[논문]가압식 지보를 이용한 비개착 터널 공법 - 영동고속도로 0.8m 하부 통과 사례를 중심으로 -

김대영; 이홍성; 이세진; 이희광; 심보경

문제 정의

본 연구를 통하여 기존 비개착 공법의 문제점을 개선할 수 있는 새로운 개념의 가압식 지보를 이용한 비개착 터널공법(가압지보 터널공법)을 개발하였으며 공법에 대한 지보원리 및 특징 그리고 현장 적용사례를 소개하였다. 새롭게 제안한 가압지보 터널공법은 불량한 지반으로 이루어진 저토피 구간에서 매우 효과적인 비개착 터널공법으로 강지보(H-beam)와 굴착면 사이에 가압백을 설치하여 가압백에 가압 그라우팅을 실시함으로써 굴착시 생성된 지반변형을 회복시킬 수 있는 혁신적인 공법이다.
여기서는 새롭게 개발한 가압지보 터널공법을 소개하고 그 이론적 배경을 서술하였다. 또한 개발한 공법을 영동고속도로 하부 통과구간 현장에 성공적으로 적용하여 신공법의 우수성 및 경제성을 입증하였다.

제안 방법

이를 위해 그림 9와 같이 강지보를 일정 간격으로 이격하여 고정시키고 그 사이에 가압백을 삽입하여 가압 그라우팅을 실시하였다. 먼저 그림 9(a)와 같이 가압백 그라우팅 주입구의 체결을 보다 용이하게 하기위해 체결 방식을 적절하게 개선하였으며, 그림 9(b)와 같이 가압백이 팽창하면서 그라우트재가 유출되는 현상을 방지하기 위하여 가압백의 제작방식을 변경하였다. 이와 같이 가압백을 개선하여 그림 9(c)와 같이 강지보 사이의 가압백에 압력제어에 의한 그라우팅 시험을 실시한 결과 양단이 고정된 강지보가 변형되어 변위가 발생할 정도로 충분한 압력이 전달됨을 확인할 수 있었다.
가압지보 터널공법을 현장에 적용하기에 앞서 실물 크기의 가압백을 제작, 그라우트 주입시험을 실시하여 현장 적용성을 개선하고 가압백의 가압성능을 확인하였다. 이를 위해 그림 9와 같이 강지보를 일정 간격으로 이격하여 고정시키고 그 사이에 가압백을 삽입하여 가압 그라우팅을 실시하였다.
막장면의 붕락 방지와 막장 전방의 안정성 확보를 위하여 막장면에 제거가 용이한 네일(nail)과 조기 고강도 숏크리트를 시공할 수 있다. 다음으로 굴착 후 강지보(H-Beam)를 설치하고 강지보와 굴착면 사이에 가압백을 삽입한 후 가압백에 시멘트 그라우팅을 실시한다. 가압백 그라우팅이 끝나면 강지 보와 강지보 사이에 조기 고강도 숏크리트를 타설한 후 다음 막장을 굴착한다.
가압지보 터널공법을 현장에 적용하기에 앞서 실물 크기의 가압백을 제작, 그라우트 주입시험을 실시하여 현장 적용성을 개선하고 가압백의 가압성능을 확인하였다. 이를 위해 그림 9와 같이 강지보를 일정 간격으로 이격하여 고정시키고 그 사이에 가압백을 삽입하여 가압 그라우팅을 실시하였다. 먼저 그림 9(a)와 같이 가압백 그라우팅 주입구의 체결을 보다 용이하게 하기위해 체결 방식을 적절하게 개선하였으며, 그림 9(b)와 같이 가압백이 팽창하면서 그라우트재가 유출되는 현상을 방지하기 위하여 가압백의 제작방식을 변경하였다.

대상 데이터

해당 구간은 당초 가압지보 터널공법이 아닌 다른 비개착 공법으로 설계되었으나 그림 7(a)와 같이 최소토피가 약 80cm에 불과하고, 곡선시공 및 굴착면에 수로박스가 존재하고 있어 (그림 7(b) 참조) 기존 비개착 공법으로 시공이 불가능하여 가압지보 터널공법으로 시공이 결정되었다. 그림 8의 설계도면과 같이 대상 터널의 길이는 약 90m이며, 단면은 폭 11m, 높이 8m이다.

이론/모형

가압지보 터널공법을 OO택지개발 부지조성현장 내의 영동고속도로(왕복 8차선, 일평균 약 600,000대의 교통량) 하부 통과구간에 적용하였다(그림 6 참조). 해당 구간은 당초 가압지보 터널공법이 아닌 다른 비개착 공법으로 설계되었으나 그림 7(a)와 같이 최소토피가 약 80cm에 불과하고, 곡선시공 및 굴착면에 수로박스가 존재하고 있어 (그림 7(b) 참조) 기존 비개착 공법으로 시공이 불가능하여 가압지보 터널공법으로 시공이 결정되었다.
따라서 가압지보 터널공법 적용시 주입 전과정에 걸쳐 일정한 압력으로 가압백 그라우팅을 수행할 수 있는 그라우팅 시스템이 매우 중요하다. 따라서 이러한 시공상 조건을 실현시키기 위해 가압백 그라우팅은 현대건설에서 자체 개발한 인텔리전트 그라우팅 시스템을 이용하여 수행하였다.

성능/효과

또한 그림 11(a)의 계측결과와 같이 굴착 기간 중 발생한 최대 지반침하는 약 24mm인 반면 굴착 종료 시점에서 최종 침하량은 약 1.8mm로 나타나 가압식 지보로 인해 굴착 중 발생한 지반침하를 회복시키는 효과를 확인할 수 있었다. 동일 현장의 인접구간에서 시공한 기존 비개착 터널공법의 결과와 비교해 보면 그림 11(b)와 같이 굴착 중 최대 침하량은 약 49.
8mm로 나타나 가압식 지보로 인해 굴착 중 발생한 지반침하를 회복시키는 효과를 확인할 수 있었다. 동일 현장의 인접구간에서 시공한 기존 비개착 터널공법의 결과와 비교해 보면 그림 11(b)와 같이 굴착 중 최대 침하량은 약 49.7mm로 가압지보 터널공법 적용 구간 최대침하량(24mm)의 2배가 넘는 침하량을 보였으며, 굴착 종료 후 최종 변위는 약 35mm로 가압지보 터널공법 적용 구간의 최종 침하량(1.8mm)의 20배가 넘는 결과를 보였다. 이러한 지반 침하 현상으로 인해 기존 비개착 터널공법의 적용 구간에는 그림 12(b)와 같이 상부 도로에 30cm 가량의 단차가 발생하였지만, 가압지보 터널공법을 적용한 구간의 상부 도로는 그림 12(a)와 같이 지반 침하 및 히빙이 발생하지 않았다.
먼저 그림 9(a)와 같이 가압백 그라우팅 주입구의 체결을 보다 용이하게 하기위해 체결 방식을 적절하게 개선하였으며, 그림 9(b)와 같이 가압백이 팽창하면서 그라우트재가 유출되는 현상을 방지하기 위하여 가압백의 제작방식을 변경하였다. 이와 같이 가압백을 개선하여 그림 9(c)와 같이 강지보 사이의 가압백에 압력제어에 의한 그라우팅 시험을 실시한 결과 양단이 고정된 강지보가 변형되어 변위가 발생할 정도로 충분한 압력이 전달됨을 확인할 수 있었다.
가압지보 터널공법을 적용한 공사기간은 2010년 11월～2011년 8월로 약 9개월 만에 90m의 굴착 구간 관통을 완료하여 동일 현장의 인접구간에서 시공한 기존 비개착공법(공사기간 약 18개월)에 비해 약 50%의 공기단축 효과를 확인하였다.
여기서는 새롭게 개발한 가압지보 터널공법을 소개하고 그 이론적 배경을 서술하였다. 또한 개발한 공법을 영동고속도로 하부 통과구간 현장에 성공적으로 적용하여 신공법의 우수성 및 경제성을 입증하였다.
또한 기존 비개착 공법은 대구경 강파이프를 압입 후 한번에 터널 굴착을 진행함에 따라 굴착시 상부지반의 침하가 큰 반면, 가압지보 터널공법은 단계별 굴착과 지보재 설치의 반복적인 패턴을 통해 굴착 작업시 상부지반의 침하가 거의 발생하지 않는다. 마지막으로 기존 비개착 공법은 공법의 특성상 한번 발생한 지반침하는 다시 회복시킬 수 없는 반면, 가압지보 터널공법은 상부지반에 작용하는 토압만큼 가압백 그라우팅을 실시하면 굴착과정에서 발생했던 미소변위를 원래대로 회복시킬 수 있다(표 1 참조).
새롭게 제안한 가압지보 터널공법은 불량한 지반으로 이루어진 저토피 구간에서 매우 효과적인 비개착 터널공법으로 강지보(H-beam)와 굴착면 사이에 가압백을 설치하여 가압백에 가압 그라우팅을 실시함으로써 굴착시 생성된 지반변형을 회복시킬 수 있는 혁신적인 공법이다. 이러한 가압지보 터널공법을 OO택지개발 부지조성 현장내의 영동고속도로 최소 토피 0.8m 하부 통과구간에 성공적으로 적용하여 기존의 비개착 터널공법보다 더 적은 지반변위를 발생하고 공사기간을 50% 가까이 단축시킴으로써 다른 비개착 터널공법보다 가압지보 터널공법이 우수하고 경제적인 공법임을 입증하였다.
이러한 결과는 기존 비개착 터널공법의 특성상 대구경 강관 압입시 큰 침하가 발생되며, 다양한 원인으로 발생된 상부 지반의 침하를 다시 회복시킬 수 없는 단점을 보여주는 결과로써 상대적으로 가압지보 터널공법의 변위제어 효과를 잘 보여주고 있다.
가압식 지보를 이용한 비개착 터널 공법(가압지보 터널공법)은 이러한 기존 비개착 공법의 문제점을 해결하고 나아가 안정성, 경제성, 시공성 향상 및 공기단축까지 실현할 수 있는 새로운 개념의 비개착 구조물 구축공법으로 굴착시 발생하는 이완토압에 대응하는 압력을 지반에 작용시켜 발생한 지반변형을 회복시킬 수 있는 공법이다. 즉 대형 강성구조에 의해 지반침하를 방지하는 기존의 수동적인 개념에서 벗어나 가압방식의 주동적 개념을 적용함으로써 상대적으로 슬림한 구조물로도 지반변위 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한 기존 비개착 터널공법 적용시 대형 강파이프관 추진에 필요한 반력벽이 필요 없어 공사기간을 획기적으로 단축할 수 있으며, 기존 공법으로 적용이 어려운 초저토피 구간 및 곡선 구간에서도 시공이 가능한 장점이 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비개착 터널공법이란?	최근 쾌적한 지상공간 확보를 위한 교통구조물의 지하화에대한수요증가로 도로, 철도, 건물등과 같은기존구조물 하부로 교통구조물을 신설하는 비개착 터널공법의 수요가 급증하고 있다. 비개착 터널공법이란 기존 인프라 시설을 그대로 운용하면서 그 하부를 굴착하여 새로운 구조물을 건설하는 공법이다. 기존 비개착 구조물 구축공법은 대부분 대형 파이프를 신설될 구조물 외곽부에 선 압입하고 내부에 철근 배근과 콘크리트를 타설하여 구조체를 형성시킨 후 구조체 하부를 굴착하는 방식으로 구성되어 있다.
	도로, 철도, 건물등과 같은기존구조물 하부로 교통구조물을 신설하는 비개착 터널공법의 수요가 급증하고 있는 이유는?	최근 쾌적한 지상공간 확보를 위한 교통구조물의 지하화에대한수요증가로 도로, 철도, 건물등과 같은기존구조물 하부로 교통구조물을 신설하는 비개착 터널공법의 수요가 급증하고 있다. 비개착 터널공법이란 기존 인프라 시설을 그대로 운용하면서 그 하부를 굴착하여 새로운 구조물을 건설하는 공법이다.
	기존 비개착 터널공법의 문제점은?	이러한 기존 비개착 터널공법은 선 압입되어 완성된 대형 강파이프-콘크리트 구조물이 하부 지반이 굴착될 때 상부의 하중을 부담하여 변위를 억제하는 개념에서 개발된 것이므로, 미리 설치될 구조물의 강성이 변위억제에 핵심이다. 따라서 강성을 증대시키기 위하여 구조물이 대형화될수밖에없기 때문에 굴착 및 그라우팅시 변위발생과 과대단면으로 인한 철근 및 콘크리트의 과다 사용 등의 재원 낭비 및 단단한 지반에서의 굴착지연으로 인한 공기증가 등의 문제가 발생하고 있는 실정이다.

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