[논문]도로터널에서 적정한 필라폭 산정에 관한 연구

양태선; 김제경

doi:10.11112/jksmi.2010.14.5.187

도로터널에서 적정한 필라폭 산정에 관한 연구
Study on Determination of Proper Pillar Width in Road Tunnel Design Stage 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.14 no.5 = no.63, 2010년, pp.187 - 194

초록
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산악터널과 달리 도심지 지하도로는 대부분 평야지대에 위치하고 충적층이 두껍게 분포하고 있으며 특히 터널 입 출구부는 병렬터널로 분기되는 지점인 동시에 하향굴착을 하는 관계로 터널 시 종점의 위치선정에 따라 공사비에 미치는 영향이 매우 크게 된다. 또한 병렬터널의 필라폭(PW)은 지하 보상비와 직결되기 때문에 병렬터널의 안정을 확보하면서 동시에 최소의 필라폭(PW)으로 터널을 계획하여야 한다. 국내 도로터널의 필라폭(PW)은 일반적으로 1.5D(D: 터널 최대폭)를 기준으로 하며 일부 터널의 경우 입 출구부 극히 한정된 구간에서만 1.5D(D : 터널 최대폭)이내의 필라폭을 적용한 사례가 있으나 보상비 문제가 아닌 선형계획측면에서 불가피하게 발생한 사례들이다. 본 논문은 NATM형식으로서 국내최초 도심지 지하도로 설계사례를 통해 선형 계획단계에서부터 지하 보상비 및 지반특성을 함께 고려하여 적정 필라폭을 설계한 사례를 소개하고 도심지 병렬터널의 적정 필라폭 결정방법에 대해 기술하였다. 적정 필라폭 결정은 설계 및 시공사례 분석과 수치해석을 통한 강도 감소법과 강도/응력비 방법을 이용하였으며 터널간 초근접으로 인해 필라의 안정성이 불량한 터널 입 출구부는 안정성 확보를 위한 보강방법을 제시하고 수치해석을 통해 안정성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As the design of the pillar width (PW) of the parallel tunnels in downtown area, in which are located in plains zone with deep alluvium compared with mountain tunnels, is directly related with pre-compensation payment and costs of the underground area, it has to be planned as to keep minimum distance while securing the stability of the parallel tunnels. Although PW of downtown road tunnel in Korea is standardized as 1.5D(D: diameter of the tunnels), PW sometimes has to be reduced within 1.5D to adjust the tunnel lines to the city plan in the cases of the inlet and outlet of the tunnels. In this paper, the design and the analyses of optimum PW of the NATM type road tunnel in the downtown area are introduced. The relationship among the tunnel line planning and underground compensation fee, and ground characteristics are evaluated. In the determination of PW distance, the numerical analyses of underground road tunnels were performed, including the use of the strength decrease method and strength/stress ratio method. In the cases of inlet and outlet part of the tunnels where the stability of the pillars is poor due to contiguous construction of the parallel tunnels, the reinforcement methods are recommended for securing the stability. Numerical verification was performed for the reinforcement proposed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 강동-응력비를 이용하여 암반 필라부의 안정성을 평가하였다.
본 연구는 강도감소법을 이용 터널의 안정성을 평가하였다.
본 연구에서는 선형계획 단계에서부터 터널의 안정성을 확보하면서 동시에 공사비도 최소화 한 도심지 근접 병렬터널의 설계사례를 통해 근접 병렬터널의 안정성 측면에서 가장 중요한 부분인 필라폭(Pillar Width, PW) 결정방법에 대해 수치 해석적 검토를 수행 하였다. 또한 필라폭이 부족한 터널 입·출구부는 안정성 확보를 위한 보강 방법을 제시하고 수치해석을 통해 안정성을 검증하였다.
설계시에 적용된 지보 설계 및 보강공법에 대하여 적정성을 검토하였다. Fig.
터널의 안정성을 정량적으로 평가하기 위해 강도감소기법에 기초하여 수치 해석시 터널의 안전율을 구하는 방법이 제시된 바 있으며(유광호 등, 2000), 본 연구에서는 이 방법을 적용하여 터널의 안정성을 평가하였다. 터널해석에서 강도감소기법을 사용하려면 실제 지반의 점착력(c)과 내부마찰각(Ф)을 시험 안전율(F_trial)로 나누어 일련의 해석을 반복 수행하여 터널의 안전율을 구한다.
필라의 강도-응력비가 필라 전체의 안전율을 표현하지는 않지만 진행성 파괴나 응력 전이과정을 고려하여 필라 중앙 단면에서의 평균 강도-응력비가 1.0이하로 되면 필라 전체가 불안해 지는 것이라고 평가하였다.(Hoek and Brown, 1980)

제안 방법

1). 기본 설계에서는 Fig. 2와 같이 건물을 우회하고 지상의 관리사무소와 수직구는 녹지대에 계획하여 지상 보상비를 없앴다. 터널형식은 투아치 터널에서 근접 병렬터널로 변경하였다.
41D)로 감소하여 필라부에 상당한 응력집중이 예상된다. 또한 굴착공법에 따라 터널 전체뿐만 아니라 필라부에도 상당한 영향을 미치므로 분할굴착 공법을 적용하여 시공중 필라부의 안정성을 강도/응력비로 검토하였다.
수치해석을 통해 근접 병렬 터널의 적정 필라폭을 검토하고, 시점부, 본선부, 종점부로 나누어 각각 근접 병렬터널간 필라폭에 따른 터널의 거동을 분석하여 상호 간섭효과 및 필라 거동에 대해 검토하였다. 또한 터널의 굴착순서가 터널 안정성에 상당한 영향을 미치므로 굴착순서에 대해서도 검토를 수행하였으며, 필라부 보강을 위해 프리스트레스의 크기에 따른 검토도 병행하였다. Table 1은 해석 Case를 요약한 것이다.
또한 필라폭이 부족한 터널 입·출구부는 안정성 확보를 위한 보강 방법을 제시하고 수치해석을 통해 안정성을 검증하였다.
민원 및 보상비 최소화 방안등은 도심지 지하도로 터널 계획시 선형계획 단계부터 근접병렬 터널 설계시 적정 필라폭 결정 방법 및 보강방법, 굴착순서 등에 대해 수치해석 검토를 하였다.
지하 보상비 측면에서는 터널 전체 폭이 좁은 투아치 터널이 유리하나 전체공사비 및 시공성, 안정성 등을 고려하면 병렬터널이 보다 유리하다. 병렬터널의 필라폭은 지하 보상비를 최소화하기 위해 일반적인 1.5D(D : 터널 최대폭,12m)보다 좁은 0.41D(5m) ~ 1.0D(12m) 로 계획하였다.(대림산업, 2009)
본 검토는 중앙 암반 필라부의 거동이 중요한 사항이므로 암반 필라의 거동이 잘 나타날 수 있도록 지보재의 설치는 생략하였으며, 좌, 우 터널은 순차적으로 전단면 굴착으로 모사하였다. 또한 터널주변에 미칠 수 있는 영향을 고려하여 해석범위 결정시 좌, 우측면 및 하부경계는 터널 굴착폭의 4배이상으로 하였다.
본 해석에서는 프리스트레스의 크기에 따른 암반필라의 응력상태를 분석하여 필라부 보강효과를 확인하였다. Fig.
수치해석을 통해 근접 병렬 터널의 적정 필라폭을 검토하고, 시점부, 본선부, 종점부로 나누어 각각 근접 병렬터널간 필라폭에 따른 터널의 거동을 분석하여 상호 간섭효과 및 필라 거동에 대해 검토하였다. 또한 터널의 굴착순서가 터널 안정성에 상당한 영향을 미치므로 굴착순서에 대해서도 검토를 수행하였으며, 필라부 보강을 위해 프리스트레스의 크기에 따른 검토도 병행하였다.
지반조사결과 터널 시점부는 RMR IV등급, 본선부는 RMR III, IV등급, 종점부는 RMR III등급의 암반이 분포하는 것으로 확인되어 해석시에는 이를 반영하였으며, 암반필라의 거동이 잘 나타날 수 있도록 지보재 설치는 생략하고 전단면 굴착을 적용하였다. Fig.
터널의 안정성을 정량적으로 평가하기 위해 강도감소기법에 기초하여 수치 해석시 터널의 안전율을 구하는 방법이 제시된 바 있으며(유광호 등, 2000), 본 연구에서는 이 방법을 적용하여 터널의 안정성을 평가하였다. 터널해석에서 강도감소기법을 사용하려면 실제 지반의 점착력(c)과 내부마찰각(Ф)을 시험 안전율(F_trial)로 나누어 일련의 해석을 반복 수행하여 터널의 안전율을 구한다. 이때 시험 안전율과 이에 의해 감소된 지반 물성치는 다음 식(5)와 식(6)과 같은 관계를 갖게 된다.
5D 보다 터널 전구간이 충분한 필라폭을 확보하지 못한 것을 알 수 있다. 특히 시점부 80m, 종점부 40m는 암반 필라의 안정성 확보를 위해 록볼트를 체결하도록 설계하였다. 따라서, 본 터널은 터널 자체의 안정성 확보뿐만 아니라 필라부의 안정성 확보도 동시에 요구된다.
적용 지반 물성치는 지반조사 분석 결과치를 적용하였으며 Table 2와 같다. 해석결과는 필라부에 발생하는 최대 및 최소 주응력을 이용하여 강도/응력비에 의한 안전율, 강도감소기법에 의한 터널의 안전율도 함께 산정하여 암반 필라의 안정성 평가시 참고자료로 활용 하였다.

대상 데이터

연구대상 터널은 도심지 지하 도로로서 상하행선 각각 2차로로 구성되어 있다. Fig.

데이터처리

모델의 좌, 우측 경계는 수평방향, 하부경계는 수직방향 변위를 구속하였다. 해석프로그램은 유한차분 해석코드인 FLAC 2D(ver. 3.0)를 이용하여, Mohr-Coulomb 파괴규준에 의한 탄소성 해석을 수행하였다. Fig.

성능/효과

1) 평면선형 계획시 최대한 사유지 통과배제 및 터널 부대시설(수직구, 관리사무소)의 녹지대 배치를 통해 보상비 부담을 없앨수 있으며 지하 보상비 최소화를 위해 근접병렬 터널로 계획할 수 있다.
2) 암반 필라폭에 따른 중앙부의 평균 강도/응력비를 산정한 결과 시점부, 중앙부, 종점부에 따라 강도/응력비 변화가 크게 나타나므로 필라폭 결정시 고려해야 할 요소이다.
3) 강도-응력비에 의한 필라부 안정성 검토결과 시종점부는 필라폭 0.25D에서도 안정성이 확보되는 것으로 나타나나 이는 대상지점의 토피고는 낮고 필라부 암반의 강도는 상대적으로 높기 때문이다. 반면 본선부는 RMR Ⅳ등급 암반에서는 필라폭 0.
4) 굴착순서에 따른 안정성 검토결과 Case 1, 4와 같이 필라 반대측을 선 굴착할 경우 상대적으로 필라부가 안정한 상태를 유지하는 것으로 나타나며 특히, 필라 반대측 상하반을 모두 선 굴착하는 Case 1경우가 강도-응력비 측면에서는 가장 유리한 것으로 나타났다.
5) 필라부 프리스트레스 적용에 따른 안정성 검토결과 프리스트레스가 증가 할수록 σ₁은 거의 변화가 없으나 σ₂는 증가하여 프리스트레스에 따른 보강효과를 확인 할 수 있으며 지보설계시 적용한 결과도 안정성을 확보하였다.
5D이하의 이격거리에서 낮은 강도/응력비를 나타내므로 국부적인 보강대책 외에도 별도의 필라보강이 필요할 것으로 판단된다. 따라서, 본선부 필라폭 결정시에는 상기의 결과를 반영하여 최소 0.5D이상의 필라폭으로 계획하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
셋째, 대부분 평야지대에 위치하고 충적층이나 풍화대가 깊게 분포한다. 특히 터널 입·출구부는 병렬터널로 분리되는 지점인 동시에 하향굴착을 하는 관계로 터널 입·출구부 위치 및 구조물 형식에 따라 공사비에 미치는 영향이 매우 크다.
도심지 지하도로는 일반적인 산악터널과 달리 다음과 같은 특징이 있다. 첫째, 지상 및 지하에 다양한 형태의 지장물이 존재하기 때문에 선형 계획에 따라 민원뿐만 아니라 보상비 및 보강공사비가 차이가 난다. 둘째, 아래로 오목한 종단으로 구성되기 때문에 자연배수가 불가능하다.
18은 해석지점별 숏크리트와 록볼트에 발생하 응력을 해석단계별로 나타낸 것이다. 필라부프리스트레스(50kN) 적용에 따른 보강록볼트에 발생하는 축력은 55kN으로 나타나 지보재의 안정성을 확보하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	근접 병렬 터널은 어떠한 점 때문에 좀 더 검토가 이뤄져야 한다고 보는가?	근접 병렬 터널은 이격거리를 충분히 확보하고 있으면서 설계 및 시공 경험도 많은 일반적인 산악터널보다 안정성 측면에서 불리한 점이 많으므로 터널 안정성 확보를 위한 추가의 다양한 검토가 있어야 한다(김도식등, 2007).
	도심지 지하도로는 다른 산악터널과 다른 어떤 특징이 있는가?	도심지 지하도로는 일반적인 산악터널과 달리 다음과 같은 특징이 있다. 첫째, 지상 및 지하에 다양한 형태의 지장물이 존재하기 때문에 선형 계획에 따라 민원뿐만 아니라 보상비 및 보강공사비가 차이가 난다. 둘째, 아래로 오목한 종단으로 구성되기 때문에 자연배수가 불가능하다. 따라서 지하도로 터널에 유입되는 우수 및 오수 등을 인공적으로 지상으로 배출시킬 수 있는 배수설비와 공간이 필요하다 셋째, 대부분 평야지대에 위치하고 충적층이나 풍화대가 깊게 분포한다. 특히 터널 입․ 출구부는 병렬터널로 분리되는 지점인 동시에 하향굴착을 하는 관계로 터널 입․ 출구부 위치 및 구조물 형식에 따라 공사비에 미치는 영향이 매우 크다. 또한 병렬터널의 이격거리는 지하 보상비와 직결되기 때문에 터널의 안정을 확보하면서 동시에 최소의 필라폭(PW)으로 계획하는 것이 필요하다.
	서울시에서 하는 도심 재창조 프로젝트의 일환으로 어떤 것이 있는가?	최근 서울시에서는 “맑고 매력있는 세계도시 서울”이라는 비전아래 한강 르네상스 프로젝트, 도심 재창조 프로젝트 등 도시 경쟁력을 높이기 위한 많은 사업들을 추진해 오고 있다. 특히, 도심 재창조 프로젝트의 일환으로 지상의 고가도로는 철거하고 지상도로는 지하화하여 지상도로 공간을 인간중심과 친환경 대중교통 위주로 재편해가고 있다. 도심지 지하도로는 일반적인 산악터널과 달리 다음과 같은 특징이 있다.

참고문헌 (5)

김도식, 김영근, "암반 필라를 포함한 비대칭 근접 병설터널의 안정성 평가에 관한 연구", 한국터널공학회 논문집, vol. 9, No.4, 2007, pp. 387-401

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대림산업, 위례지구 복정사거리 입체화시설 건설공사 기본설계 보고서 및 해석보고서, 대림산업, 2009.
유광호, 박연준, 배규진, "연약 암반층에 굴착된 터널의 안전율 평가", 한국터널공학회 논문집, vol. 2, No.3, 2000, pp. 47-57.

원문보기 상세보기
한국터널공학회, 부산-거제간 연결도로 중죽도 통과구간 근접 터널보강공법 설계검토 연구보고서, 한국터널공학회, 2004.
Hoek, E., Brown E.T., "Underground excavationin rock", Institution of Mining and Metallurgy, 1980.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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