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문제 정의
- 터널 계곡부에 대한 보강대책은 지형 및 지질조건을 고려하여 적절한 보강공법을 적용하여야 한다. 따라서, 적용 가능한 터널 지상부에서의 보강방법과 터널내부에서의 지보패턴 변경, 터널내부 보조공법의 적용으로 구분하여 제시하고자 한다.
- 본 터널계곡부(저토피구간) 3개소에 대하여 안정성 평과와 필요한 대책을 수립ㆍ제시하여 안전한 터널시공이 이루어지게 하는데 그 목적이 있다.
제안 방법
- • 사례 Ⅰ : “3차원 터널해석에 의한 강관다단 그라우팅의 보강효과”, 김학문 등, 한국지반공학회 ⇒ 현장 시험을 통하여 개량풍화토의 탄성계수와 포아송비를 측정하였다.
- • 사례 Ⅲ : “연약지반내 굴착터널의 안정성 평가 및 최적보강설계에 관한 연구”, 신희순 등, 한국암반공학회 ⇒ 일반적으로 강관다단 그라우팅 및 시멘트 밀크 그라우팅 등에 의하여 토사층 또는 풍화토의 탄성계수가 20~40배 가량 증대되는 것으로 알려져 있다고 언급한 후, 지반보강이 실시된 영역에 대하여 탄성계수를 보강전의 10배를 적용하였다.
- • 사례 Ⅳ : “Umbrella Arch 공법에 의한 터널 천단부 보강시 주변지반의 거동에 관한 연구”, 배규진 등, 한국암반공학회 ⇒ 현장에서 시공전과 시공후의 지반개량 효과를 파악하기 위해 풍화암층 구간에 위치한 터널막장 천단부에서 수평천공 후, 공내재하시험을 실시하였다.
- • 사례 Ⅴ : “Umbrella Arch 공법이 적용된 터널의 3차원 유한요소해석에 관한 연구”, 문현구 등, 한국암반공학회 ⇒ 풍화암의 탄성계수와 포아송비의 실측치와 강관과 그라우트 구근의 면적비를 이용하여 등가탄성계수를 구하는 방법을 제시하였다.
- 3. 터널내부 보조공법으로는 대구경 강관다단 그라우팅, 소구경 강관다단 그라우팅을 선정하였다.
- 3차원 수치해석에 적용한 입력 물성치는 실시설계 보고서(터널해석보고서, p 97)에서 산정한 물성치를 적용하는 것으로 계획하였으며, 암반 파쇄상태와 시공 중 공내 재하시험 결과를 고려하여 각 해석 구간별 적용한 물성치는 표 16과 같다.
- 4. 터널 보강 시 토피고가 확보되지 않는 계곡부 1구간 및 3구간은 시공성 및 장비 진입여부를 고려하여 토사 되메우기 공법, 콘크리트 보강공법 및 개착공법을 검토하였다. 개착공법의 경우 표준 경사를 적용할 경우 최대 비탈면 높이가 1구간의 경우 49m이며, 3구간의 경우 45m로 별도의 비탈면 안정대책 등이 필요한 것으로 분석되어 장비 진입성 등을 고려하여 향후 되메움 토사 유출에 따른 터널 안정성 저하요소가 없는 상부 콘크리트 보강공법을 적용하였다.
- 터널 보강 시 토피고가 확보되지 않는 계곡부 1구간 및 3구간은 시공성 및 장비 진입여부를 고려하여 토사 되메우기 공법, 콘크리트 보강공법 및 개착공법을 검토하였다. 개착공법의 경우 표준 경사를 적용할 경우 최대 비탈면 높이가 1구간의 경우 49m이며, 3구간의 경우 45m로 별도의 비탈면 안정대책 등이 필요한 것으로 분석되어 장비 진입성 등을 고려하여 향후 되메움 토사 유출에 따른 터널 안정성 저하요소가 없는 상부 콘크리트 보강공법을 적용하였다.
- 38m로 극 저토피부가 있으며, 시공 중 시추조사 결과 터널 굴착영역 대부분에 암반이 출현하며 심한파쇄 상태로 예측되었다. 따라서 상기 제시한 터널 내부보조공법, 지보패턴 변경 및 극 저토피 보강안을 고려하여 계곡부 1구간과 동일한 보강대책(안)을 검토 하였다.
- 14m로 극 저토피부가 있으며, 풍화암의 심도가 깊어 터널 바닥까지 풍화암이 존재하는 것으로 예측되었다. 따라서 상기 제시한 터널 내부보조공법, 지보패턴 변경 및 극 저토피 보강안을 고려하여 다음표 15와 같이 보강대책(안)을 검토 하였다.
- 62m로 터널 내부보조공법인 강관다단 그라우팅 시공성 확보를 위한 충분한 토피고가 확보되는 것으로 나타났으나, 대상 구간에서 수행된 실시설계 시추(TB-3)결과를 토대로 판단할 때 암반층이 심한 파쇄상태를 나타낼 것으로 판단된다. 따라서 상기 제시한 터널 내부보조공법, 지보패턴을 고려하여 다음과 같이 지보패턴을 하향 변경 적용하는 것으로 계획하였다.
- 1m(상향)이며 터널 하부까지 풍화대가 존재할 것으로 추정되었다. 따라서 터널 상부에는 터널내부 보조공법인 강관다단 그라우팅 시공성 및 토피고를 확보하기 위하여 상부 콘크리트 보강을 실시하였다.
- 보조(보강)공법 중 본 과업에 적합할 것으로 판단되는 천단 및 막장 안정을 위한 공법은 소구경 강관다단 그라우팅공법, 대구경 강관 다단 그라우팅공법 및 차수 그라우팅공법 등이 있으며, 현장 조건 등을 고려하여 실시설계 시 적용된 소구경 강관다단 그라우팅공법, 대구경 강관다단 그라우팅공법 및 차수 그라우팅공법을 지반 및 지형조건에 따라 적용하는 것으로 결정하였다(표 12).
- 본 Program은 8절점, 6절점의 평면 변형요소, 2절점의 Beam, Truss, spring요소 등을 포함 하고 있어 다양한 지반해석에 사용할 수 있으며, 일반적으로 3차원 터널안정 해석 수행시에는 숏크리트, 강관다단그라우팅은 Beam요소, 지반은 8절점 및 6절점의 평면 변형요소를 사용하여 해석을 수행한다.
- 따라서 현장조건과 부합하는 지보패턴의 변경을 통하여 안정성을 확보할 수 있다. 본 검토구간은 기적용된 터널형상 및 지보패턴을 최대한 활용하여 굴착단면적의 변경 없이 지보패턴을 추가하는 방안을 수립하였다. 수립된 추가 지보패턴(안)은 표 13과 같다.
- 터널 계곡부 1구간 및 3구간 평택방향은 최소 토피고가 2.14m 및 3.38m로 극 저토피부에 해당되어 개착공법, 상부 보강공법(상부 콘크리트 보강공법, 상부 토사 되메우기 공법)에 대한 검토를 실시하였다.
- 터널 안정해석은 계곡부를 통과하는 노은1터널의 안정성을 확보하기 위하여 수립된 보강대책에서 터널 안정성 확보 여부를 판단하기 위하여 수행하였으며, 지형적인 조건을 고려할 수 있도록 3차원 수치해석을 계곡부 3개소에 대하여 수행하였다.
- 해석시 지반의 변형계수가 크지 않은 불량지반일수록 변형억제 효과가 우수한 보강효과를 고려하기 위하여 아래와 같은 연구사례들을 조사한 결과 보강된 붕적층은 보강전의 10배, 암반은 4.0배 정도 증가시켜 적용하였다.
대상 데이터
- 지보재 물성치는 기 설계자료를 적용하였다. (표 17)
이론/모형
- 3차원 수치해석에 사용한 프로그램은 MIDA/GTS 3D이며, 지반요소의 거동을 고려하기 위해서 Mohr-Coulomb, Drucker-Prager, Hoek-Brown Yield Criteria등의 파괴규준을 사용하고, 기타요소의 거동을 고려하기 위해서는 General Elastic-Perfectly Plastic Theory이 파괴기준을 사용한다.
- 6m(상향)이며 터널 주변지반은 파쇄가 심한 암반으로 형성되어 있을 것으로 추정된다. 따라서 토피고가 약 1D정도 형성되는 상향방향은 강관다단 그라우팅 공법을 적용하였다.
성능/효과
- 1,2,3구간에 대한 수치해석 결과 천단·내공 변위 모두 허용치인 20.0mm이내인 것으로 검토되었으며, 숏크리트 압축응력과 락볼트 축력도 허용치 이내 인 것으로 검토되었다.
- 5. 계곡부 1구간은 지형적으로 최소 토피고가 2.1m(상향)이며 터널 하부까지 풍화대가 존재할 것으로 추정되었다. 따라서 터널 상부에는 터널내부 보조공법인 강관다단 그라우팅 시공성 및 토피고를 확보하기 위하여 상부 콘크리트 보강을 실시하였다.
- 6. 계곡부 2구간은 지형적으로 최소 토피고가 12.6m(상향)이며 터널 주변지반은 파쇄가 심한 암반으로 형성되어 있을 것으로 추정된다. 따라서 토피고가 약 1D정도 형성되는 상향방향은 강관다단 그라우팅 공법을 적용하였다.
- 개착공법의 경우 1구간 및 3구간의 지형적인 조건이 급경사지를 이루고 있어 중간 개착부를 형성하는 하는 경우 1구간의 경우 표준 경사를 적용하는 경우 최대 49m의 대절토 비탈면이 형성되며, 3구간의 경우에도 최대 45m의 대절토 비탈면이 형성되는 것으로 나타났다(표 14, 그림 6, 7).
- 계곡부 2구간은 최소 토피고 12.62m로 터널 내부보조공법인 강관다단 그라우팅 시공성 확보를 위한 충분한 토피고가 확보되는 것으로 나타났으나, 대상 구간에서 수행된 실시설계 시추(TB-3)결과를 토대로 판단할 때 암반층이 심한 파쇄상태를 나타낼 것으로 판단된다. 따라서 상기 제시한 터널 내부보조공법, 지보패턴을 고려하여 다음과 같이 지보패턴을 하향 변경 적용하는 것으로 계획하였다.
- 수치해석결과 최대천단변위는 평택방향 -1.93mm, 제천방향 -3.85mm, 최대내공변위 평택방향 -1.93mm, 제천방향 -1.40mm 내외로 나타났으며, 숏크리트 최대휨 압축응력은 2.70 MPa, 락볼트 최대 축력은 49.88 KN/ea로 나타나 허용치를 모두 만족하는 것으로 검토되었다.
- 수치해석결과 최대천단변위는 평택방향 -5.58mm, 제천방향 -7.85mm, 최대내공변위 평택방향 -4.50mm, 제천방향 -2.70mm 내외로 나타났으며, 숏크리트 최대 휨 압축응력은 2.29 MPa, 락볼트 최대 축력은 61.93 KN/ea로 나타나 허용치를 모두 만족하는 것으로 검토되었다.
- 수치해석결과 평택방향과 제천방향 최대천단변위와 내공변위 모두 -1.00mm 내외로 나타났으며, 숏크리트 최대 휨 압축응력은 1.72 MPa, 락볼트 최대 축력은 7.84 KN/ea로 나타나 허용치를 모두 만족하는 것으로 검토되었다.
- • 사례 Ⅳ : “Umbrella Arch 공법에 의한 터널 천단부 보강시 주변지반의 거동에 관한 연구”, 배규진 등, 한국암반공학회 ⇒ 현장에서 시공전과 시공후의 지반개량 효과를 파악하기 위해 풍화암층 구간에 위치한 터널막장 천단부에서 수평천공 후, 공내재하시험을 실시하였다. 시험결과, 지반 보강 후 탄성계수가 약 4배 정도 증가하였다고 한다.
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