
2） 근접된 기존 재래식터널의 라이닝은 원지반과 완전히 밀착하고 있다면 진동에 대한 안전도가 높지만 천단부에 배면공동이 존재하여 라이닝이 독립되어 진동할 경우와큰 편차가 작용하고 있는 경우에는 진동으로 인하여 라이닝의 균열과 붕락의 원인이 발생할 수 있으므로 기존 구조물의 사전조사를 철저히 하여 배면공동이 조사되면 충진한 후 공사를 진행해야 할 것이다. 또한 근접터널의 시공이 진행되는 동안 기존터널의 구조물변위와 라이닝응력, 진동치 등의 유지관리 계즉을 실시하여 이상변위가 발생할 경우는 즉시 대책을 강구하여야 할 것이다.
본설계의 굴착공법은 상술한 바와 같이 발파공법이 계획되었으므로 굴착계획 시 진동저감 대책을 강구하여야 한다. 진동저감대책을 위하여 본 구간의 경우 굴착 시 시공성을 고려하여 기존 터널과 15m 이내로 근접될 경우와 그 이상일 경우 2가지 경우에 대하여 굴착계획을 달리하여 진동으로 인한 인접구조물의 안정성이 확보되도록 하였다.

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