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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 비개착 공법의 문제점을 개선할 수 있는 새로운 개념의 가압지보 터널공법을 개발하였으며 그 이론적 원리에 대한 연구를 수행하였다. 또한 수치해석 및 현장 시험시공을 통한 안정성 검증을 거쳐 실제 현장에 적용하였으며, 이를 통해 개발공법의 변위제어 및 공기단축효과를 확인하였다.
- 본 연구에서는 이러한 기존 비개착 터널공법의 문제점을 개선하기 위해 가압지보 터널공법(PSTM, Pressurizing Support Tunneling Method)을 개발하였다. 또한 3D 수치해석을 통해 공법의 효과 및 안정성을 검증하였으며 실제 현장적용 결과 분석을 바탕으로 공기단축 및 변위억제 효과를 확인하였다.
제안 방법
- 가압지보 터널공법은 그림 7(a)와 같이 OO택지개발 부지조성현장 OO고속도로(왕복 8차선, 일평균 약 60만대의 교통량) 하부 통과구간에 적용하였다(김대영 등, 2011, 2012a). 해당 구간은 당초 기존 비개착 공법으로 설계되었으나 그림 7(b)와 같이 최소토피가 약 80 cm에 불과하고, 곡선 시공 및 굴착면에 수로박스가 존재하는 등(그림 7(c) 참조) 기존 비개착 공법으로는 시공이 불가능하여 본 연구에서 개발한 공법을 적용하였다. 그림 8의 도면과 같이 터널의 길이는 약 85 m(실 굴착 거리) 이며, 폭 10.
- 가압지보 터널공법의 시공중 안정성을 판단하고 지반변위억제 효과를 확인하기 위하여 변위계측을 실시하였다. 변위계측에 사용된 센서는 반도체 방식 자동화 침하계(Semiconductor Settlement Trans mitter)로서 압력센서부와 액체저수로 간의 수직거리에 비례한 수두압의 변화를 측정하여 침하량을 측정하는 원리이다.
- 가압지보 터널공법의 주요 지보재 중 하나인 강지보재의 구조검토를 통하여 안정성을 평가하였다. 해석 프로그램은 MIDAS-CIVIL를 사용했으며 폭 10.
- 가압지보 터널공법의 현장적용에 앞서 변위억제 효과 및 안정성을 검증하기 위해 3D 수치해석을 수행하였다. 3D 수치해석에 사용된 프로그램은 MIDAS-GTS Ver.
- 구조해석에 적용된 하중은 고정하중과 활하중으로 구분하여 산정하였다. 이때 활하중은 ｢도로교 설계편람｣에 의거하여 토피가 1.
- 본 연구에서는 이러한 기존 비개착 터널공법의 문제점을 개선하기 위해 가압지보 터널공법(PSTM, Pressurizing Support Tunneling Method)을 개발하였다. 또한 3D 수치해석을 통해 공법의 효과 및 안정성을 검증하였으며 실제 현장적용 결과 분석을 바탕으로 공기단축 및 변위억제 효과를 확인하였다.
- 5를 적용하였다. 또한 상부에는 15.0 kN/m2의 교통하중이 상재하중(등분포 하중)으로 작용하는 것으로 모델링하였으며 1회 굴진장은 100 cm를 적용하였다. 3D 수치해석에 사용된 요소망은 그림 5와 같다.
- 본 연구에서는 기존 비개착 공법의 문제점을 개선할 수 있는 새로운 개념의 가압지보 터널공법을 개발하였으며 그 이론적 원리에 대한 연구를 수행하였다. 또한 수치해석 및 현장 시험시공을 통한 안정성 검증을 거쳐 실제 현장에 적용하였으며, 이를 통해 개발공법의 변위제어 및 공기단축효과를 확인하였다. 본 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서 개발한 가압지보 터널공법은 굴착 후 가압지보 설치의 연속적인 과정을 통해 시공된다. 이때 터널 주위의 응력상태는 굴착시 터널 주위로 σr(반경방향응력)< σθ(접선방향응력)의 응력상태(주동 응력조건으로 정의)로 소성영역이 발생하게 되고 이후 가압지보를 설치하면 터널 주위로 반경방향응력(σr)은 증가하고 접선방향응력(σθ)은 감소해 σr > σθ의 응력상태(수동 응력조건으로 정의)에 도달하게 된다.
- 산정된 하중을 바탕으로 ｢도로교설계편람｣에 의거하여 표 6과 같은 하중조합에 대한 구조해석을 수행하였다. 이때 현장의 지형적 조건에 의해 시･ 종점부 일부 구간에 편토압이 작용하는 것으로 판단되어 편토압 하중 조건을 고려하여 해석을 실시하였다.
- 0 m 이하일 때 식 (22) 및 표 6을 적용하여 산정하였다. 앞선 3D 수치해석에서는 1.0 m 씩 단계별 굴착을 모사했을 때도 지보재의 부재력이 모두 허용치 이내로 만족하였으나, 실제 설계 및 시공에서는 안전율을 고려하여 0.7 m 씩 굴착하도록 하여 최종적으로 표 4와 같이 하중을 산정하고 해석에 적용하였다.
- 산정된 하중을 바탕으로 ｢도로교설계편람｣에 의거하여 표 6과 같은 하중조합에 대한 구조해석을 수행하였다. 이때 현장의 지형적 조건에 의해 시･ 종점부 일부 구간에 편토압이 작용하는 것으로 판단되어 편토압 하중 조건을 고려하여 해석을 실시하였다. 그림 10는 해석에 적용된 하중 재하도를 나타낸 것이다.
- 따라서 가압지보 터널공법 적용 시 일정한 압력으로 가압백 그라우팅을 수행하는 것이 매우 중요하다. 이러한 조건을 실현시키기 위해 자동 정압/정량 그라우팅이 가능한 인텔리전트 그라우팅 시스템을 개발하여 적용하였다. 인텔리전트 그라우팅 시스템은 펌프, 다중 주입시스템, 자동제어 프로그램으로 구성되어 있으며, 동시에 여러개의 주입 홀에 정확한 정량/정압 자동 그라우팅을 수행할 수 있는 시스템이다.
- 침하계는 그림 17(b)와 같이 굴착전 터널 상부에 기 시공된 강관을 천공하여 강관 내부에 계측기를 설치함으로써 굴착 전･ 후의 상부 지반변위를 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 하였다. 침하계는 위치별로 총 9기를 설치하였으며 설치 위치는 그림 18과 같다.
대상 데이터
- 가압지보 터널공법은 그림 7(a)와 같이 OO택지개발 부지조성현장 OO고속도로(왕복 8차선, 일평균 약 60만대의 교통량) 하부 통과구간에 적용하였다(김대영 등, 2011, 2012a). 해당 구간은 당초 기존 비개착 공법으로 설계되었으나 그림 7(b)와 같이 최소토피가 약 80 cm에 불과하고, 곡선 시공 및 굴착면에 수로박스가 존재하는 등(그림 7(c) 참조) 기존 비개착 공법으로는 시공이 불가능하여 본 연구에서 개발한 공법을 적용하였다.
- OO택지개발 부지조성현장의 경우 그림 12와 같이 강관(Φ114 mm)이 시점부와 종점부에서 양방향으로 50 cm 간격으로 36∼38 m 길이로 평행하게 시공되었으며, 시공전 직천공 강관 직진성 시험을 통해 강관의 선형확보를 검증하였다. 시험 장소는 OO택지개발 2공구 내 암버력 성토구간 임시도로로 토피고는 1 m이며 시험 전경은 그림 13과 같다.
- 해석 모델링시 지보재는 강관(Φ=114 mm, 500 mm간격), 강지보(300 × 300 × 10 × 15 mm), 숏크리트(두께 50 mm), 내부 라이닝으로 모델링하였으며, 토압계수는 0.5를 적용하였다.
데이터처리
- 가압지보 터널공법의 주요 지보재 중 하나인 강지보재의 구조검토를 통하여 안정성을 평가하였다. 해석 프로그램은 MIDAS-CIVIL를 사용했으며 폭 10.4 m, 높이 7.6 m인 단면(H-Beam 중심간 거리 기준)에 작용하는 설계하중(포장두께: 0.3 m, 토피(포장 포함): 1 m 적용)을 에 대하여 구조검토를 실시하였다. 강지보 구조해석 검토 단면은 그림 9와 같다.
이론/모형
- 가압지보 터널공법의 현장적용에 앞서 변위억제 효과 및 안정성을 검증하기 위해 3D 수치해석을 수행하였다. 3D 수치해석에 사용된 프로그램은 MIDAS-GTS Ver. 3.00이며, 적용모델은 MohrCoulomb model을 사용하였다. 해석 모델링시 지보재는 강관(Φ=114 mm, 500 mm간격), 강지보(300 × 300 × 10 × 15 mm), 숏크리트(두께 50 mm), 내부 라이닝으로 모델링하였으며, 토압계수는 0.
성능/효과
- 2. 가압지보 터널공법의 핵심원리를 탄소성 해석 및 지반반응곡선을 통해 증명하였으며 가압지보 적용 시 막장 전방에서 미리 지보재를 설치하는 선지보 효과를 발휘할 수 있음을 증명하였다.
- 3. 3D 수치해석을 수행하여 가압지보 터널공법의 변위제어 효과를 확인하였으며, 지보재의 안정성을 검증하였다.
- 36 m 길이에 대해 2회 시험 시공한 결과 1회(하향 7 mm 변위발생), 2회(상향 14 cm, 수평 25 cm 변위 발생) 모두 시방기준을 충분히 만족하는 것으로 나타나 직천공 강관의 시공성 및 안정성을 검증하였다.
- 3D 수치해석 결과 굴착 후 가압지보 설치 효과로 인해 관통시 최대 지반변위는 천단침하 2.15 mm, 측벽변위 0.88 mm에 불과한 것으로 나타났다(그림 6, 표 3 참조). 또한 강지보재에 작용하는 최대 휨압축응력은 1,293 kPa, 숏크리트에 작용하는 최대 휨압축응력은 199 kPa로 나타나 지보재에 작용하는 응력은 모두 허용치 이내로 안전한 것으로 나타났다.
- 4. OO택지개발 부지조성현장 OO고속도로 하부통과구간 적용을 통해 가압지보 터널공법의 변위제어 및 공기단축 효과를 확인하였다.
- 굴착종료 시점 최종 지반침하는 약 4.7 mm로 측정되어 한국도로공사 관리기준상 토사 지반(Type V)에서의 허용변위량 30∼50 mm를 충분히 만족시킬 뿐만 아니라 그림 6(a)의 3D 수치해석 지반변위 결과와도 유사한 거동으로 나타냄으로써 가압지보 터널공법의 지반변위 억제효과를 확인할 수 있다.
- 따라서 3D 수치해석을 통해 지반변위와 지보재 응력을 검토한 결과 본 연구에서 개발한 가압 지보 터널공법은 그 안정성을 충분히 확보할 것으로 판단된다.
- 88 mm에 불과한 것으로 나타났다(그림 6, 표 3 참조). 또한 강지보재에 작용하는 최대 휨압축응력은 1,293 kPa, 숏크리트에 작용하는 최대 휨압축응력은 199 kPa로 나타나 지보재에 작용하는 응력은 모두 허용치 이내로 안전한 것으로 나타났다.
- 0 MPa))로 나타나 수직부재는 작용하중에 충분히 저항할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 수평부재에는 휨압축응력 = 129.24 MPa, 압축응력 = 16.13 MPa, 전단응력 = 38.87 MPa 이 작용하는 것으로 나타나 허용응력 기준을 충분히 만족하는 것으로 나타났다.
- 3 m/month의 시공속도를 보였다. 이는 굴착공사 기간 동안 장마철 폭우로 인해 20일 가량 작업이 중단되었음에도 불구하고 동일 현장의 인접구간에서 시공한 기존 비개착 공법에 비해 약 35% 공기를 단축한 것으로써 가압지보 터널공법의 공기단축 효과를 확인할 수 있었다.
- 해석결과는 표 7 및 그림 11과 같이 수직부재에는 휨압축응력 = 138.99 MPa(허용휨압축응력(=210.0 MPa), 압축응력 = 13.94 MPa(허용압축응력(160.75 MPa)), 전단응력 = 68.84 MPa(허용전단응력(120.0 MPa))로 나타나 수직부재는 작용하중에 충분히 저항할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 수평부재에는 휨압축응력 = 129.
후속연구
- 이는 가압지보 터널공법의 주요 지보재인 강관보강 그라우팅과 숏크리트의 지보성능은 전혀 고려하지 않고 작용하중을 모두 강지보재가 부담하는 상태에서의 해석결과로 매우 보수적인 설계이다. 김대영 등(2009)은 강관다단 그라우팅의 하중분담효과를 고려한 수치해석법을 제안한바 있으며, 하태욱 등(2008)은 강지보와 숏크리트의 지보 성능을 동시에 고려한 부재력 평가방법을 제시한 바 있어 향후 가압지보 터널공법에 적합한 부재력 평가법에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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