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문제 정의
- 보강공법은 주로 터널의 보강에 중점을 두어 적용되었다. 인버트를 폐합시켜 터널측벽 변형 및 침하를 억제하였으며, 강지보 좌우에 보강 록볼트를 설치하고 철판을 이용하여 강지보와 용접·고정시켜 지반보강 효과뿐만 아니라 강지보의 변형 억제효과도 얻고자 하였다. 또한 터널내에서 시점 방향으로 하향경사로 Micro Pile (φ100, L=8m)을 설치하여 활동이 예상되는 부분의 전단저항력을 증대시켜 불안정한 주변지반을 보강하였다.
- 현재 터널 붕락에 관한 연구는 주로 터널 붕락의 원인분석 및 붕락 형태, 예방을 위한 보강에 관한 내용이 주를 이루고 있지만, 본고에서는 국내외 다양한 터널 붕락 사례를 수집하고 분석하여 터널의 변상 및 붕락 유형별 보강 및 복구대책을 면밀히 검토하므로서 터널 붕락 구간에 대한 최적의 보강공법 선정시 활용할 수 있도록 하였다.
제안 방법
- 본고에서는 국내외 터널 변상 및 붕락과 이에 따른 보강 사례들을 수집하여, 이를 붕락유형별로 분류하고, 붕락 유형별 보강, 복구 대책을 분석하였다. 물론 설계 및 시공 시 정밀한 조사와 계측을 통해 붕락을 예측하고 보강계획을 수립하여 붕락을 사전에 방지하는 것이 가장 바람직할 것이다.
- 서해안 고속도로 건설공사중 신광터널에서 상부굴착 완료 후 하부 굴착 중 일부 구간에서 과대한 터널 변위가 발생하였고, 터널 측벽부 및 천단부에 수직방향의 균열이 다수 발생하였다. 굴착을 중단하고 토사로 되메움을 실시한 상태에서, 변위발생 원인을 분석하고 기변위 발생구간 및 추가 변위 발생 우려구간에 대한 굴착 및 보강방안을 수립하였다.
- 보강은 지표 및 터널부 그리고 붕락범위에 따른 보강 Zone을 구분하여, 지상 시멘트밀크그라우팅과 강관다단그라우팅, 터널 내 강관다단그라우팅이 실시되었다. 그라우팅 시공시 주입재가 어느 정도 균질하게 주입되지 않을 경우 붕괴부의 되메움토가 터널에 하중으로 작용할 경우가 발생 할 수 있으므로 지상 및 갱내에서 강관 응력재를 삽입하여 토괴의 거동에 저항토록 하였다.
- TSP 탐사결과 붕락부 이완구간, 지표 함몰부 되메우기 구간에 시멘트밀크 그라우팅으로 지반을 보강하였다. 그라우팅 채움 구간과 이완영역을 대상으로 터널 내에서 대구경 강관다단을 우산망 형태로 보강하였으며, 당초의 지보패턴을 하향 조정하였다.
- C=6m, L=12m) 시공하였다. 또한 돌발적인 용수 배수 및 지하수위 저하 방지를 위해 선진수발공을 적용하였다.
- 인버트를 폐합시켜 터널측벽 변형 및 침하를 억제하였으며, 강지보 좌우에 보강 록볼트를 설치하고 철판을 이용하여 강지보와 용접·고정시켜 지반보강 효과뿐만 아니라 강지보의 변형 억제효과도 얻고자 하였다. 또한 터널내에서 시점 방향으로 하향경사로 Micro Pile (φ100, L=8m)을 설치하여 활동이 예상되는 부분의 전단저항력을 증대시켜 불안정한 주변지반을 보강하였다.
- 본 터널의 내공단면이 이미 건축한계 이내로 축소되어 있으므로 강지보공이나 숏크리트 등을 시공할 수 없으므로 배면지반의 강도 증가를 통한 안정화 공법을 적용하였다. 배수공을 설치하여 라이닝에 작용하는 하중을 저감시키고, 보강 영역 구간에 자갈도상을 제거하고 인버트 버팀 콘크리트를 타설하여 인버트를 폐합하였으며, 라이닝 배면 지반 소규모 공동충진 및 지반강화, 누수방지를 위해 폴리우레탄 그라우팅을 실시하고, 기존라이닝에 홈을 파고 C.T.C 1m 간격으로 래티스거더를 설치한 후 채움 모르터를 충진하였다.
- 보강 대책으로 지반보강 및 갱내보강, 지보패턴 변경을 실시하였다. TSP 탐사결과 붕락부 이완구간, 지표 함몰부 되메우기 구간에 시멘트밀크 그라우팅으로 지반을 보강하였다.
- 보강 대책으로 토사층의 주입시 충전효과를 고려하여 시멘크밀크(CTC 1000mm간격)로 터널 상부 연약지반을 지상에서 보강하고, 터널 굴착시 안정성이 충분히 확보되도록 예상 붕락 가능 범위에 대하여 터널내부에서 침투성이 양호하고 균질한 지반개량이 가능한 SGR공법과 Pipe Roof공법을 적용하였다.
- 보강공법은 절리와 균열이 발달한 파쇄대에 침투주입으로 이완된 파쇄대의 차수 및 전단강도 증진이 가능한 공법을 선정하였다. 터널 내 보강은 터널 굴착작업과 병행하여 시공이 가능한 공법으로 갱내 시공이 가능하고 터널굴진 방향으로 1D 이상 Long Type 보강이 가능하도록 강관다단그라우팅 공법이 실시되었으며, 갱내보강만 수행할 경우 함몰구간의 하중에 의한 응력집중으로 과다한 천단침하 및 지표침하가 발생하고 숏크리트의 휨압축응력과 전단력이 허용치를 초과하므로 굴착시 여굴 및 붕락방지 공법이 병행되는 공법으로서 시공성이 우수한 지반보강 공법인 LW 그라우팅 지상보강을 실시하였다.
- 보강은 차수 및 지반고결을 위해 After Grouting (Back Fill Grouting)을 실시하고, 강관다단그라우팅 으로 막장전방 고결에 의한 지반아치를 형성하였다.
- 본 고에서는 수집자료 개수의 한계 등을 고려하여 터널 붕락의 규모와 원인에 따라 다음 표 1과 같이 터널 변형, 터널 낙반, 터널 함몰형 낙반 등 3개의 유형으로 분류하였다.
- 본 터널의 내공단면이 이미 건축한계 이내로 축소되어 있으므로 강지보공이나 숏크리트 등을 시공할 수 없으므로 배면지반의 강도 증가를 통한 안정화 공법을 적용하였다. 배수공을 설치하여 라이닝에 작용하는 하중을 저감시키고, 보강 영역 구간에 자갈도상을 제거하고 인버트 버팀 콘크리트를 타설하여 인버트를 폐합하였으며, 라이닝 배면 지반 소규모 공동충진 및 지반강화, 누수방지를 위해 폴리우레탄 그라우팅을 실시하고, 기존라이닝에 홈을 파고 C.
- 본고에서는 국내외 터널 변상 및 붕락과 이에 따른 보강 사례들을 수집하여, 이를 붕락유형별로 분류하고, 붕락 유형별 보강, 복구 대책을 분석하였다. 물론 설계 및 시공 시 정밀한 조사와 계측을 통해 붕락을 예측하고 보강계획을 수립하여 붕락을 사전에 방지하는 것이 가장 바람직할 것이다.
- 설계시 예측되지 못한 터널 상부 지반의 불량으로 인해 굴착 중 붕락이 발생하였다. 붕락구간 토사 되메움후 붕락구간 및 붕락외 구간에 보강을 실시하였다.
- 붕락구간은 유입된 붕락 토사를 제거하고 상반굴착 완료 후 인버트를 폐합하였으며, 추가 Rock Bolt를 설치하여 보·아치형성 작용과 내압작용효과를 증진시켰다.
- 손상의 보강을 위해 우선 배면 공동을 충전하고, 콘크리트 라이닝 균열부 및 열화부를 보강하였다. 그리고 지반 이완으로 인해 변상이 발생한 구간은 격자지보 및 숏 크리트, 강관보강 다단 그라우팅으로 터널 내공단면을 보강하였으며, 그라우팅을 이용하여 터널 주변의 지반을 보강하여 지반의 Ground Arching 효과를 증대시켰다.
- 수집자료개수의 한계등을 고려하여 터널붕락의 규모와 원인에 따라 다음의 3가지 유형으로 분류하였다.
- 주요 보강공법으로는 붕락구간의 토사를 고결시키고 지반의 아칭(Arching)효과 증대를 위해 터널내 강화시멘트 밀크 그라우팅을 실시하였으며, 강관의 Beam작용으로 지반강화 및 상부하중 경감시키기 위해 강관보강 다단 그라우팅을 실시하였다.
- 주요 보강방법으로 터널 내에서 고압(펌프 : 380∼450 bar, 노즐 : 240∼290 bar)의 수평 제트그라우팅 (single jet system-no air pressure)을 실시하여 터널 주변 지반을 보강하였다.
- 보강공법은 절리와 균열이 발달한 파쇄대에 침투주입으로 이완된 파쇄대의 차수 및 전단강도 증진이 가능한 공법을 선정하였다. 터널 내 보강은 터널 굴착작업과 병행하여 시공이 가능한 공법으로 갱내 시공이 가능하고 터널굴진 방향으로 1D 이상 Long Type 보강이 가능하도록 강관다단그라우팅 공법이 실시되었으며, 갱내보강만 수행할 경우 함몰구간의 하중에 의한 응력집중으로 과다한 천단침하 및 지표침하가 발생하고 숏크리트의 휨압축응력과 전단력이 허용치를 초과하므로 굴착시 여굴 및 붕락방지 공법이 병행되는 공법으로서 시공성이 우수한 지반보강 공법인 LW 그라우팅 지상보강을 실시하였다.
- 터널 변형에 대해서는 지보 보강량을 늘리고 보조공법을 통해 주변지반을 보강하였으며, 터널 낙반이 발생한 경우 보조공법을 통해 낙반부를 보강하고 필요시 지보보강량을 증가시켰으며, 터널 함몰형 낙반의 경우 붕락부 고결화 및 강화(터널 상부지반보강)와 보조공법을 통한 터널주변 지반보강을 실시하였다.
- 터널붕락의원인은주로지반보강이미흡하거나, 지보 폐합시기를 놓쳐 터널 변형 및 파괴로 인해 낙반과 붕락이 발생하였으며, 따라서 보강은 붕락 발생 유형에 따라 손상 및 파괴영역을 보수하고 추가 지보재 설치를 통해 터널 지보능력을 향상시키거나, 터널 내 또는 지상에서 주변지반을 개량하는 공법을 실시하였다.
대상 데이터
- 총연장 1,231km인 대만 중서부의 고속철도 터널 상반 굴착 완료 후 터널 붕괴가 발생하여 지표면의 함몰이 일어났다. 침투수에 의해 터널천단부에서 발생한 붕락과 지하수의 유입이 터널상부의 사암층에 공동을 발생시켜 지표까지의 함몰을 일으켰다.
성능/효과
- 손상의 보강을 위해 우선 배면 공동을 충전하고, 콘크리트 라이닝 균열부 및 열화부를 보강하였다. 그리고 지반 이완으로 인해 변상이 발생한 구간은 격자지보 및 숏 크리트, 강관보강 다단 그라우팅으로 터널 내공단면을 보강하였으며, 그라우팅을 이용하여 터널 주변의 지반을 보강하여 지반의 Ground Arching 효과를 증대시켰다.
- 변상 발생의 주원인은 실제 터널구간의 지반상태가 조사당시 예측한 지반상태에 비해 전반적으로 불량하다는 것이었다. 터널구간의 지반이 수차례의 구조운동과 관입활동의 영향으로 습곡구조, 호층구조 등과 같은 매우 복잡한 지층형태를 이루고 있었다.
- 8mm의 내공축소 변위가 계속되어 터널 라이닝이 건축한계선을 침범하였다. 변형 원인을 분석한 결과, 여러매의 Trust에 의해 형성된 넓은 파쇄대와 지하수에 의한 점토 유실로 인한 지반 이완현상으로 터널 측벽부에 높은 압력이 작용함으로써 변상이 진행된것으로 판단되었다.
- 안산터널은 반월역과 상록수역(금정-안산간 철도) 사이에 위치한 복선단면의 철도터널로 1988년에 준공되었다. 전체적으로 터널 천정부 공동, 양생 중 건조수축, 누수 등에 의한 재료열화 등이 복합적으로 작용하여 터널 라이닝의 균열 및 배면 공동이 발생하였으며, 일부 구간은 시공 중 붕락으로 인해 이 부분의 지반이완이 라이닝 균열의 요인으로 작용하였다.
후속연구
- 터널 붕락을 사전에 방지하는 것이 가장 바람직하겠지만, 붕락사고가 발생했을 때 붕락 원인과 규모에 따라 효과적인 보강 계획을 수립하는데 앞서의 붕락유형별 사례 분석이 참고가 될 수 있을것이다.
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