국토의 70%가 산지인 우리나라는 도로건설 등에 필요한 토지가 매우 부족할 뿐만 아니라 환경에 대한 국민들의 관심이 고조되어 터널 시공이 증가하는 추세이다. 남해고속도로 냉정~부산간 확장공사 대동1터널 시공 시 계곡부 위치 및 갱문 이격으로 저토피가 발생하였고, 민원 등으로 착공이 지연되어 관통부 변경이 불가피하였다. 이에 다중TSP를 적용하여 관통부 위치를 변경하였고 안정해석을 실시하였다. 해석결과 터널의 안정성에 문제가 없는 것으로 나타났으며, 시공 중 추가적인 안정성을 확보하고자 계측기 설치 및 기계굴착, 저토피 구간 추가 보강, 반단면 굴착을 실시하였다.
국토의 70%가 산지인 우리나라는 도로건설 등에 필요한 토지가 매우 부족할 뿐만 아니라 환경에 대한 국민들의 관심이 고조되어 터널 시공이 증가하는 추세이다. 남해고속도로 냉정~부산간 확장공사 대동1터널 시공 시 계곡부 위치 및 갱문 이격으로 저토피가 발생하였고, 민원 등으로 착공이 지연되어 관통부 변경이 불가피하였다. 이에 다중TSP를 적용하여 관통부 위치를 변경하였고 안정해석을 실시하였다. 해석결과 터널의 안정성에 문제가 없는 것으로 나타났으며, 시공 중 추가적인 안정성을 확보하고자 계측기 설치 및 기계굴착, 저토피 구간 추가 보강, 반단면 굴착을 실시하였다.
Around 70% of Korea is mountainous, an increase in tunnel construction. It's due to the growing interest of the public for the environment and land required for the road construction is very scarce. During construction of 'Daedong 1 tunnel' in the expressway expansion project between Naengjeong and ...
Around 70% of Korea is mountainous, an increase in tunnel construction. It's due to the growing interest of the public for the environment and land required for the road construction is very scarce. During construction of 'Daedong 1 tunnel' in the expressway expansion project between Naengjeong and Busan, there are shallow shaft due to this tunnel located in the valley and the shafts are separated, and penetrating location change was inevitable for construction was delayed because of complaint. So, we change the position of the penetrating by applying multi-channel TSP, and conducted a stability analysis. The analysis results showed that there is no problem on the stability of the tunnel. To secure the construction of additional stability, We installed instrument, performed mechanical excavation, added reinforcement at shallow shaft and conducted bench cut.
Around 70% of Korea is mountainous, an increase in tunnel construction. It's due to the growing interest of the public for the environment and land required for the road construction is very scarce. During construction of 'Daedong 1 tunnel' in the expressway expansion project between Naengjeong and Busan, there are shallow shaft due to this tunnel located in the valley and the shafts are separated, and penetrating location change was inevitable for construction was delayed because of complaint. So, we change the position of the penetrating by applying multi-channel TSP, and conducted a stability analysis. The analysis results showed that there is no problem on the stability of the tunnel. To secure the construction of additional stability, We installed instrument, performed mechanical excavation, added reinforcement at shallow shaft and conducted bench cut.
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문제 정의
시점부 근접 관통시관통부가 파쇄대 및 불연속 절리가 심한 풍화구간을 관통할 가능성이 커지므로 최소한의 보강으로 안정성을 확보할 수 있는 암질구간을 확인할 필요가 있었으며, 시점부 착공 일시와 착공기계 운영 등을 고려한 최적화된 관통계획 수립이 필요하였다. 따라서 관통부 위치 및 보강공법 등 적정 관통계획 수립을 위해 정확도가 높다고 알려진 다중채널TSP 탐사를 실시하였다.
본 연구에서 대동1터널 안정성 확보를 위해 시행한 다중채널TSP와 편토압 구간 및 변경 관통부 안정해석 결과에 대해 분석하고자 한다.
본 연구에서는 고속국도 제10호선, 104호선, 551호선 냉정~부산간 확장공사를 시행함에 있어 중앙지선 신설 공사 중 대동1터널 시점부의 저토피 및 관통부 변경에 따른 관통위치 결정과 안정성 해석을 위해 정확도가 높고 지반정수 산출이 가능한 다중채널TSP를 시행하였고 그 결과를 바탕으로 편토압 구간 및 변경 관통부 안정 해석 결과에 대해 분석하였다. 이상의 분석결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
기타 지반정수는 설계 시 값을 준용하였으며 적용 지반정수는 Table 7과 같다. 강관다단 그라우팅 공법에 의한 보강지반은 그라우팅 연구 시험결과 및 적용사례 등을 토대로 변형계수와 점착력을 각각 원지반의 3배 및 2배로 가정하여 해석하였다.
제안 방법
(2) 다중채널TSP를 통해 산출된 총 4개의 지반정수 중포아송비와 단위중량, 2개를 적용하여 저토피 및관통부 안정해석을 수행하였다.
(4) 시공 안정성을 위해 저토피 구간과 사면에 지중변위계, 지중경사계, 지하수위계, 지표변위핀을 설치 하였으며, 진동 및 소음 최소화를 위하여 리퍼, 브레이커 등을 이용한 기계굴착을 실시하였다. 저토피 구간은 상부 180°를 강관다단그라우팅으로 보강 하였고 관통부에도 내공변위계, 천단침하계, 지중 변위계, 락볼트 축력계, 숏크리트 응력계를 설치하여 시공 중 변위 측정이 가능하도록 하였으며 반단면 굴착을 통해 시공 안정성을 확보하였다.
0을 적용하였다. 관통부 보강은 김해방향은 Fore Poling(20 m)을 적용하였고, 양산방향은 강관다단 G/R(P6)과 Fore Poling(P5)(20 m) 을 적용하였다. Fig.
다중채널TSP 결과를 바탕으로 단층대를 피하여 관통부 위치를 결정하였으며, 시점부 저토피 구간과 관통부 위치변경에 대한 안정성을 검토하였다.
다중채널TSP 탐사결과 및 장비운영 계획 등을 바탕으로 단층대 F4위치(Sta.1+331.9 ~ 1+311.9)를 지나 양산방향은 Sta.1+300을, 김해방향은 1+480을 관통부 위치로 결정하였다. Fig.
대동1터널 관통부의 안정성 확보를 위해 관통부에서 약 30 ~ 40 m 전 반단면 굴착을 시행하여 터널 내부 변위를 최소화하였으며, 막장부를 숏크리트로 폐합시켜 장기간 노출된 막장면의 안정성을 확보하였다. 또한 관통부에 내공변위계, 천단침하계, 지중변위계, 락볼트 축력계, 숏크리트 응력계를 설치하여 관통시공 전, 후의 계측변화를 관찰하고 안정검토서와 비교분석이 가능하도록 하였다.
대동1터널 김해방향 저토피 구간은 안정해석시 반단면 굴착 및 상부 120°를 강관다단그라우팅을 시공하고 좌･우 측벽부에 록볼트를 시공하는 P6을 적용하여 안정성을 확보하였으나 지반의 불확실성 및 불규칙절리, 지하수 등 예측 불가능한 변수를 고려하여 추가적인 안정성을 확보하고자 좌･우 측벽부 록볼트 대신 보강효과가 더 뛰어난 강관다단그라우팅을 시공하였다.
대동1터널 다중채널TSP 적용 위치는 양산방향 Sta.1 +565.9 지점에서 시행되었으며, 탐사시간이 3 ~ 4시간 정도 소요되므로 연속적인 작업성을 위하여 작업이 중지되는 신정(1월1일)에 시행하였다. 막장면에 총 2개의 측선을 2.
따라서 상부 120° 보강이 아닌 상부 180°를 강관다단그라우팅으로 보강하는 P6-1을 적용하여 현장 시공안정성을 확보하였다(Fig. 15)
대동1터널 관통부의 안정성 확보를 위해 관통부에서 약 30 ~ 40 m 전 반단면 굴착을 시행하여 터널 내부 변위를 최소화하였으며, 막장부를 숏크리트로 폐합시켜 장기간 노출된 막장면의 안정성을 확보하였다. 또한 관통부에 내공변위계, 천단침하계, 지중변위계, 락볼트 축력계, 숏크리트 응력계를 설치하여 관통시공 전, 후의 계측변화를 관찰하고 안정검토서와 비교분석이 가능하도록 하였다. Fig.
다중채널TSP는 높은 정확도, 긴 탐사연장, 지반정수 도출이 가능하므로, 높은 정확도를 바탕으로 정확한 관통부 위치를 결정하고 긴 탐사연장으로 관통부 안정성 및 시점부 편토압 검토 시간을 확보하여 최적시공을 할 수 있다. 또한 도출된 지반정수를 통해 안정성 검토시 활용할 수 있으므로 대동1터널 안정성 검토시 큰 이점이 될 수 있다는 판단하에 다중채널TSP 탐사를 적용하였다.
901을 해석하였으며 적용지보패턴은 반단면 굴착 및 상부 120°를 강관다단그라우팅을 시공하고 좌･우 측벽부에 록볼트를 시공하는 P6과 반단면 굴착 및 록볼트를 시공하는 P5를 각각 적용하였다. 시공단계는 비탈면 시공, 상･하단면 굴착 후 보강 등에 따라 7~8단계로 해석하였고, 당초 설계를 준용하여 측압계수(K 0)를 0.5, 1.0, 1.5 로 각각 해석하였다.
6.2 굴착 안정성을 위한 기계굴착 실시
시점부는 암질이 좋지 않고 저토피이므로 발파진동에 따른 터널과 사면의 영향과 발파소음으로 인한 민원을 고려하여 안정성 확보와 민원해결을 위해 기계굴착을 실시하였다. 시점 갱구부는 토사와 풍화토, 풍화암으로 이루어져 있어 현재 리퍼, 브레이커, 백호, 페이로더를 이용하여 굴착 중에 있으며(Fig.
13과 같이 계측기 설치 계획을 수립하였다. 저토피 구간에 약 10 m 간격으로 지중변위계를 4개소 설치하였고, 사면내부 거동 파악을 위해 지중경사계와 지하수위계를 각 1개소씩 설치하였으며 사면표면 변위 파악을 위해 지표변위핀 17개소를 계획하였다. 대동1터널의 시점부 굴착 시 정기적인 계측관리를 통해 터널과 사면의 안정성을 확보하고 추후 안정검토서의 해석결과와 비교분석 할 계획이다.
저토피 구간은 김해방향 Sta.1+422.138과 Sta.1+441.901을 해석하였으며 적용지보패턴은 반단면 굴착 및 상부 120°를 강관다단그라우팅을 시공하고 좌･우 측벽부에 록볼트를 시공하는 P6과 반단면 굴착 및 록볼트를 시공하는 P5를 각각 적용하였다.
저토피 구간은 상부 180°를 강관다단그라우팅으로 보강 하였고 관통부에도 내공변위계, 천단침하계, 지중 변위계, 락볼트 축력계, 숏크리트 응력계를 설치하여 시공 중 변위 측정이 가능하도록 하였으며 반단면 굴착을 통해 시공 안정성을 확보하였다.
대상 데이터
9 지점에서 시행되었으며, 탐사시간이 3 ~ 4시간 정도 소요되므로 연속적인 작업성을 위하여 작업이 중지되는 신정(1월1일)에 시행하였다. 막장면에 총 2개의 측선을 2.0 m 간격으로 설치하였으며, 각각의 채널수는 48채널로 총 96채널이 설치되었다. 측선연장 및 측점간격은 Table 4와 같다.
본 현장의 신설구간은 김해와 대동을 잇는 구간으로 연장은 9.92 km이며 대동1, 2, 3터널이 계획되었다(Fig. 2, Table 2). 이 중 대동2, 3터널은 현재 굴착완료 하였고, 대동1터널의 경우 민원으로 인한 시점부 굴착지연에 따른 일방향 굴착으로 관통부 위치 변경이 불가피하였으며, 시점부 갱구부가 능선에 위치하여 편토압이 우려되었다.
현장에서 취득된 TSP탐사 기록은 약 276 m이며(Sampling Length=0.23s) 각 단면의 수평 트레이스 간격은 0.0625 m, 수직해상도는 약 1.0~1.5 m, 현장 취득자료 수는 약 46,080개이다.
이론/모형
해석프로그램은 Midas GTS(ver.440)를 사용하였으며 해석방법은 Mohr-Coulomb 파괴기준에 의한 탄소성 해석을 적용하였다. 지반정수 산정 시 다중채널TSP 결과를 최대한 반영하려고 하였으나, 체적계수 및 동탄성계수는 내진설계 등 암반의 동적분석을 위해 주로 사용되므로(한국지반공학회, 2000), 터널안정성 해석을 위한 수치해석 적용이 불가능하여 단위중량과 포아송비만을 적용할 수 있었다(Table 6).
성능/효과
(1) 다중채널 TSP결과 탐사연장 276 m 중 총 4개의 단층대가 예측되었고 단층대를 피해 관통부 위치를 양산방향은 Sta.1+300을, 김해방향은 1+480을 관통부 위치로 결정하였다.
(3) 시점부 저토피 구간 해석결과 최대변위는 4.55 mm, R/B최대축력은 34.65 kN, S/C휨압축응력은 3.31 MPa로 안정한 것으로 나타났다. 관통부 안정성은 3D로 해석하였으며 최대변위는 5.
8° 범위로 교차되어 나타나며, 터널진행 방향으로 매우 좁은 1 ~ 2 m 간격의 부단층(미소단층; accessory fault)들의 영향으로 암반연속성은 크게 저하되어 터널 전체적으로 균열이 발달되고 매우 낮은 탄성파속도를 나타내었다. 4개조의 단층대는 16～26 m 폭을 가지는 것으로 파악되었으며, 탐사구간 내 암반등급은 III～V등급이고 전반적으로 암반 강도는 매우 낮은 편으로 조사되었다. 암반의 지반정수는 탄성파속도를 바탕으로 산출되었으며 포아송비, 단위중량, 체적계수, 동탄성계수가 산출되었다(Table 5).
31 MPa로 안정한 것으로 나타났다. 관통부 안정성은 3D로 해석하였으며 최대변위는 5.72 mm, R/B최대 축력은 40.34 kN, S/C최대응력은 7.48 MPa로 안정한 것으로 해석되었다.
대동1터널(양산방향) Sta.1+565.9 다중채널TSP 탐사 결과 수평연장 약 276 m 구간 내 주요 지층불연속 구간은 총 4개로 파악되었다(Fig. 8). 이들 구간은 기반암의 주요 단층파쇄대(용수대 및 연약대)로 예상되며, 총 4조의 지질 이상대는 터널 진행 축 북동방향(NE)에 대하여 30도 내외의 각도로 교차되어 주로 북북동(NNE)방향의 주향을 가지고, 막장면에 대해서는 24.
4개조의 단층대는 16～26 m 폭을 가지는 것으로 파악되었으며, 탐사구간 내 암반등급은 III～V등급이고 전반적으로 암반 강도는 매우 낮은 편으로 조사되었다. 암반의 지반정수는 탄성파속도를 바탕으로 산출되었으며 포아송비, 단위중량, 체적계수, 동탄성계수가 산출되었다(Table 5).
후속연구
저토피 구간에 약 10 m 간격으로 지중변위계를 4개소 설치하였고, 사면내부 거동 파악을 위해 지중경사계와 지하수위계를 각 1개소씩 설치하였으며 사면표면 변위 파악을 위해 지표변위핀 17개소를 계획하였다. 대동1터널의 시점부 굴착 시 정기적인 계측관리를 통해 터널과 사면의 안정성을 확보하고 추후 안정검토서의 해석결과와 비교분석 할 계획이다.
5 m/일굴진효율을 보이고 있다. 향후 강한 암질로 인해 작업 효율 저하 시 로드헤더 등 자유단면굴착기를 적용할 계획이다.
향후 저토피 구간 굴착 및 관통완료까지 지속적인 계측을 통해 안정여부를 판단하고 관통 완료 후 측정된 계측치와 수치해석 결과의 비교분석을 통해 지반정수 및 안정여부를 검증할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대동1터널 구간의 특징은 무엇인가?
대동1터널 구간은 시점측보다 종점측이 높고 노선 중앙부에 계곡부가 위치해 있는 것이 특징이다. 본 지역의 광역지질은 양산단층대 남측으로 NNW~NW 방향의 지구조가 발달하며 분포암종은 경상계 퇴적암을 기저로 백악기 신라층군의 안산암질암과 불국사 관입 암류인 화강암으로 구성되어 있으며 주산안산암질암과 도대동안산반암의 경계부가 출현한다(Fig.
우리나라에서 터널 시공이 증가하는 추세인 이유는 무엇인가?
국토의 70%가 산지인 우리나라는 도로건설 등에 필요한 토지가 매우 부족할 뿐만 아니라 환경에 대한 국민들의 관심이 고조되어 터널 시공이 증가하는 추세이다. 남해고속도로 냉정~부산간 확장공사 대동1터널 시공 시 계곡부 위치 및 갱문 이격으로 저토피가 발생하였고, 민원 등으로 착공이 지연되어 관통부 변경이 불가피하였다.
남해고속도로 냉정~부산간 확장공사 대동1터널 시공에 다중TSP를 적용하여 관통부 위치를 변경하였고 안정해석을 실시한 해석 결과는 어떠한가?
이에 다중TSP를 적용하여 관통부 위치를 변경하였고 안정해석을 실시하였다. 해석결과 터널의 안정성에 문제가 없는 것으로 나타났으며, 시공 중 추가적인 안정성을 확보하고자 계측기 설치 및 기계굴착, 저토피 구간 추가 보강, 반단면 굴착을 실시하였다.
Baek, K. H., Roh, J. R., Kim, Y. I., Cho, S. K. and Hwang, N. K., 2005, Case study on the tunnel collapse at the shallow depth, TUNNEL & UNDERGROUND SPACE, Vol. 15, No. 2, pp. 102-110. [In Korean with English abstract].
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