[논문]터널 열화로 인한 콘크리트 라이닝의 거동에 관한 연구

한영철; 정상섬

doi:10.7843/kgs.2014.30.4.21

터널 열화로 인한 콘크리트 라이닝의 거동에 관한 연구
A Study on the Concrete Lining Behavior due to Tunnel Deterioration 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.30 no.4, 2014년, pp.21 - 34

초록
AI-Helper

본 연구는 터널 열화 특성과 이와 관련된 각종 문헌 및 사례조사를 통하여 비교 분석하고 정량적인 해석을 위한 영향인자를 도출하여 입력변수를 결정하고 국내 고속철도 터널의 대표단면(풍화암)에 대하여 수치해석을 실시하였다. 해석 결과는 공용 후 30년 경과 시 열화로 인하여 천단침하량은 7.0%, 지표침하량은 30.2%이 증가하고 내공변위는 9.0mm가 수축 한 이후 점차 수렴되는 경향을 보였다. 또한 이완하중고는 공사 완료 후 50년 경과 시 터널고의 2.55배까지 증가하여 극한상태에서의 Terzaghi의 제안값 보다 상당히 큰 값을 나타내었으며, 이러한 소성영역의 확장으로 인하여 터널 라이닝에 3.20~3.66MPa의 축응력이 추가로 작용하게 되는 경향을 확인하였다. 따라서 이로부터 설계에 반영할 수 있는 정량적인 예측기법을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper studies the time-dependent behaviors of tunnel and surrounding ground due to tunnel deterioration. In the first part, the literature on deterioration characteristics of tunnels was reviewed. In the second part, a numerical analysis was performed to investigate the behavior of concrete lining on the typical section of Korean high-speed rail tunnel (weathered rock) after determination of input variables related to deterioration impact. The result shows that the settlement at the crown of tunnel and surface ground increased up to 7.0% and 30.2% of the total settlements during construction stage, respectively, and the internal convergence reduction of 9.0 mm for concrete linings was generated within 30 years after completion of tunnel construction. Also the loosening height increased up to 2.55 times of tunnel height within 50 years, which is higher than that of Terzaghi's recommendation on ultimate state. Due to this process of extending zones, it is found that additional loads were applied to concrete lining with the axial stress about 3.20~3.66 MPa, which accelerates tunnel deterioration. Finally the quantitative design approach to evaluate time-dependent behavior of lining and surrounding ground due to tunnel deterioration was proposed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 터널의 열화의 특성과 이와 관련된 각종 문헌 및 사례조사를 통하여 비교 분석하고 정량적인 해석을 위한 영향인자를 도출하여 입력변수를 결정하였다. 또한 터널 주변 지반의 조건 및 지하수의 물리･화학적 특성 등은 지역적으로 각각 상이하므로 표준화하여 구분 적용하기에는 무리가 있으므로, 국내에서 적용하고 있는 수도권 고속 철도 터널 대표단면(PD-5: weathered rock)에 국한하여 수치해석을 실시하고 열화에 따른 터널의 역학적인 거동에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 터널의 열화의 특성과 이와 관련된 영향인자를 도출하여 입력 변수를 결정하고 수도권 고속철도 터널 대표단면(PD-5)의 풍화암 지반에 국한하여 수치해석을 실시하고 열화에 따른 터널의 역학적인 거동에 대한 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 단, 지반에 대한 시간 의존성 입력 변수는 기존 자료를 근거로 하여 지하수에 취약한 shale 등의 퇴적암을 대상으로 결정하였다.

가설 설정

단, 내부 마찰각(Φ)은 변화가 없는 것으로 가정하였다.
터널의 열화로 인한 주변 지반의 거동 해석은 터널 구조물이 완료된 상태인 운영 과정 중에 발생하나, 터널 굴착 과정 중에 터널 주변지반에 이미 변위 및 소성영역이 발생하므로 굴착단계부터 해석 할 필요가 있다. 따라서 터널 굴착 과정은 상하부 반단면으로 굴착 후의 하중 분담율은 30%로 하고 soft(green) shotcrete 타설시 70%, hard shotcrete 타설시 100%로 하여 2차 라이닝에는 하중이 작용하지 않토록 하고 공사기간을 3년으로 가정하였다. 이후 열화로 인한 주변 지반, shotcrete 및 2차 라이닝 경시변화 곡선으로부터 단계별(10년 간격)로 저하된 각각의 물성치를 구하여 입력치를 변환하였다.
또한 열화가 진행되는 터널 주변지반의 영역은 소성(이완)영역의 발달과 병행하여 지하수위 및 지하수 유출로 인한 화학적 열화가 진행되므로(Jiang 등, 2007; German guideline DS 853, 2007; CETu, 2004), Terzaghi(1946)의 극한상태의 이완영역을 대상으로 하여 터널 측벽 하부에서 tan(Φ+45°) 및 터널 상부는 터널고의 3.0배로 가정하여 Fig. 10과 같이 grid & mesh를 작성하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

2차 라이닝의 열화는 배면의 방수막 설치 여부에 따라 차이가 있으나, 본 연구에서는 방수막에 결함이 있는 상태를 기준으로 검토하였다. 따라서 열화에 따른 라이닝 콘크리트의 탄성계수(E_L)의 저감 예측은 Yokozeki 등(2004)이 제안한 100mm/100년을 기준으로 열화 면적의 경시변화(A_d(t))를 0.
4.1 Ageing(creep) 효과

과거에는 여러 연구자들에 의해 터널 주변 지반의 ageing 효과를 다양한 rheological(time effects) 모델을 기초로 하여 연구하였다. 이러한 효과를 고려한 터널 주변 지반의 장기적인 거동에 대한 이론은 주로 Power law 및 Hyperbolic Law를 이용하였으며(Phienwej et al.
본 연구에서는 수치해석 과정에서 열화와 관련된 영향인자에 대한 매개(입력)변수로서 터널 주변 지반의 탄성 계수(E) 및 강도 정수(c , Φ), shotcrete 및 2차 라이닝의 탄성계수(E)로 하였으며 경시변화의 오차 범위가 커서 평균값을 적용하였다.
본 연구에서는 터널의 열화의 특성과 이와 관련된 각종 문헌 및 사례조사를 통하여 비교 분석하고 정량적인 해석을 위한 영향인자를 도출하여 입력변수를 결정하였다. 또한 터널 주변 지반의 조건 및 지하수의 물리･화학적 특성 등은 지역적으로 각각 상이하므로 표준화하여 구분 적용하기에는 무리가 있으므로, 국내에서 적용하고 있는 수도권 고속 철도 터널 대표단면(PD-5: weathered rock)에 국한하여 수치해석을 실시하고 열화에 따른 터널의 역학적인 거동에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구의 열화에 따른 터널 거동 해석을 위하여 기존 문헌 조사 및 분석(제 4장)에서 제시된 예측 기법을 종합분석하였으며, 이로부터 열화에 따른 지반의 탄성 계수(E) 및 강도 정수(c , Φ), shotcrete 및 2차 라이닝에 대한 탄성계수(E)에 대하여 각각의 해석 입력치를 결정하였으며, 경시변화의 오차 범위가 커서 평균값을 적용하였다.
따라서 터널 굴착 과정은 상하부 반단면으로 굴착 후의 하중 분담율은 30%로 하고 soft(green) shotcrete 타설시 70%, hard shotcrete 타설시 100%로 하여 2차 라이닝에는 하중이 작용하지 않토록 하고 공사기간을 3년으로 가정하였다. 이후 열화로 인한 주변 지반, shotcrete 및 2차 라이닝 경시변화 곡선으로부터 단계별(10년 간격)로 저하된 각각의 물성치를 구하여 입력치를 변환하였다.
한편 상기 식에서 강도 특성(c , Φ)의 저하뿐 만 아니라 탄성계수(E)도 최종 단계로서 40%까지 저하토록 제안하였다.

대상 데이터

5와 같이 초기 응력상태(peak strength)의 전단강도 정수(c_peak, Φ_peak)에서 잔류 응력상태(residual strength)의 강도 정수(c_res, Φ_res)로 감소한다는 가정 하에 탄소성모델을 사용하여 유한차분법(FDM)으로 보강방안에 대한 검토를 수행하였다. 검토 대상은 재래식 터널인 Rokujurigoe 터널(JR Tadami line)이며 지반 상태는 신제3기 퇴적암(이암, 응회암)으로서 팽창성 광물인 Montmorillonite를 함유하고 있어 물에 상당히 취약한 지반으로 형성되고 있으며, 실제 현장에서의 측정 변위에 대하여 강도정수(c)의 경시변화로 환산하여 Fig. 6과 같이 열화에 따른 지반의 전단강도 분포를 입력치로 이용하였다. 단, 내부 마찰각(Φ)은 변화가 없는 것으로 가정하였다.
3)으로부터 식 (4)와 같은 시간 의존성 열화로 인한 산정식을 이용하여 라이닝의 거동을 분석 하였다. 단, 시간 의존성 강도 저하는 점착력(c) 만을 대상으로 하였다.
본 연구에서는 터널의 열화의 특성과 이와 관련된 영향인자를 도출하여 입력 변수를 결정하고 수도권 고속철도 터널 대표단면(PD-5)의 풍화암 지반에 국한하여 수치해석을 실시하고 열화에 따른 터널의 역학적인 거동에 대한 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 단, 지반에 대한 시간 의존성 입력 변수는 기존 자료를 근거로 하여 지하수에 취약한 shale 등의 퇴적암을 대상으로 결정하였다.
본 연구에서 해석단면은 수도권 고속철도 터널 표준 단면(PD-5: weathered rock)의 폭 13.54m, 높이 10.16m 로 하고(Fig. 9) 표준 지보패턴은 상하부 반단면 굴착 단면을 적용하였다. 지반조건은 풍화암의 단일 지반으로 하고 토피는 대심도로서 터널고의 8배로 하였다.
본 연구에서는 수치해석 과정에서 열화와 관련된 영향인자에 대한 매개(입력)변수로서 터널 주변 지반의 탄성 계수(E) 및 강도 정수(c , Φ), shotcrete 및 2차 라이닝의 탄성계수(E)로 하였으며 경시변화의 오차 범위가 커서 평균값을 적용하였다. 특히 지반에 대한 시간 의존성 입력 변수는 기존 자료를 근거로 하여 지하수에 취약한 shale 등의 퇴적암을 대상으로 결정하였다.

이론/모형

따라서 본 연구에서는 수도권 고속철도 터널 표준단면(Type PD-5: weathered rock)에 대하여 국내에서 실용적으로 사용되고 있는 유한차분법(FDM) 프로그램인 FLAC 2D(Ver. 7)를 이용하여 열화 따른 터널의 거동 해석을 수행하였으며, 지반재료의 거동은 Mohr-Coulomb (MC) 파괴기준을 따르는 Eastic-perfectly-plastic 구성모델로 하고, shotcrete 및 2차 라이닝은 Linear elastic 구성 모델을 적용하였다.
따라서 열화에 따른 라이닝 콘크리트의 탄성계수(EL)의 저감 예측은 Yokozeki 등(2004)이 제안한 100mm/100년을 기준으로 열화 면적의 경시변화(Ad(t))를 0.001t로 하고 shotcrete와 동일한 방법으로 탄성계수의 값 (δEL = km ∙ δAd ∙E0)을 구하고, 또한 Flonzaley tunnel(Sandrone and Labious, 2010)의 30년 경과된 시료의 일축압축강도(f’c)가 45MPa에서 39MPa로 저하된 자료로부터 Mainguy 등(2000)이 제안한 식 (9)의 열화 두께(Xd) 및 식 (8)을 이용하여 δAd를 구하여 탄성계수(EL)의 저감 곡선을 구하였으며, 이들의 평균값의 분포를 Fig. 15에 나타내었다.
열화에 따른 지반의 내부 마찰각(Φ(t))의 저감 예측 기법은 Sandrone and Labious(2010)이 제안한 Ladanyi (1974)의 쌍곡선 법(hyporbolic law)의 식 (1)을 적용하여 최종 단계의 내부 마찰각(ΦLT)의 값을 잔류강도(residual strength) 개념으로 30%로 하고, 준공 후 100년이 경과 되어 노후화된 Tunnel A, 17개 노후 터널의 계측 자료 및 Guan(2008)의 5년간의 측정 자료로부터 시간에 따른 점착력(c(t))의 저감 곡선을 구하였으며, 이들의 평균값의 분포를 Fig. 13에 나타내었다.
열화에 따른 지반의 변형계수(E)의 저감 예측기법은 Sandrone and Labious(2010)이 제안한 Ladanyi(1974) 및 Sulem(1994)의 쌍곡선 법(Hyporbolic law)의 식 (1)를 적용하고 최종 단계의 변형계수(E_LT)의 값을 40%로 하였다. 또한 A9 Bosruck Tunnel(Lenz 등, 2010) 및 Niagara water tunnel(Marcher, 2011)의 실측자료에 대하여 식 (2)과 식 (3)으로부터 시간에 따른 변형계수(E(t))의 저감 곡선을 구하였으며, 이들의 평균값의 분포를 Fig.
열화에 따른 지반의 점착력(c)의 저감 예측기법은 Sandrone and Labious(2010)이 제안한 Ladanyi(1974)의 쌍곡선 법(Hyporbolic law)의 식 (1)을 적용하여 최종 단계의 점착력(c_LT)의 값을 잔류강도(residual strength) 개념으로 30%로 하고, Sato(1984) 및 Usman(2011)이 제안한 최종 점착력(c_LT)의 값은 0%으로 하여 각각의 저감 곡선을 구하였다. 또한 Matsunaga(2008)가 제안한 근사 곡선(logarithmic curve)의 식 (5)를 이용하여 공용 후 100년이 경과된 Tunnel A, JR Rokujurigoe tunnel, 17개 노후 터널의 계측 자료 및 Guan(2008)의 5년간의 측정 자료로부터 시간에 따른 점착력(c)의 저감 곡선을 구하여, 이들의 평균값의 분포를 Fig.
터널 복합구조체(지반, shotcrete 및 라이닝)의 열화가 진행함에 따라 주변지반의 거동 및 지보공에 작용하는 하중을 CCM(Convergence-confinement method)의 형식으로 지반특성곡선(Ground characteristic curve, GCC)과 지보반응선(support reaction line, SRL)으로 나타내면 Fig. 1과 같다.

성능/효과

(1) 열화로 인한 터널의 거동 특성은 개통 이후 운영 초기에 급격히 증가하여 약 30년 경과 후에 공사기간동안 발생되는 총 변위량 보다 천단침하는 4.4mm (7% 증가) 및 지표침하량은 3.8mm(30% 증가)가 추가 발생하였으며 이후 점차 수렴되는 경향을 보였다. 또한 2차 라이닝의 내공 변위(spring line)는 운영 초기에 급격히 증가하여 약 30년 경과 후 9.
(2) 열화로 인하여 이완 하중고(H_L)는 공사 완료 후 터널 고(H₀)의 1.08배에서 50년 경과 후에 2.55배로 주변지반의 이완 영역이 확장되어 터널 라이닝에 추가 하중이 작용하게 되는 경향을 확인 할 수 있었다. 특히 Terzaghi(1946)가 제안한 이완 하중고(H_L/H₀=1.
(3) 열화 따른 터널의 안정성과 관련하여 다양한 지반(해저 터널의 해수 침투, 그라우팅 보강 지반, shale 혹은 gypsiferous materials 등과 같은 퇴적암(sedimentary rocks)등)에 대하여 열화에 따른 터널 구조체의 장기적인 특성 변화에 대한 예측기법을 제안하였으며, 터널의 장기적인 터널 주변지반 및 라이닝의 안정성에 대한 해석이 가능 할 것으로 판단되었다.
19와 같다. 공용 후 30년 경과 시 천단부 및 측벽부(Spring Line, SL)에서 3.55MPa 및 3.10MPa, 또한 50년 후 3.66MPa 및 3.20MPa의 축 응력의 증가가 발생하는 것으로 분석되었다. 따라서 터널 구조체의 열화에 따른 이완하중의 증가로 인하여 터널 라이닝에 추가 하중이 작용하게 되고, 이로 인해 라이닝에 균열이 발생할 수 있으며 심할 경우 파괴에 이르게 될 가능성을 확인하였다.
20MPa의 축 응력의 증가가 발생하는 것으로 분석되었다. 따라서 터널 구조체의 열화에 따른 이완하중의 증가로 인하여 터널 라이닝에 추가 하중이 작용하게 되고, 이로 인해 라이닝에 균열이 발생할 수 있으며 심할 경우 파괴에 이르게 될 가능성을 확인하였다.
20MPa의 축 응력의 증가가 발생하는 것으로 분석되었다. 따라서 터널 구조체의 열화에 따른 이완하중의 증가로 인하여 터널 라이닝에 추가 하중이 작용하게 되고, 이로 인해 라이닝에 균열이 발생할 수 있으며 심할 경우 파괴에 이르게 될 가능성을 확인하였다.
한편 2차 라이닝의 경우에는 강도 저하가 큰 문제를 야기치 않으며 정기적인 보수 등 유지관리가 가능하나, 방수막 배면의 1차 지보공 및 지반에 대한 보수 및 보강은 곤란한 실정이므로 세부적인 연구가 절실한 실정에 있다. 터널의 장기적인 안정성에 대하여 주요 열화 과정의 영향을 평가하는 방안으로 지반 및 지보공의 역학적인 특성을 저하시키거나 또는 시간 의존성을 고려하는 rheological 모델을 사용한 해석이 가능하다.

후속연구

(4) 향후 터널 구조체의 열화에 따른 터널의 거동과 관련하여 외국 추세에 맞추어 터널 운영 중에도 장기적인 계측관리와 병행하여 다양한 지반에 대한 지속적인 조사 및 실험을 통하여 좀 더 정밀한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
따라서 각각의 터널마다 정기적인 정밀조사가 필연적이며 터널 주변지반에 대하여 지상 또는 방수막이 파손된 지역인 경우 터널 내에서 공내 전단강도 시험이나, 시추조사를 통한 시료 및 지하수를 채취하여 장기적인 지반의 강도 저하 특성 및 지하수의 화학적 특성을 파악함으로서 정량적인 해석이 가능 할 것으로 판단된다. 이러한 영향인자에 대한 입력변수를 본 연구와 같은 해석 기법으로 FEM이나 FDM해석 프로그램의 입력치로 하여 터널의 장기적인 터널 주변지반 및 라이닝의 안정성에 대한 해석이 가능 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	장기적으로 터널 운영과정 중에 발생하는 터널 복합 구조체의 열화 현상에 대한 원인은 무엇들로 대별되는가?	장기적으로 터널 운영과정 중에 발생하는 터널 복합 구조체의 열화 현상에 대한 원인으로는 물리적(Physical processes), 화학적(chemical processes) 및 기타 요인(Other actions)으로 대별할 수 있다(Sandrone and Labiouse, 2010).
	1980년 초 국내 도입된 NATM 터널은 무엇으로 구성되어 있는가?	1980년 초 국내 도입된 NATM 터널은 주변 지반과 1차 지보공(shotcrete, rockbolt, steel rib, spiles 등) 및 2차라이닝(secondary lining)의 이중(double shell) 복합구조체로 구성되며, 2차(콘크리트) 라이닝은 지하수 차단과 1차 지보공 및 2차 라이닝의 분리를 목적으로 설치되는 방수막(waterproofing membrane)의 보호, 차량의 통행에 따른 시계 및 미관 확보 등의 목적으로 Final(concrete) lining, Permanent lining, Inner liner로도 불리우고 있다. 이러한 터널 구조물은 시간이 경과함에 따라 터널 복합 구조체에 각종 열화가 진행되고 노후화 되어 내구성의 저하가 발생하며 내구수명 및 사용연한을 감소시키는 결과를 초래하게 된다.
	장기적으로 터널 운영과정 중에 발생하는 터널 복합 구조체의 열화 현상에 대한 원인중 물리적 요인은 어떠한 현상인가?	물리적 요인은 ageing 혹은 creep효과와 같이 시간이 경과함에 따라 특성의 변화가 발생하는 현상이며 강성도의 저하 혹은 변형률 증가를 일으키며, 화학적 요인은 풍화(weathering)나 주변 환경(지하수, 대기오염 등)에 따른 화학적 변화로서 강도 및 역학적 특성을 감소시키며, 특히 shotcrete나 라이닝의 두께를 감소시킨다. 또한 기타 요인으로서는 동결, 화재 등이 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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