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문제 정의
- 본고에서는 경부고속철도 6-4A 공구 노반신설 기타공사 현장의 식장터널 시점부 연약복합지반 구간의 굴착 및 보강사례를 소개하였으며, 주요 검토 내용들을 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- (2) 두 차례의 선진수평보링 결과 및 선행변위 계측을 위해 설치된 수평경사계의 계측 결과 등을 활용하여 연약대 구간에 대한 전산해석을 실시하였으며, 5 Type 지보 패턴 및 6 Type 지보패턴의 지보 효과 및 최적의 보조 공법 적용 방안을 검토하였다.
- (3) 전산해석 결과를 반영하여 연약대 구간의 터널 안정성 확보를 위해 지보패턴을 기존 5 Type 에서 6 Type으로 변경하였으며, 보조공법으로 대구경 강관다단 그라우팅을 적용하였다. 대구경 강관다단 그라우팅의 설치 간격은 터널 상부의 토피고를 고려하여 6.
- (4) 당 현장에서 지속적으로 문제가 되고 있는 강관다단 하부의 붕락 또는 여굴 발생에 따른 안전 사고 문제 및 강관다단 시공각도 준수를 위한 공간 확보를 위해 변단면 지보를 적용하였다.
- (5) 터널 하반 굴착시 상반과 같은 풍화대가 나타난 경우에는 측벽 록볼트의 보강 효과가 거의 없을 것으로 예상되기 때문에 측벽 및 하반의 지반 이완 방지를 위해 강관보강 레그파일 및 측벽파일을 적용하도록 계획하였다.
- Sta. 158km 080.6 지점에서는 원설계 지보패턴대로 소구경 강관다단 그라우팅을 적용하였으나, 굴착 중소구경 강관이 탈락하였으며, 이 후 암판정을 실시하여 158km101.4까지 6 Type의 지보패턴을 적용하였다.
- Sta. 158km 090 단면에서는 5 Type 지보패턴(소구경 보강 그라우팅 적용)과 6 Type 지보패턴(대구경 보강 그라우팅 적용)에 대한 지보 효과를 비교 검토하였다. 5 Type 지보패턴의 경우 터널의 최대 변위는 약 16.
- 따라서 Sta. 158km 130 단면에서 6 Type 지보패턴(대구경 보강 그라우팅 적용)에 대한 적용성 및 추가적인 보강 공법의 적용 여부를 검토하였다. 6 Type 지보패턴(대구경 보강 그라우팅 적용)에 대한 해석 결과 터널의 최대 변위는 약 14mm가 발생하였고, 숏크리트 허용응력이 허용치를 넘는 것으로 나타나 전체적으로 터널이 불안정한 것으로 해석되었다.
- 158km 145 지점 이후로 현재보다 다소 양호한 지반 조건을 보일 것으로 예상되기 때문에 이를 지반 조건에 반영하여 Sta. 158km 160 지점에 대한 안정성 해석을 실시하여 이 구간에 대한 가장 효과적인 지보패턴을 검토하였다. 전산해석 결과 해당 구간은 현재보다 지반 조건은 다소 양호하지만 토피고를 고려해 Sta.
- 6 Type 지보패턴(대구경 강관다단 그라우팅 설치 간격 6.4m)보다 터널의 안정성을 더욱 증대시킬 수 있는 다양한 보조 공법을 생각할 수 있으나, 당 현장에서는 시공의 연속성 등을 고려해서 대구경 강관다단 그라우팅의 설치 간격을 감소시켜 보강하는 방안(6.4m → 4m)을 선택하였다.
- 당 현장에서 지속적으로 문제가 되고 있는 강관다단 하부의 붕락 또는 여굴 발생에 따른 안전사고 문제 및 강관다단 시공각도 준수를 위한 공간 확보를 위해 향후 연약대 구간에 대해 그림 11과 같이 변단면 지보를 적용하도록 계획하였다. 변단면의 적용으로 발생되는 여유 굴착의 처리는 단면적중 50%는 강섬유 보강 숏크리트로 100mm 두께로 수차례 나누어 채우며, 나머지 50%는 라이닝 콘크리트로 채우도록 계획하였다.
- 앞에서 살펴본 것처럼 식장터널 시점부는 터널 구간에 원설계의 예측보다 연약대가 넓게 분포하고 있으며, 원설계에 준하여 적용된 소구경 강관다단 그라우팅이 탈락하고, 강관다단 그라우팅 천공시 지반 교란과 지하수 유출 등으로 인해 터널 굴착시 강관다단 하부에서 국부적인 붕락이 지속적으로 발생하고 있는 현장 현황 등을 고려해 터널의 안정성을 확보할 수 있는 보다 합리적인 보강 방안 및 시공 대책이 요구되는 상황이었다. 따라서 전산해석을 통해 현재의 5 Type 지보 패턴 및 6 Type 지보패턴의 지보 효과를 비교 분석하였고, 보다 합리적인 보강 패턴 및 최적의 보조 공법 적용 방안이 검토되었다.
- 4m로 적요한 경우보다 약 3mm가 감소하였고, 지보재는 모두 허용치를 넘지 않았다. 따라서 해당 구간에서는 6 Type 지보패턴을 적용하면서 대구경 강관다단 그라우팅의 설치 간격을 4m로 적용하여 시공하도록 계획하였다. 전선해석 결과를 요약하면 표 5와 같다.
- 8m의 링컷공법을 적용하였으며, 터널의 보조공법으로는 기존 소구경 강관다단그라우팅을 대구경 강관다단그라우팅으로 대체하였고, 터널의 토피고에 따라 종간격을 변경하였다. 또한 강관다단 그라우팅 적용 하부 지반의 탈락에 따른 안전사고 예방을 위해 변단면 지보공을 적용하였고, 주변지반 이완에 따른 측벽 및 바닥부의 변위를 억제하기 위해 레그파일 및 측벽파일을 시공하였다. 현재 연약대 구간에 대한 상반 굴착 및 보강이 완료되었으며, 계측 결과 터널은 적용된 지보 패턴 및 보조공법으로 안정성을 확보하고 있는 것으로 사료된다.
- 변단면의 적용으로 발생되는 여유 굴착의 처리는 단면적중 50%는 강섬유 보강 숏크리트로 100mm 두께로 수차례 나누어 채우며, 나머지 50%는 라이닝 콘크리트로 채우도록 계획하였다. 또한 터널 하반 굴착시에 상반과 같은 풍화대가 하반부에도 나타날 경우에는 원설계에 적용된 측벽 록볼트의 보강 효과가 거의 없을 것으로 예상되기 때문에 그림 12와 같이 강관보강 레그파일 및 측벽파일을 적용하도록 계획하였다.
- 당 현장에서 지속적으로 문제가 되고 있는 강관다단 하부의 붕락 또는 여굴 발생에 따른 안전사고 문제 및 강관다단 시공각도 준수를 위한 공간 확보를 위해 향후 연약대 구간에 대해 그림 11과 같이 변단면 지보를 적용하도록 계획하였다. 변단면의 적용으로 발생되는 여유 굴착의 처리는 단면적중 50%는 강섬유 보강 숏크리트로 100mm 두께로 수차례 나누어 채우며, 나머지 50%는 라이닝 콘크리트로 채우도록 계획하였다. 또한 터널 하반 굴착시에 상반과 같은 풍화대가 하반부에도 나타날 경우에는 원설계에 적용된 측벽 록볼트의 보강 효과가 거의 없을 것으로 예상되기 때문에 그림 12와 같이 강관보강 레그파일 및 측벽파일을 적용하도록 계획하였다.
- 식장터널 시점부는 지반 조사 결과 풍화대가 깊고, 대부분 토사 및 풍화암으로 구성되어 있을 것으로 판단되어, 터널의 지보패턴으로 P-5 및 P-6 Type을 적용하였고, 터널의 보조공법으로 강관다단그라우팅을 설계에 반영하였다. 그러나 터널 갱구부 20m 구간을 통과한 이후 예상보다 더욱 불량한 지반이 지속적으로 나타났으며, 터널 천단부 및 어깨부에서 시공된 강관이 탈락되고, 소규모 붕락도 발생하는 등 터널의 안정성을 확보할 수 있는 보다 적극적인 굴착 및 보강 방안에 대한 검토가 요구되었다.
- 약 46.4m를 굴착하는 동안 용수의 유출이 많이 발생한 구간에서는 강관다단 하부에서 소규모(여굴 깊이 50cm이하) 또는 중규모(여굴 깊이 50~200cm, 여굴 면적 ＜ 4m2)의 여굴이 발생하였고, 수발공 설치 및 와이어 메쉬, 숏크리트(T=150mm) 등을 이용하여 여굴부를 처리하였다. 시공 중 관찰된 막장 현황은 그림 5와 같다.
- 158km 090 지점의 변위 발생 현황은 그림 10과 같으며, 수평경사계의 위치(터널 상부 7m)에서 총 변위는 약 5∼6mm 정도 발생된 것으로 확인되었다. 최종적으로 역해석을 통해 상반 굴착이 완료된 이후의 변위 발생 양상이 가장 비슷하게 발생되는 입력치를 연약대의 물성으로 결정하였다.
- 터널 굴착 중 지속적으로 연약대 구간이 출현하여 막장 전방의 보다 면밀한 지반 현황을 파악하기 위해 두 차례 선진수평보링 조사를 실시하였다. 1차 선진수평보링은 158km088.
- 따라서 선진수평 보링 조사를 통해 전방의 지반 조건을 확인하고, 선진수평경사계의 선행변위 계측 결과를 활용한 역해석을 통해 터널의 안정성을 확보할 수 있는 굴착 및 보강 방안이 검토되었다. 터널 굴착은 굴진장 0.8m의 링컷공법을 적용하였으며, 터널의 보조공법으로는 기존 소구경 강관다단그라우팅을 대구경 강관다단그라우팅으로 대체하였고, 터널의 토피고에 따라 종간격을 변경하였다. 또한 강관다단 그라우팅 적용 하부 지반의 탈락에 따른 안전사고 예방을 위해 변단면 지보공을 적용하였고, 주변지반 이완에 따른 측벽 및 바닥부의 변위를 억제하기 위해 레그파일 및 측벽파일을 시공하였다.
- 전산해석은 2차원 유한요소법에 의한 지반 및 구조해석 프로그램으로 시공단계를 고려할 수 있는 MIDAS/GTS를 사용하였다. 해석 범위는 주 관심 부분의 계산결과에 경계조건의 영향이 미치지 않도록 하고, 터널 굴착에 따른 지반의 응력 영향권 전 영역을 해석 영역으로 설정하기 위해서 경계조건이 해석에 영향을 미치지 않도록 측면 경계 3D 및 하부(바닥) 경계 3D를 해석영역으로 설정하였고, 상부를 지표면으로 설정하였다. 해석 단계는 표 2와 같이 적용하였으며, 적용된 측압계수는 0.
- 0이다. 해석에 적용된 지반 물성치는 표 3과 같으며, 강관다단 그라우팅 보강 지반의 물성치는 그라우팅 물성, 강관 물성, 지반의 물성 등을 종합적으로 고려하여 등가 환산 특성치를 적용하였다. 그림 8 및 그림 9는 Sta.
대상 데이터
- 수평경사계는 Sta. 158km 067.8 지점부터 약 30m 전방 구간까지 연약복합지반 터널 시공에 따른 선행 변위 계측을 위해 실시되었다. 수평경사계에서 측정되는 변위는 막장의 굴착 전에 발생하는 선행변위와 굴착 직후의 최초 계측 시점 사이에서 발생되는 초기변위 그리고 시간 경과에 따라 측정되는 계측변위 등으로 나뉘며, 굴착이 완료된 이후 일정 시간 이후 계측 결과가 수렴된 이후의 계측 변위는 해당 지점에서 발생한 총 변위에 해당된다.
- 전산해석을 위해 사용된 연약대 구간의 물성치는 Sta. 158km 090 지점의 실제 공사 현황 및 수평경사계를 이용해 계측된 수직변위를 입력치로 한 역해석 결과를 반영하였다. 수평경사계는 Sta.
- (3) 전산해석 결과를 반영하여 연약대 구간의 터널 안정성 확보를 위해 지보패턴을 기존 5 Type 에서 6 Type으로 변경하였으며, 보조공법으로 대구경 강관다단 그라우팅을 적용하였다. 대구경 강관다단 그라우팅의 설치 간격은 터널 상부의 토피고를 고려하여 6.4m와 4m로 적용하였다.
- 해당 공사는 기존 경부선 철도를 이용하고 있는 대전 도심 통과 구간에 KTX 전용 선로를 신설하는 공사로, 대상 현장은 경부고속철도 6-4A 공구 노반신설 기타공사 현장이며, 그림 1과 같이 토공(L=30m) 및 터널공(식장터널, L=4,498m)으로 구성되어 있다.
이론/모형
- 전산해석은 2차원 유한요소법에 의한 지반 및 구조해석 프로그램으로 시공단계를 고려할 수 있는 MIDAS/GTS를 사용하였다. 해석 범위는 주 관심 부분의 계산결과에 경계조건의 영향이 미치지 않도록 하고, 터널 굴착에 따른 지반의 응력 영향권 전 영역을 해석 영역으로 설정하기 위해서 경계조건이 해석에 영향을 미치지 않도록 측면 경계 3D 및 하부(바닥) 경계 3D를 해석영역으로 설정하였고, 상부를 지표면으로 설정하였다.
성능/효과
- (1) 식장터널 시점 갱구부 20m 구간을 통과한 이후 원 설계의 예측보다 더욱 불량한 지반이 지속적으로 나타났으며, 시공 중 터널 천단부 및 어깨부에서 시공된 강관이 탈락되고, 소규모 붕락도 발생하였기 때문에 터널의 안정성을 확보할 수 있는 보다 적극적인 굴착 및 보강 방안에 대한 검토가 요구되었다.
- (6) 식장터널 시점부 연약복합지반 구간은 현재 상반 굴착이 완료된 상태이며, 하반 굴착 작업을 시행중이며, 현재까지의 계측 결과를 고려할 때 터널은 안정성을 확보하고 있는 것으로 사료된다.
- Sta. 158km 090 단면에 대한 안정성 해석 결과 6 Type 지보패턴 적용 시 안정한 것으로 나타났으나, 터널이 굴착됨에 따라 터널 상부의 토피고가 증가하기 때문에, 연약대 구간이 지속될 경우 토피고의 증가는 터널에 불안정한 요인으로 작용될 수 있다. 따라서 Sta.
- 158km 090 지점의 변위 발생 현황은 그림 10과 같으며, 수평경사계의 위치(터널 상부 7m)에서 총 변위는 약 5∼6mm 정도 발생된 것으로 확인되었다.
- 전산해석 결과 해당 구간은 현재보다 지반 조건은 다소 양호하지만 토피고를 고려해 Sta. 158km 130 지점과 동일하게 6 Type 지보패턴을 적용하면서 대구경 강관다단 그라우팅의 설치 간격을 4m로 적용하는 것이 바람직한 것으로 검토되었다. 전선해석 결과를 요약하면 표 6과 같다.
- 4 지점에서 전방 약 70m 구간에 대해 수행되었다. 2차 선진수평보링 결과 그림 7과 같이 전방 45.5m 구간(Sta. 158km 147 지점)까지 현재의 막장과 비슷한 지반 조건을 나타냈고, 전방 45.5m 구간에서 67.5m(Sta. 158km 169 지점)까지는 전반적으로 파쇄가 심한 상태이나 현 막장보다 다소 양호한 상태였으며, 전방 67.5m(Sta. 158km 169 지점) 이후로는 연경암 정도의 화강암이 출현하였다.
- 158km 130 단면에서 6 Type 지보패턴(대구경 보강 그라우팅 적용)에 대한 적용성 및 추가적인 보강 공법의 적용 여부를 검토하였다. 6 Type 지보패턴(대구경 보강 그라우팅 적용)에 대한 해석 결과 터널의 최대 변위는 약 14mm가 발생하였고, 숏크리트 허용응력이 허용치를 넘는 것으로 나타나 전체적으로 터널이 불안정한 것으로 해석되었다. 6 Type 지보패턴(대구경 강관다단 그라우팅 설치 간격 6.
- 4m → 4m)을 선택하였다. 대구경 강관다단 그라우팅의 설치 간격을 4m로 감소한 경우에 대한 해석 결과 터널의 최대 변위는 약 10.9mm로 설치 간격을 6.4m로 적요한 경우보다 약 3mm가 감소하였고, 지보재는 모두 허용치를 넘지 않았다. 따라서 해당 구간에서는 6 Type 지보패턴을 적용하면서 대구경 강관다단 그라우팅의 설치 간격을 4m로 적용하여 시공하도록 계획하였다.
- 6mm로 5 Type 지보패턴에 비해 약 7mm 정도가 감소하며, 지보재는 모두 허용치를 넘지 않았다. 따라서 해당 구간에서는 5 Type 지보패턴보다 6 Type 지보패턴을 적용하는 것이 바람직한 것으로 판단되었다. 전선해석 결과를 요약하면 표 4와 같다.
- 따라서 선진수평 보링 조사를 통해 전방의 지반 조건을 확인하고, 선진수평경사계의 선행변위 계측 결과를 활용한 역해석을 통해 터널의 안정성을 확보할 수 있는 굴착 및 보강 방안이 검토되었다.
- 터널 시점부 및 과업 구간의 대부분을 차지하는 창리층 천매암질 편암은 대체로 편리 구조가 잘 발달되어 있으며, 암질이 불량하고 파쇄대가 발달되어 있는 것으로 조사되었다.
- 터널 시점부 및 과업 구간의 대부분을 차지하는 창리층 천매암질 편암은 대체로 편리 구조가 잘 발달되어 있으며, 암질이 불량하고 파쇄대가 발달되어 있는 것으로 조사되었다. 터널 시점부는 지형 경사가 완만하고 대부분 표토층으로 덮여 있어 노두의 발달이 빈약하였으며, 지형적 특징과 지표지질 조사 결과 매우 두꺼운 풍화대가 분포하고 있을 것으로 예상되었다.
- 또한 강관다단 그라우팅 적용 하부 지반의 탈락에 따른 안전사고 예방을 위해 변단면 지보공을 적용하였고, 주변지반 이완에 따른 측벽 및 바닥부의 변위를 억제하기 위해 레그파일 및 측벽파일을 시공하였다. 현재 연약대 구간에 대한 상반 굴착 및 보강이 완료되었으며, 계측 결과 터널은 적용된 지보 패턴 및 보조공법으로 안정성을 확보하고 있는 것으로 사료된다.
- 식장터널 시점부 연약대 구간은 현재 상기에서 제안된 지보패턴 및 보조 공법을 적용하여 상반 굴착이 완료된 상태이며, 하반 굴착 작업을 시행중에 있다. 현재까지의 계측 결과를 고려할 때 터널의 연약대 통과 구간은 안정성을 확보하고 있는 것으로 사료된다. 그림 13은 주요 작업에 대한 시공 현황 모습이다.
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