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문제 정의
- 본고에서는 근접된 병설터널의 보강과 안정성 평가 방안에 대하여 최근의 사례를 중심으로 소개하고자 한다.
제안 방법
- 27D)정도이며, 터널단면 크기가 다른 비대칭 터널로써 지보패턴 설계수준이 서로 상이하다. 그러므로 암반 필라의 안정성 검토사항을 토대로 지보설계 및 보강공법에 대한 적정성을 검토하였다.
- 도시지역을 통과하는 2차로 도로터널의 특성상 터널계획 검토시 터널통과구간 직상부의 지장물의 영향을 고려하여 근접병설터널(그림 2)로 계획되었다. 터널사이의 지반에 대한 안정대책으로는 숏크리트 두께의 증가와 PC 록볼트를 이용한 보강을 수행하였다.
- 응력집중이 예상되는 암반 필라부에 대한 안정성 검토를 위해 이격거리(Pillar Width)에 따른 필라 안정성을 평가하였다. 또한 필라부의 안정성 뿐만 아니라 강도감소법을 이용하여 터널 전체의 안정성을 형가하고, 한계상태의 파괴형상을 예측하여 효율적인 지보설계를 검토할 수 있도록 하였다.
- 분할 굴착을 고려한 터널 굴착순서에 따른 암반필라부의 강도/응력비를 검토하여 합리적이고 안정적인 분할 굴착순서를 검토하였다.
- 설계 구간은 00-00간 연결도로 사업 구간 중 중죽도 통과구간으로서 침매터널과 중죽도 터널 접속구간으로 각각 방향별로 3차선터널과 2차선터널의 비대칭 형태의 병설터널이다.
- 설계에서는 유사한 해외의 시공사례에 대한 조사를 수행하여 예상되는 문제점 및 대책, 보조공법등에 대한 참고자료로 활용하고, 시공순서에 따른 근접터널의 역학적 거동 특성을 분석하여 설계적용 하였다.
- 응력집중이 예상되는 암반 필라부에 대한 안정성 검토를 위해 이격거리(Pillar Width)에 따른 필라 안정성을 평가하였다. 또한 필라부의 안정성 뿐만 아니라 강도감소법을 이용하여 터널 전체의 안정성을 형가하고, 한계상태의 파괴형상을 예측하여 효율적인 지보설계를 검토할 수 있도록 하였다.
- 응력집중이 예상되는 암반 필라부에 대한 안정성 검토를 위해 터널 굴착순서 및 이격거리(pillar width)에 따른 터널의 거동을 분석하여 근접병설터널의 상호 간섭효과에 대한 검토를 수행하였고, 암반 필라의 응력상태 및 터널변위를 종합적으로 검토하여 암반파괴이론에 근거한 안정성 평가를 수행하여 별도의 지반보강대책을 수립하였으며, 필라 안정성 평가를 위한 검토 항목들은 다음 표 2와같다.
- 중죽도 터널 시점부는 해상교량과 연결되어 있고 종점부 이후는 침매터널이 계획되어 있으며, 터널 간 이격거리(pillar width)가 3.9m~10.4m인 근접 병설터널로 계획되었다.
- 중죽도 터널 종점 갱구부는 터널 이격거리(필라부)가 약 3.9m 정도로 매우 작고 갱구부 형성에 따른 3차원거동에 의해 횡방향 및 종방향 원지반 아치형성에 불리할 것으로 판단되어 천단부 보강공법으로 해수 침투에 의한 내부식력을 갖는 FRP 보강 그라우팅을 계획하였으며, 갱구부 시공과정을 단계별로 모델링함으로써 갱구부 지보패턴 및 보조공법의 적정성을 3차원유한요소해석에 의해 검토 하였으며, 터널부의 천단 및 내공변위 발생양상과 적용된 지보재들의 단면력 검토를 통하여 안정성을 검토하였다.
- 지금까지 병설터널 계획 시 방향별 터널간격이 충분히 확보되지 않으면, 1-Arch 대단면이나 혹은 콘크리트에 의한 기둥식 2-Arch 터널을 계획하였다.
- 도시지역을 통과하는 2차로 도로터널의 특성상 터널계획 검토시 터널통과구간 직상부의 지장물의 영향을 고려하여 근접병설터널(그림 2)로 계획되었다. 터널사이의 지반에 대한 안정대책으로는 숏크리트 두께의 증가와 PC 록볼트를 이용한 보강을 수행하였다.(그림 3)
- 터널의 굴착공법으로는 천공에 의한 발파공법이 일반적이나 본 근접 병설터널은 분할 굴착 시 바깥쪽은 발파 공법을 적용하고, 안쪽은 암반 필라의 보호를 위하여 유압식 암파쇄 공법을 적용하였다.
대상 데이터
- 기계굴착을 이용한 굴착공법과 short bench 공법으로 시공되었고, 토피고는 대략 20~30m 정도이며, 터널통과구간 상부에는 많은 지장물(빌딩, 주거지역, 학교, 사원 등)이 분포하고 있었다. 지층구성은 고생대 제3기의 강풍 화된 사암및 역암이주를 이루며, 부분적으로 셰일 및 얇은석탄층이 협재하고 있었다. 갱구부에는 풍화암이 발달하고 있으며 터널의 중앙부로 갈수록 풍화정도는 점점 감소하고 신선한 암반이 분포하고 있다.
성능/효과
- 3차선과 2차선터널의 비대칭 병설터널의 단면 크기에 따른 굴착순서 검토결과는 양방향 모두 굴착한 후에는 변위 및 응력의 차이는 거의 동일하지만, 후행터널 굴착시 선행터널에 미치는영향을 고려할 때 대단면 터널을 먼저 굴착하는 것이 전체적인 터널 안정성 유지에 유리한 것으로 판단되었다.
- 근접병설터널은 중앙의 암반 필라의 지보능력을 이용하여 터널의 안정성을 유지하도록 계획되어 있으므로 이 토즈터널과 오야마다이리터널 등의 사례를 참고하여 암반의 강성 및 지반조건, 지장물 여부 등을 종합적으로 검토하여 합리적인 시공방안을 선정하는 것이 타당하리라 판단된다.
- 분할굴착 순서에 따른 검토 결과 암반 필라에서 먼 바깥쪽을 선굴착할 경우 상대적으로 안전한 경로를 유지하는 것으로 검토되었다.
- 암반 필라의 안정성을 위해 Pre-Stress를 도입하였을 경우 강도/응력비가 증가하는 것으로 검토되었으며, FRP 보강효과가 천단침하, 수평변위 그리고 필라부 안정성에도 긍정적인 영향을 미치는 것으로 파악되었다.
후속연구
- 본 고에서 소개한 근접 병설터널은 아직은 국내사례가 적고 시공시 암반 필라부 보호와 보강에 대한 대책이 부족한 것은 사실이나 터널의 아칭효과를 이용하면서 기존의 암반을 기둥으로 활용함으로써 많은 문제점이 해결 가능할 것으로 판단되며, 향후 발전된 많은 대안들이 제시될 것으로 기대된다.
- 특히, 중앙부 암반 필라부의 구조적 역할을 해석적으로 규명하여 지보기능을 검토할 필요성이 있는 것으로 판단된다. 특히, 암반 필라의 보강설계에 있어서는 예상되는 암반 파괴기준 및 지반이완에 대한 필라의 안정성 평가와 더불어 중앙 암반 필라의 손상에 대한 방지대책이 필요할 것으로 판단된다.
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