최근 교통량의 증가와 차량의 대형화로 인해 기존 터널에서 상습적인 정체가 발생되는 경우가 증가하고 있다. 이러한 문제해결의 일환으로 기존 터널을 확폭하는 경우는 신설 터널을 건설하는 경우와 비교하여 용지매입 비용의 절감과 자연환경의 훼손을 최소화 시킬 수 있다는 장점이 있다. 실제로 일본과 유럽 등 해외에서는 기존 터널을 확폭 시공하는 사례가 많이 보고되고 있다. 이러한 흐름에서 국내에서도 향후 기존터널의 확폭 시공에 대한 수요는 꾸준히 증가할 것으로 예상되나, 현재까지는 기존 터널의 확폭에 관한 실적과 경험이 많지 않아 이에 관한 기반 연구가 필요한 상황이라고 볼 수 있다. 본 연구에서는 유한요소해석과 기존의 이론, 경험식 등을 이용하여 기존 병설터널을 확폭하는 경우 확폭방식과 그에 따른 필라폭 변화가 터널의 거동과 필라 안정성에 미치는 영향을 평가하였다. 조사 결과, 필라폭은 동일하나 편측과 양측으로 확대하는 경우의 차이에 따라 편측 확대 터널의 천단침하는 양측 확대 터널에 비해 약 5~20%의 큰 값을 보이는 한편, 최소 필라폭을 갖게되는 편측 확대 터널에서 숏크리트 응력이 최대를 보이는 것으로 나타났다. 또한, 강도/응력비의 경우 조사된 네 종류의 확폭 패턴에 대하여 모두 1.0 이상을 나타내었고 Matsuda의 방법이 Peck의 방법에 비해 약 50% 정도 강도/응력비를 크게 산정하게 됨을 확인하였다.
최근 교통량의 증가와 차량의 대형화로 인해 기존 터널에서 상습적인 정체가 발생되는 경우가 증가하고 있다. 이러한 문제해결의 일환으로 기존 터널을 확폭하는 경우는 신설 터널을 건설하는 경우와 비교하여 용지매입 비용의 절감과 자연환경의 훼손을 최소화 시킬 수 있다는 장점이 있다. 실제로 일본과 유럽 등 해외에서는 기존 터널을 확폭 시공하는 사례가 많이 보고되고 있다. 이러한 흐름에서 국내에서도 향후 기존터널의 확폭 시공에 대한 수요는 꾸준히 증가할 것으로 예상되나, 현재까지는 기존 터널의 확폭에 관한 실적과 경험이 많지 않아 이에 관한 기반 연구가 필요한 상황이라고 볼 수 있다. 본 연구에서는 유한요소해석과 기존의 이론, 경험식 등을 이용하여 기존 병설터널을 확폭하는 경우 확폭방식과 그에 따른 필라폭 변화가 터널의 거동과 필라 안정성에 미치는 영향을 평가하였다. 조사 결과, 필라폭은 동일하나 편측과 양측으로 확대하는 경우의 차이에 따라 편측 확대 터널의 천단침하는 양측 확대 터널에 비해 약 5~20%의 큰 값을 보이는 한편, 최소 필라폭을 갖게되는 편측 확대 터널에서 숏크리트 응력이 최대를 보이는 것으로 나타났다. 또한, 강도/응력비의 경우 조사된 네 종류의 확폭 패턴에 대하여 모두 1.0 이상을 나타내었고 Matsuda의 방법이 Peck의 방법에 비해 약 50% 정도 강도/응력비를 크게 산정하게 됨을 확인하였다.
Traffic congestion in existing tunnels has increased due to increased traffic volume and enlarged vehicles. Enlarging existing tunnels has advantages over constructing new tunnels by reducing land purchasing costs as well as minimizing natural environment destruction. In fact, many overseas projects...
Traffic congestion in existing tunnels has increased due to increased traffic volume and enlarged vehicles. Enlarging existing tunnels has advantages over constructing new tunnels by reducing land purchasing costs as well as minimizing natural environment destruction. In fact, many overseas projects for enlarging existing tunnels have been reported. Thus, it appears that the demand on enlarging existing tunnels continues to rise in Korea in near future. Nonetheless, the studies related to the enlarged tunnels have been relatively rare since there have been few tunnel enlargement projects in Korea. In the present study, the tunnel behavior and the stability of rock pillar when enlarging existing parallel tunnels were investigated by performing FE analysis and using existing theory and empirical relationships. Four different enlarging cases, depending on the enlargement types and directions, were examined in the study. According to the results, for the tunnels with the same pillar width after enlarged, the uni-laterally enlarged tunnel indicated 5 to 20% higher crown settlement compared to the bi-laterally enlarged tunnel, and for the tunnel with the narrowest pillar, the highest shotcrete stress was observed. Also, the strength/stress ratio for rock pillar was more than 1.0 for all four enlargement cases, and the Matsuda's method was found to give higher strength/stress ratio by about 50% compared to the Peck's method.
Traffic congestion in existing tunnels has increased due to increased traffic volume and enlarged vehicles. Enlarging existing tunnels has advantages over constructing new tunnels by reducing land purchasing costs as well as minimizing natural environment destruction. In fact, many overseas projects for enlarging existing tunnels have been reported. Thus, it appears that the demand on enlarging existing tunnels continues to rise in Korea in near future. Nonetheless, the studies related to the enlarged tunnels have been relatively rare since there have been few tunnel enlargement projects in Korea. In the present study, the tunnel behavior and the stability of rock pillar when enlarging existing parallel tunnels were investigated by performing FE analysis and using existing theory and empirical relationships. Four different enlarging cases, depending on the enlargement types and directions, were examined in the study. According to the results, for the tunnels with the same pillar width after enlarged, the uni-laterally enlarged tunnel indicated 5 to 20% higher crown settlement compared to the bi-laterally enlarged tunnel, and for the tunnel with the narrowest pillar, the highest shotcrete stress was observed. Also, the strength/stress ratio for rock pillar was more than 1.0 for all four enlargement cases, and the Matsuda's method was found to give higher strength/stress ratio by about 50% compared to the Peck's method.
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문제 정의
본 연구는 점차 증가될 것으로 예상되는 노후화된 기존 터널의 확폭에 대하여, 기존 병설터널의 단면을 모두 확대 시공하는 경우에 대하여 터널의 거동과 안정성의 중요한 지표가 되는 암반 필라의 안정성을 터널 확대 방법에 따라 분석하였다.
가설 설정
터널 확폭은 2차로 터널에서 4차로 터널로의 확폭을 가정하였으며, 주변 암반 등급은 3등급의 물성을 적용하였다(Table 4 참조). 기존 터널 및 확폭시 터널의 굴착은 전단면 굴착을 실시하였으며, 록볼트로 인한 필라부의 보강효과를 고려하지 않기 위해 지보재는 숏크리트만 시공하는 것으로 모델링 하였고(Table 5 참조), 적용된 하중분담율은 Table 6과 같다.
제안 방법
기존 병설터널의 확폭시 확폭형식과 필라폭에 따른 기하학적 요소를 매개변수로 하여 범용 지반 유한요소 해석프로그램인 Midas-GTS를 사용하여 MohrCoulomb 파괴기준에 따른 탄소성 해석을 수행하였다. 해석 대상 터널로는 현재 운영중에 있는 편도 2차로의 전주-광양 고속도로 ○○터널(폭 12.
터널 확폭은 2차로 터널에서 4차로 터널로의 확폭을 가정하였으며, 주변 암반 등급은 3등급의 물성을 적용하였다(Table 4 참조). 기존 터널 및 확폭시 터널의 굴착은 전단면 굴착을 실시하였으며, 록볼트로 인한 필라부의 보강효과를 고려하지 않기 위해 지보재는 숏크리트만 시공하는 것으로 모델링 하였고(Table 5 참조), 적용된 하중분담율은 Table 6과 같다.
본 연구에서는 터널 내 만성정체 현상 해소와 노후 터널의 안정성 문제를 해결하기 위해 향후 국내에서 수요가 증가할 것으로 전망되는 기존 병설터널의 확폭시 터널 거동과 필라 안정성을 조사하였으며, 이를 위해 기존의 2차로 병설터널을 4차로 터널로 확폭하는 경우에 대하여 확폭방식(양측 및 편측)과 확폭방향(편측, 좌･우)에 따른 네 가지 case들에 대하여 유한요소해석을 통한 거동 분석과 기존의 경험식 등을 이용한 안전율과 강도/응력비 산정 결과를 비교, 분석하였다. 이를 통해 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
본 절에서는 기존 병설터널의 두 단면을 모두 확폭하게 되는 경우 병설터널의 안정성의 중요한 지표가 되는 암반 필라의 안정성을 터널 확대 방법에 따라 검토하였으며, 검토방법으로는 기존의 경험식들을 통해 안전율을 산정하는 방법과 수치해석을 통해 얻어진 암반 필라의 주응력값을 이용하여 강도-응력비를 산정하는 방법을 적용하였다.
앞서 기술한 2.3절의 강도-응력비 산정식과 수치해석 결과를 바탕으로 얻어진 선･후행 터널 간 암반 필라부 중심부의 주응력값을 이용하여 강도-응력비를 산정하였다(Table 10).
대상 데이터
기존 병설터널의 확폭시 확폭형식과 필라폭에 따른 기하학적 요소를 매개변수로 하여 범용 지반 유한요소 해석프로그램인 Midas-GTS를 사용하여 MohrCoulomb 파괴기준에 따른 탄소성 해석을 수행하였다. 해석 대상 터널로는 현재 운영중에 있는 편도 2차로의 전주-광양 고속도로 ○○터널(폭 12.91 m, 높이 8.2 m)과 편도 4차로의 서울외곽순환도로 △△터널(폭 19.14 m, 높이 10.39 m)의 단면을 적용하였다(Table 3 참조). 해석영역의 설정은 상부는 도로 중심에서 20 m이상(토피고 30.
39 m)의 단면을 적용하였다(Table 3 참조). 해석영역의 설정은 상부는 도로 중심에서 20 m이상(토피고 30.5 m), 측면은 터널 굴착폭의 3배 이상, 하부경계는 터널 주변으로부터 터널 높이의 3배 이상을 고려하여 지반경계가 해석결과에 영향을 미치지 않도록 고려하였다.
이론/모형
경험식에 따른 암반 필라의 안정성을 검토하기 위해 Peck의 방법과 Matsuda의 방법을 이용하여 암반 필라의 안전율을 산정하였다. 산정식은 앞선 2.
성능/효과
1. 필라폭은 동일하나 편측과 양측으로 확대하는 경우의 차이에 따라 편측 확대 터널의 천단침하는 양측 확대 터널에 비해 약 5～20%의 큰 값을 보이는 한편, 선행과 후행 터널을 모두 양측으로 확폭하는 경우 가장 큰 내공변위가 발생하고 전반적으로 후행터널(우측터널) 확폭을 시작함에 따라 선행터널(좌측터널)의 내공변위가 반대로 감소하여 지반이 이완되는 영향을 확인할 수 있었다.
2. 필라폭이 가장 적게 되는 필라방향으로 편측 확폭시 숏크리트 응력은 시공단계가 진행됨에 따라 계속적으로 증가하는 반면, 그 외의 경우들(양측 확폭과 필라 반대측으로 편측 확폭)은 모두 선행터널의 지보재 설치가 완료된 이후부터 점차 수렴하는 양상을 나타내었다.
3. 필라 안정성에 대한 기존의 경험식을 이용한 안전율과 강도/응력비 산정 결과, 전체적으로 Matsuda 방법에 의한 안전율이 Peck의 방법보다 50%정도 더 큰 것으로 나타났으며, 두 방법 모두 단순히 암반의 강도에 기초하여 산정되는 것임을 감안할때, 확폭 후 필라폭이 가장 적게 되는 필라 방향의 편측 확폭이 안정성 측면에서 가장 불리한 방식인 것으로 나타났다.
4. 확폭후 필라폭은 같지만 양측과 편측으로 확폭형식이 다른 두 경우 강도/응력비의 차이는 미미한 수준을 보여 확폭형식 보다는 필라폭이 필라의 안정성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
Table 8에 확폭형식에 따른 터널 거동을 천단변위와 내공변위값, 숏크리트 응력으로 나타내었다. 각 케이스별 천단변위값을 확인 한 결과 터널 확폭 후 필라폭이 좁아질수록 천단변위값이 더욱 크게 발생하는 경향을 나타내었다. 확폭 후 필라폭이 가장 좁은 Case 2의 경우 기존 대비 필라폭의 영향이 상대적으로 적은 Case 3의 천단변위에 비해 18∼32% 정도 더크게 발생하였으며, 필라폭은 같으나 확폭형식에서 차이가 있는 Case 1과 Case 4의 경우에는 편측확폭(Case 4)을 한 경우가 좀 더 크게 발생함(5∼20%)을 확인할 수 있었다.
내공변위는 천단변위와는 달리 필라폭이 가장 좁은 Case 2의 경우가 다른 Case들에 비하여 가장 적게 발생하였으며, 양측 확폭의 Case 1에서 가장 큰 내공 변위가 발생함을 확인 할 수 있었다. 선행터널(좌측터널)의 경우 내공변위가 시공 5단계 이후부터는 반대로 감소하는 양상을 나타내어 후행터널(우측터널) 굴착으로 인한 지반 이완의 영향을 확인할 수 있었다.
수치해석 결과 필라폭의 간격이 좁아질수록 최소주응력은 감소하고 최대주응력은 증가하는 경향을 보였으며, 네 케이스에 대하여 모두 강도-응력비 1.0 이상의 값을 나타내었다. 필라폭이 가장 좁은 Case 2(필라폭 0.
안전율 산정결과 Matsuda의 방법이 Peck의 방법보다 안전율이 더 높게 계산되는 것으로 나타났으며, 필라폭의 간격이 넓은 수록 안전율이 증가하였다. 필라폭이 가장 좁은 Case 2(필라폭 0.
필라폭이 같은 Case 1과 4에 대해서는 양측 확폭을 실시한 Case1 의 내공변위가 Case 4에 비해 28% 더 크게 발생하여 천단변위와 반대 경향을 나타내었다. 필라폭이 좁을수록 숏크리트 응력이 더욱 크게 발생하는 경향을 보였으며, 필라폭이 가장 좁은 Case 2의 경우 숏크리트 응력은 시공단계가 진행됨에 따라 계속 증가하였으나, 나머지 Case들의 경우는 선행터널의 지보재 설치가 완료된 단계(4단계) 이후부터 점차 수렴하는 양상을 나타내었다. 최대 응력이 발생한 경우인 Case 2의 경우 시공단계 중 최대값은 6.
확폭 후 필라폭이 가장 좁은 Case 2의 경우 기존 대비 필라폭의 영향이 상대적으로 적은 Case 3의 천단변위에 비해 18∼32% 정도 더크게 발생하였으며, 필라폭은 같으나 확폭형식에서 차이가 있는 Case 1과 Case 4의 경우에는 편측확폭(Case 4)을 한 경우가 좀 더 크게 발생함(5∼20%)을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
필라의 안정성 평가를 위한 경험적 방법과 수치 해석을 통한 정밀 검토 방법에는 어떤 것들이 있는가?
필라의 안정성 평가를 위한 경험적 방법으로는 Peck (1969)의 방법, Matsuda (1998)이 있으며, 수치 해석을 통한 정밀 검토 방법은 필라부에 작용하는 주응력을 이용하여 암반 파괴규준에 근거한 강도-응력비를 이용한 방법이 있다. Fig.
기존 병설터널의 확폭시 터널 거동과 필라 안정성을 조사한 결과는 어떠한가?
1. 필라폭은 동일하나 편측과 양측으로 확대하는 경우의 차이에 따라 편측 확대 터널의 천단침하는 양측 확대 터널에 비해 약 5～20%의 큰 값을 보이는 한편, 선행과 후행 터널을 모두 양측으로 확폭하는 경우 가장 큰 내공변위가 발생하고 전반적으로 후행터널(우측터널) 확폭을 시작함에 따라 선행터널(좌측터널)의 내공변위가 반대로 감소하여 지반이 이완되는 영향을 확인할 수 있었다.
2. 필라폭이 가장 적게 되는 필라방향으로 편측 확폭시 숏크리트 응력은 시공단계가 진행됨에 따라 계속적으로 증가하는 반면, 그 외의 경우들(양측 확폭과 필라 반대측으로 편측 확폭)은 모두 선행터널의 지보재 설치가 완료된 이후부터 점차 수렴하는 양상을 나타내었다.
3. 필라 안정성에 대한 기존의 경험식을 이용한 안전율과 강도/응력비 산정 결과, 전체적으로 Matsuda 방법에 의한 안전율이 Peck의 방법보다 50%정도 더 큰 것으로 나타났으며, 두 방법 모두 단순히 암반의 강도에 기초하여 산정되는 것임을 감안할때, 확폭 후 필라폭이 가장 적게 되는 필라 방향의 편측 확폭이 안정성 측면에서 가장 불리한 방식인 것으로 나타났다.
4. 확폭후 필라폭은 같지만 양측과 편측으로 확폭형식이 다른 두 경우 강도/응력비의 차이는 미미한 수준을 보여 확폭형식 보다는 필라폭이 필라의 안정성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
신설터널 건설에 많은 제약이 존재하는 이유는 무엇인가?
또한, 기존터널의 노후로 인한 균열, 누수, 박리 현상 등으로 터널 내 안전사고에 대한 위험성도 커지고 있다. 이에 대한 대책으로 신설터널을 건설하거나 기존도로를 확충하는 등의 많은 투자가 이루어지고 있지만, 도심지 내에서는 부지매입, 환경훼손, 터널 보수공사에 따른 우회노선 선정 상의 어려움을 겪고 있어 신설터널 건설에 많은 제약이 존재한다. 이러한 문제들로 인해 해외 특히, 일본에서는 이미 40여 차례 이상 기존 터널에 확폭 공사를 진행할 수밖에 없는 현장이 나타났으며, 이를 성공적으로 수행한 사례들이 보고되고 있다(Seo et al.
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