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문제 정의
- 본 고에서는 확폭 갱구부의 추가 지반조사 결과, 변형 및 터널 손상원인 분석, 보강대책 수립에 대해 중점적으로 기술하였다.
제안 방법
- (3) 갱구부 가시설 보강대책으로 H-Pile 절단부 보강, 지상보강 그라우팅, 띠장(수평 및 경사)과 앵커 추가, 갱구부 압성토를 시행하였다.
- (4) 기 굴착구간 확폭터널 보강대책으로 천장부 강관보강 그라우팅, 굴진장 축소, 강지보 규격확대 및 설치간격 축소, 측벽지지파일 설치를 계획하였다.
- ○○터널 종점 확폭 갱구부 구간에 발생한 변형 및 손상원인을 분석하고 보강대책을 수립하기 위해 추가 지반 조사(시추조사, 굴진면 관찰자료, 현장시험 및 실내시험 등)를 수행하였다.
- 인 대단면 터널로 계획되어 있다. 또한, 당초 실시설계시 적용된 표준지보패턴은 비교적 양호한 연암~경암의 갱구부 지반조건을 고려하여 표 1과 같이 계획하였다. 특히, 확폭 갱구부 지보패턴인 PWC-4,5의 경우 굴착중 변형을 최소화하기 위하여 측벽선진도갱 굴착을 계획하였으며, 터널 천장부 보조공법으로 소구경 강관보강 그라우팅을 계획하였다.
- 5m)과 기존 지보재(LG-115))를 제거하고 강성이 큰 H형 강지보(H-150)를 적용하는 것으로 계획하였다. 또한, 상반 굴착시 터널변형으로 인한 굴착하중이 터널 양측 각부에 집중하게 되므로 터널 측벽 및 하반의 내측변형에 의한 이완력을 방지하여 지지력을 향상시킬 수 있도록 측벽지지파일을 계획하였다(표 4).
- 추가 설치되는 띠장은 기존 H-Pile 및 띠장과 용접연결을 통해 H-Pile 간 하중전달이 원활하도록 계획하였으며, 가시설 H-Pile 덧댐 보강재를 설치한 후, 추가 경사띠장을 설치하여 앵커 지지하중이 H-Pile에 전달되도록 계획하였다. 또한, 수평 및 경사띠장에 설치되는 앵커는 기존 앵커와 최대한 간섭되지 않도록 계획하였다(그림 16).
- 숏크리트 균열 발생 이후 터널의 내공변형 경향을 파악하기 위해 터널내공 검측을 수행하였다. 검측결과, 그림 8과 같이 갱구 위치에서는 좌측 어깨부에서 내측으로 큰 변위가 발생하고 우측 어깨부에서는 외측으로 큰 변위가 발생한 것으로 확인되었다.
- 지금까지 ○○터널 종점 확폭 갱구부의 지반조건이 당초설계 대비 매우 불량하여 터널 굴착 중 가시설 변형 및 터널 손상이 발생한 사례를 중심으로 기술하였다. 이상의 내용을 요약하면 다음과 같다.
- 지지력이 소실된 H-Pile 절단부의 집중된 응력을 주변 H-Pile 및 띠장에 전이시켜 안정성이 확보되도록 추가로 띠장(수평 및 경사) 및 앵커를 설치하였다. 추가 설치되는 띠장은 기존 H-Pile 및 띠장과 용접연결을 통해 H-Pile 간 하중전달이 원활하도록 계획하였으며, 가시설 H-Pile 덧댐 보강재를 설치한 후, 추가 경사띠장을 설치하여 앵커 지지하중이 H-Pile에 전달되도록 계획하였다.
- 추가 설치되는 띠장은 기존 H-Pile 및 띠장과 용접연결을 통해 H-Pile 간 하중전달이 원활하도록 계획하였으며, 가시설 H-Pile 덧댐 보강재를 설치한 후, 추가 경사띠장을 설치하여 앵커 지지하중이 H-Pile에 전달되도록 계획하였다.
- 또한, 당초 실시설계시 적용된 표준지보패턴은 비교적 양호한 연암~경암의 갱구부 지반조건을 고려하여 표 1과 같이 계획하였다. 특히, 확폭 갱구부 지보패턴인 PWC-4,5의 경우 굴착중 변형을 최소화하기 위하여 측벽선진도갱 굴착을 계획하였으며, 터널 천장부 보조공법으로 소구경 강관보강 그라우팅을 계획하였다.
- 확폭 갱구부 구간의 지층분포 및 상태를 파악하기 위하여 그림 9와 같이 수직시추 2공, 수평시추 1공을 수행하였다.
- 확폭 갱구부 기굴착 구간(L=6m)은 터널 굴착 중 과다 변형에 의하여 압성토를 수행한 상태로, 갱구부 지상그라 우팅 및 터널 천장부 강관보강 그라우팅(TAS)에 의한 터널 주변지반 개량 후 압성토 굴착(굴진장 1.0m → 0.5m)과 기존 지보재(LG-115))를 제거하고 강성이 큰 H형 강지보(H-150)를 적용하는 것으로 계획하였다.
- 확폭 갱구부의 가시설 H-Pile(엄지말뚝) 절단부는 당초설계시 양호한 지반조건을 고려하여 별도의 H-Pile 절단부 보강없이 수평띠장 및 앵커력에 의해 지지되도록 계획하였으나, 추가 지반조사 결과를 반영하여 H-Pile 절단부의 연직하중을 가시설 보강 브라켓을 통해 공사용 갱문 가시설에 지지되도록 계획하였다(그림 15).
- 확폭 갱구부의 불량한 지반조건, 낮은 피복두께 및 확폭터널(터널폭(B)=약 19m) 단면을 고려할 경우, 기시공된 갱구부 강관보강 그라우팅(TAS) 1열의 보강구간(L=6m)의 지보량은 부족한 것으로 판단되어 그림 17과 같이 기존 갱구부 강관보강 그라우팅 상부에 추가로 강관보강 그라우팅을 계획하였다.
대상 데이터
- 본 검토는 ○○터널 종점 확폭 갱구부(터널폭, B=19.02m) 손상구간의 보강사례이다. ○○터널 종점 확폭 갱구부는 가시설을 이용하여 비탈면 절취면적을 최소화하였으며, 확폭 갱구부 6m 굴착중 공사용 갱문 접속부에서 숏크리트 균열 및 가시설 변형이 발생하였다.
성능/효과
- (1) ○○터널 종점 확폭 갱구부는 H-Pile, 어스앵커, 토류판, 숏크리트 및 록볼트의 가시설로 시공되어 있으며, 확폭터널 6.0m구간 굴착 중 갱구부와 NATM 접속부에서 과다변형에 의한 손상이 발생하였다.
- (2) 갱구부 가시설 및 터널 변형양상, 갱구부 숏크리트 균열이력 및 추가 지반조사 결과를 토대로 분석한 결과, 갱구부 숏크리트 균열 및 터널 손상원인은 크게 ①지반조건 불량 ②H-Pile 절단부 응력집중 ③ 터널지보량 부족 등 인 것으로 판단되었다.
- ○○터널 종점 확폭 갱구부에서 발생된 변형에 의한 지보재 손상은 당초설계 대비 불량한 지반조건, 가시설 H-Pile 절단부의 응력집중 및 터널 지보량 부족 등이 복합적으로 반영된 원인에 기인하는 것으로 판단되었다.
- 가시설 및 터널 굴착구간의 변형양상, 균열발생 현황, 추가 지반조사 결과 등을 토대로 확폭 갱구부 변형 및 손상에 대한 원인분석 결과, 불량한 지반조건에 의한 과다 변형 및 응력집중과 지보량이 부족한 것으로 검토되었다.
- 갱구부 가시설 띠장의 변형발생 현황검토를 위하여 검측을 수행한 결과, 그림 6과 같이 1단 띠장은 16.6cm, 2단 띠장은 17.1cm의 침하가 발생한 것으로 확인되었다.
- 숏크리트 균열 발생 이후 터널의 내공변형 경향을 파악하기 위해 터널내공 검측을 수행하였다. 검측결과, 그림 8과 같이 갱구 위치에서는 좌측 어깨부에서 내측으로 큰 변위가 발생하고 우측 어깨부에서는 외측으로 큰 변위가 발생한 것으로 확인되었다. 터널 기 굴착구간에서는 천단부 및 어깨부에서 내측으로의 큰 변위가 발생한 것으로 확인되었다.
- 그림 11은 당초 실시설계 및 추가지반조사 결과 작성된 지층 종단면도/횡단면도를 도시한 것으로, 확폭 갱구부의 지반조건은 당초 실시설계시 풍화암~경암으로 평가하였으나 추가지반조사 결과 터널 천단부까지 토사층이 깊게 분포하고 RMR 평가가 단층 점토대 및 단층파쇄대가 폭넓게 분포하는 것으로 확인되었다.
- 당초 설계시 터널구간의 지반보강을 위해 강관보강그라우팅을 2중첩(종간격 6.0m)으로 계획하였으나, 갱구부 첫 굴진면에서는 1열만 계획되어 있어 갱구부 6m 구간(굴착구간)은 중첩효과를 기대할 수 없는 상황이었으며, 시공시 적용된 격자지보(LG-115)는 시공성 및 경제성 측면에서 다소 유리하나 본 구간과 같이 터널단면이 크고 지반조건이 불량한 경우에는 강성이 부족했던 것으로 판단되었다.
- 추가 지반조사 결과 갱구 좌측부의 단층 점토대, 우측부의 단층 파쇄대 및 깊은 심도의 토사층 분포 등으로 당초 설계 지반조건 대비 매우 불량한 상태로 확인되었으며, 갱구 좌측의 계곡부를 통한 다량의 지하수 유입으로, 갱구부 지반의 풍화가 더욱 심화되어 강도특성이 매우 불량한 것으로 판단된다. 따라서, 터널 갱구 형성 및 터널 굴착에 의해 갱구부 지반의 이완력이 갱구부 가시설 및 터널 좌측부에 집중되어 공사용 갱문의 숏크리트 균열 및 터널손상이 발생한 것으로 판단되었다(그림 13).
- ○○터널 종점 확폭 갱구부에서 발생된 변형에 의한 지보재 손상은 당초설계 대비 불량한 지반조건, 가시설 H-Pile 절단부의 응력집중 및 터널 지보량 부족 등이 복합적으로 반영된 원인에 기인하는 것으로 판단되었다. 따라서, 표 3과 같이 갱구부 가시설 및 터널 안정성 확보대책으로 구분하여 상세 보강대책 검토를 수행하여 적용한 결과, 현재 안정성이 확보된 상태로 시공이 완료되었다.
- 추가 지반조사 결과 갱구 좌측부의 단층 점토대, 우측부의 단층 파쇄대 및 깊은 심도의 토사층 분포 등으로 당초 설계 지반조건 대비 매우 불량한 상태로 확인되었으며, 갱구 좌측의 계곡부를 통한 다량의 지하수 유입으로, 갱구부 지반의 풍화가 더욱 심화되어 강도특성이 매우 불량한 것으로 판단된다. 따라서, 터널 갱구 형성 및 터널 굴착에 의해 갱구부 지반의 이완력이 갱구부 가시설 및 터널 좌측부에 집중되어 공사용 갱문의 숏크리트 균열 및 터널손상이 발생한 것으로 판단되었다(그림 13).
- 추가 지반조사 결과, 당초설계 지반조건 대비 토사층(풍화토)은 깊고, 풍화암 및 연암은 대규모 단층의 영향으로 단층 변질대(단층 점토대-A,B 및 단층 파쇄대-A,B)에 해당되는 것으로 파악되었다(표 2, 그림 10).
- 확폭 갱구부 굴착구간(6m 굴진)에 대한 굴진면 관찰자료 분석결과, 굴착면 대부분이 풍화 및 변질로 인해 토사(점토)화되어 RMR 평가가 불가한 지반상태로 평가되었으며, 비교적 폭넓게 단층점토 및 파쇄대가 형성되어 있고 굴진면을 통하여 지하수가 유출되는 습윤상태인 것으로 확인되었다(그림 12).
후속연구
- 본 사례와 같이 갱구부의 지반조건이 매우 불량할 경우에는 터널 굴착을 위해 H-Pile(엄지말뚝) 절단시 H-Pile 절단부의 하중을 충분히 지지하도록 H-Pile 절단부에 대한 보강계획이 반드시 필요하며, 시공중 선진수평시추 등을 수행하여 터널 굴착전에 지반상태를 면밀히 분석하여 적절한 보강대책 수립이 필요한 것으로 판단된다.
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