터널 구조물 안정성은 굴착하는 지반강도에 전적으로 좌우되는 특성이 있다. 지반강도가 약한 경우에는 터널 굴착 공사중 붕락이 자주 발생하게 된다. 일반적으로 이러한 조건에서는 분할굴착 또는 사전 보강을 실시하여 굴착 중 붕락에 대비하게 된다. 그럼에도 불구하고 연약대에서는 상반굴착 중 천단부 붕락이 발생할 수 있는데 이러한 사례는 많고 붕락 부위에 대해서 보강공법 적용을 통해 복구가 가능하다. 터널 바닥부에서 융기가 발생하는 경우에는 상부구간까지 악영향을 미치므로 터널 구조물 전체적인 안정성에 치명적인 영향을 줄 수 있다. 따라서 하부구간이 불량한 경우에는 반드시 심도 있는 보강검토가 필요하다. 터널 바닥부 융기로 인해 터널 안정성에 위해한 영향을 주는 사례가 최근에 터널 장대화와 관련되어 증가하고 있으므로 보강적용 기준에 대한 연구가 필요하고 본 연구에서는 실제 현장 하부구간 융기사례들을 조사하여 거동특성과 보강방안을 분석하였다.
터널 구조물 안정성은 굴착하는 지반강도에 전적으로 좌우되는 특성이 있다. 지반강도가 약한 경우에는 터널 굴착 공사중 붕락이 자주 발생하게 된다. 일반적으로 이러한 조건에서는 분할굴착 또는 사전 보강을 실시하여 굴착 중 붕락에 대비하게 된다. 그럼에도 불구하고 연약대에서는 상반굴착 중 천단부 붕락이 발생할 수 있는데 이러한 사례는 많고 붕락 부위에 대해서 보강공법 적용을 통해 복구가 가능하다. 터널 바닥부에서 융기가 발생하는 경우에는 상부구간까지 악영향을 미치므로 터널 구조물 전체적인 안정성에 치명적인 영향을 줄 수 있다. 따라서 하부구간이 불량한 경우에는 반드시 심도 있는 보강검토가 필요하다. 터널 바닥부 융기로 인해 터널 안정성에 위해한 영향을 주는 사례가 최근에 터널 장대화와 관련되어 증가하고 있으므로 보강적용 기준에 대한 연구가 필요하고 본 연구에서는 실제 현장 하부구간 융기사례들을 조사하여 거동특성과 보강방안을 분석하였다.
The stability of tunnel construction depends entirely on the characteristics of the soil strength. If the soil strength is weak, collapse of tunnel occurs frequently under construction. In general, it copes with collapse by conducting half section excavation or reinforcement in advance under these c...
The stability of tunnel construction depends entirely on the characteristics of the soil strength. If the soil strength is weak, collapse of tunnel occurs frequently under construction. In general, it copes with collapse by conducting half section excavation or reinforcement in advance under these conditions. Nevertheless, it can be collapsed under upper section excavation in the weathered fracture zone and it can be recovered through the application of reinforcement. As it has a bad influence on the upper section in case of upheaveal of tunnel bottom, it can be adversely affected on the overall stability of the tunnel. Thus, an in-depth review of reinforcement is needed in poor bottom ground. As the practices that has a bad affect on the stability of the tunnel due to upheaveal of tunnel bottom is increasing, research is needed for applicable standards for reinforcement. In this paper, it were investigated at actual field cases of upheaveal of bottom ground and characteristics of behavior and reinforcement measures were analyzed.
The stability of tunnel construction depends entirely on the characteristics of the soil strength. If the soil strength is weak, collapse of tunnel occurs frequently under construction. In general, it copes with collapse by conducting half section excavation or reinforcement in advance under these conditions. Nevertheless, it can be collapsed under upper section excavation in the weathered fracture zone and it can be recovered through the application of reinforcement. As it has a bad influence on the upper section in case of upheaveal of tunnel bottom, it can be adversely affected on the overall stability of the tunnel. Thus, an in-depth review of reinforcement is needed in poor bottom ground. As the practices that has a bad affect on the stability of the tunnel due to upheaveal of tunnel bottom is increasing, research is needed for applicable standards for reinforcement. In this paper, it were investigated at actual field cases of upheaveal of bottom ground and characteristics of behavior and reinforcement measures were analyzed.
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문제 정의
일반적으로 터널시공 중 조사된 실제 붕락 사례를 근거로 분석해보면 천단부 국부적인 붕락이 가장 많이 발생하고 두 번째로 지표면 함몰형태 붕락이 발생하는 것으로 분석되었다. 최근에 터널길이가 장대화되면서 굴착완료 후 바닥부 연약한 지반조건으로 인하여 Fig. 4와 같이 터널 바닥부 융기가 발생하여 터널 천단부 균열 및 붕락이 확대되는 사례가 종종 발생하므로 본 연구에서 이러한 터널 바닥 측벽부 과다변위로 인한 거동 특성을 분석하였다. 터널 바닥 측벽부 숏크리트 탈락사례는 시간적인 측면에서 과거 주로 발생하였던 막장면 천단부 붕락, 지표면 함몰형 붕락과는 다른 거동특성을 보인다.
제안 방법
막장면 관찰자료 분석을 통하여 파악한 연약대의 터널 주변 분포현황을 파악하기 위하여 추가 시추조사를 수행하였으며 시추조사 위치 및 시추조사 결과는 Fig. 14와 같다.
대상 데이터
Fig. 10은 터널 바닥부 융기로 인하여 단부변형 및 숏크리트 균열 또는 탈락이 파쇄대구간인 STA.1+570∼STA.1+ 662의 92 m 구간 중 STA.1+584∼STA.1+653까지의 총 69 m 구간에 걸쳐 발생하였고 변위관련 내용을 살펴보면 내공변위는 최대 28 cm가 69 m 구간 범위에서 발생하였으며 균열은 총 30개소에서 최대 40 mm가 발생하였고 숏크리트 탈락 및 파손이 69 m 구간에 걸쳐 발생하였다.
성능/효과
(2) 현장조사 및 추가지반조사 결과와 역해석 결과 등을 이용하여 종합적으로 과다 변위 발생 원인에 대해 검토를 실시하였으며, 1차 보강구간에서 발생한 과다변위는 터널 굴착에 의한 지반이완으로 지속적인 지표수 침투에 의한 함수비 증가로 인해, 연약대 점토성분의 슬래이킹 발생으로 지반의 전단강도가 감소하였다.
(2) 현장조사 및 추가지반조사 결과와 역해석 결과 등을 이용하여 종합적으로 과다 변위 발생 원인에 대해 검토를 실시하였으며, 1차 보강구간에서 발생한 과다변위는 터널 굴착에 의한 지반이완으로 지속적인 지표수 침투에 의한 함수비 증가로 인해, 연약대 점토성분의 슬래이킹 발생으로 지반의 전단강도가 감소하였다. 결과적으로 숏크리트 및 강지보 보강량이 부족하였고, 이에 따라 지보재 침하에 의한 내공 부족 및 숏크리트에 전단파괴가 발생한 것으로 분석되었다. 이러한 특성을 분석하기 위하여 실시한 시험결과, 슬래이킹시험과 수침시험(슬레이킹 속도시험) 결과로 수침 후 6시간 경과 후 원래의 형태를 잃어버리고 붕괴되는데, 이는 이암에 준하는 속도로 슬레이킹 속도가 매우 빠르며 이러한 경우 슬래이킹에 의한 강도 감소가 발생하는 것으로 분석되었다.
(1) 일반적으로 터널 천단부에 국부적으로 연약대가 존재하는 경우에는 1차 변위 발생 후 보강공법을 적용하여 강성증가 시 변위가 수렴되는 경우가 대부분이다. 그러나 본 연구대상 터널과 같이 바닥부에 연약대가 존재하는 경우에는 1차 변위 발생 후 2차 변위가 5 mm 이상 발생하다가 수렴양상을 보이다가 6개월 이상 시간 경과 후 다시 3차 변위가 10 mm 이상 추가로 발생하는 시간 의존적 거동 특성이 있는 것으로 분석되었다. 따라서 바닥부에 연약대가 존재하지 않는 터널과 굴착 후 변위거동 특성이 다른 것으로 분석되었고 이와같이 바닥부에 연약대가 존재하는 경우에는 상부 보강공법 적용 이후, 터널 굴착 완료 이후까지 최소 6개월 이상 지속적으로 계측을 실시하여야 할 것으로 분석되었다.
그러나 본 연구대상 터널과 같이 바닥부에 연약대가 존재하는 경우에는 1차 변위 발생 후 2차 변위가 5 mm 이상 발생하다가 수렴양상을 보이다가 6개월 이상 시간 경과 후 다시 3차 변위가 10 mm 이상 추가로 발생하는 시간 의존적 거동 특성이 있는 것으로 분석되었다. 따라서 바닥부에 연약대가 존재하지 않는 터널과 굴착 후 변위거동 특성이 다른 것으로 분석되었고 이와같이 바닥부에 연약대가 존재하는 경우에는 상부 보강공법 적용 이후, 터널 굴착 완료 이후까지 최소 6개월 이상 지속적으로 계측을 실시하여야 할 것으로 분석되었다.
굴착 직후 1차 변위가 20일간에 걸쳐서 변위가 급하게 증가하였고 최대 58 mm 이상 발생하였다. 따라서 변위를 억제하기 위한 압성토 조치 이후 그라우팅 주입과 강재 보강형 보강공법을 적용하였고 지속적인 계측을 수행하여 1차 변위는 수렴된 것으로 판단하였으며 압성토 제거 후 2차 굴착작업 후 계측을 수행한 결과 2차 변위가 5 mm가 추가로 발생하였다. 2차 변위가 1차 변위에 비하여 미소한 것으로 분석되어 압성토 조치 등을 실시하지 않고 관찰한 결과, 3차 변위가 10 mm 이상 발생하였다.
막장면 관찰자료 분석 및 추가지반조사 결과 상행선 방향 변상구간 주변으로 풍화토 특성의 심한 풍화파쇄대 지반이 혼재하며, 불연속면의 간격이 좁고 전반적으로 불연속면 사이에 점토가 충전되어 강도특성이 매우 낮은 것으로 평가되었다. 특히 하행선 방향의 변상구간은 터널 방향과 평행한 방향성을 가지는 고각의 불연속면과 함께 전반적으로 풍화암 구간에 풍화토가 혼재하고 있는 형태의 불량한 지반 조건으로 평가되었다(청우기술, 2004).
변상구간은 전반적으로 잔류전단강도 상태의 이완영역이 폭넓게 분포한 상태에서 하반굴착이 진행되는 과정에서 강지보 파단이 발생하였다. 본 융기발생구간에 고각의 점토충전 절리들이 하반 굴착에 의해 지보력이 상실된 구간에서 하반굴착 진행에 따른 지보력 감소 및 전방 발파진동의 영향으로 지속적인 미끄러짐으로 변상을 발생시켰으며, 이의 영향으로 절리의 방향 연장선에 위치하는 풍화토가 혼재하는 구간에서 과대 변위를 발생시킨 것으로 분석되었다.
불연속면에 충전된 단층점토(두께 50 cm 이상)로 인해 절리면의 전단강도는 매우 낮은 상태로 굴착 중 용수증가 여부에 민감하게 반응하여 터널 굴착 시 주변에 분포한 연약한 절리의 변형이 점진적으로 증가하여 점차적으로 전단강도가 저하되는 현상이 나타났고 잔류전단강도 상태에 도달한 상태에서 터널 지보재에 과대한 부재력과 함께 터널의 과대변형을 유발한 것으로 분석되었다.
상행선 구간은 부분적으로 위험레벨(50 mm)을 초과하는계측값을 나타내며, 상행선 방향 변상발생일 이전까지 하반굴착 진행에 따라 지속적으로 변위가 증가한 것으로 기록되었다. 하행선 방향은 당초 시공 시 발생한 변위량은 안전레벨 이하로 발생하였으나, 하행성 방향 강지보 파단 이후 지속적인 변위증가로 상행선 방향 구간은 부분적으로 위험레벨을 초과하는 계측값을 나타내는 것으로 기록되었다.
융기발생구간에 분포하는 연약대 주향이 지표면까지 연장되는 경우 터널의 굴착에 매우 불리한 영향을 나타내며, 융기발생구간 막장관찰 결과 전반적으로 불연속면의 간격이 좁고 풍화되어 있으며, 전반적으로 단층점토가 충전된 불연속면이 발달하고 있는 것으로 조사되었다.
결과적으로 숏크리트 및 강지보 보강량이 부족하였고, 이에 따라 지보재 침하에 의한 내공 부족 및 숏크리트에 전단파괴가 발생한 것으로 분석되었다. 이러한 특성을 분석하기 위하여 실시한 시험결과, 슬래이킹시험과 수침시험(슬레이킹 속도시험) 결과로 수침 후 6시간 경과 후 원래의 형태를 잃어버리고 붕괴되는데, 이는 이암에 준하는 속도로 슬레이킹 속도가 매우 빠르며 이러한 경우 슬래이킹에 의한 강도 감소가 발생하는 것으로 분석되었다.
본 계측결과는 하반굴착과 더불어 지속적으로 발생한 결과이다. 조사된 지질조건을 고려할때, 천단침하와 내공변위는 수렴되지 않고 굴착완료 후에도 장기간에 걸쳐 발생할 가능성이 높은 것으로 분석되었다.
터널 굴착 중 붕락 및 변위는 취약지반의 규모와 방향성, 막장면에서 발생되는 용수량 급증 정도에 영향을 직접적으로 받는데 본 터널 바닥부 융기가 발생한 터널현장은 Fig. 5와 같이 상행선의 경우, 터널 막장면 굴진 방향과 평행한 방향(N45∼55E)의 단층코아 및 손상대가 관찰되었고 터널 중심부 및 우아치부에 국한되어 발달하여 RMR 10 이하의 단층대가 분포하는 것으로 조사되었다.
하행선 방향은 RMR 분류에 의한 암반등급 평가 시 변상구간의 지하수 상태는 전체적으로 습윤상태이며 풍화잔류토가 광범위하게 분포하는 것으로 평가되며 지반조건이 매우 불량한 것으로 관찰되었다.
상행선 구간은 부분적으로 위험레벨(50 mm)을 초과하는계측값을 나타내며, 상행선 방향 변상발생일 이전까지 하반굴착 진행에 따라 지속적으로 변위가 증가한 것으로 기록되었다. 하행선 방향은 당초 시공 시 발생한 변위량은 안전레벨 이하로 발생하였으나, 하행성 방향 강지보 파단 이후 지속적인 변위증가로 상행선 방향 구간은 부분적으로 위험레벨을 초과하는 계측값을 나타내는 것으로 기록되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
터널 구조물의 특성은?
터널 구조물은 굴착하는 지반강도 조건에 전적으로 터널안정성을 좌우하는 특성이 있다. 따라서 터널 공사 중 굴착 주변 지반조건이 불량한 단층파쇄대 등은 시공 중 국부적으로 접하게 되는 단층파쇄대의 규모나 방향성, 지하수 발생 여건에 따라서 굴착과 동시에 붕락이 발생하는 경우가 종종 있다.
터널 바닥부에 존재하는 연약대로 인해 터널 굴착 후 바닥부 융기가 발생한 현장사례를 분석한 결과는?
(1) 일반적으로 터널 천단부에 국부적으로 연약대가 존재하는 경우에는 1차 변위 발생 후 보강공법을 적용하여 강성증가 시 변위가 수렴되는 경우가 대부분이다. 그러나 본 연구대상 터널과 같이 바닥부에 연약대가 존재하는 경우에는 1차 변위 발생 후 2차 변위가 5 mm 이상 발생하다가 수렴양상을 보이다가 6개월 이상 시간 경과후 다시 3차 변위가 10 mm 이상 추가로 발생하는 시간 의존적 거동 특성이 있는 것으로 분석되었다. 따라서 바닥부에 연약대가 존재하지 않는 터널과 굴착 후 변위거동 특성이 다른 것으로 분석되었고 이와같이 바닥부에 연약대가 존재하는 경우에는 상부 보강공법 적용 이후, 터널 굴착 완료 이후까지 최소 6개월 이상 지속적으로 계측을 실시하여야 할 것으로 분석되었다.
(2) 현장조사 및 추가지반조사 결과와 역해석 결과 등을 이용하여 종합적으로 과다 변위 발생 원인에 대해 검토를 실시하였으며, 1차 보강구간에서 발생한 과다변위는 터널 굴착에 의한 지반이완으로 지속적인 지표수 침투에 의한 함수비 증가로 인해, 연약대 점토성분의 슬래이킹 발생으로 지반의 전단강도가 감소하였다. 결과적으로 숏크리트 및 강지보 보강량이 부족하였고, 이에 따라 지보재 침하에 의한 내공 부족 및 숏크리트에 전단파괴가 발생한 것으로 분석되었다. 이러한 특성을 분석하기 위하여 실시한 시험결과, 슬래이킹시험과 수침시험(슬레이킹 속도시험) 결과로 수침 후 6시간 경과 후 원래의 형태를 잃어버리고 붕괴되는데, 이는 이암에 준하는 속도로 슬레이킹 속도가 매우 빠르며 이러한 경우 슬래이킹에 의한 강도 감소가 발생하는 것으로 분석되었다.
지보재 폐합 후에 발생하는 터널의 붕괴유형은 어떤 것들이 있는가?
지보재 폐합 후에 발생하는 터널의 붕괴유형은 전단파괴에 인한 붕괴, 압축파괴에 의한 붕괴, 펀칭파괴에 인한붕괴, 휨압축파괴에 인한 붕괴, 밀림현상에 의한 붕괴가 있다. 전단파괴에 의한 붕괴유형은 연약대, 파쇄대, 단층대 등 국부적으로 취약한 지층조건과 터널이 간섭될 경우 취약한 부분에 집중된 지반응력 및 하중 등이 터널의 지보재에 국부적인 외력으로 작용하여 지보재의 전단파괴를 유발하여 발생한다.
참고문헌 (5)
청우기술 (2004), 00터널 안정성 분석 보고서, pp. 15-52.
한국도로공사 (2003), 00터널 안정성 보고서, pp. 2-81.
한국도로공사 (2004), 00터널 붕락원인 및 보강대책 보고서, pp. 9-78.
한국터널지하공간학회 (2010), 터널붕괴사례집, 도서출판 씨아이알, pp. 25-28.
Kim, N. Y., Park, Y. H., Shim, J. W. and Park, Y. S. (2009), A study on the pattern of tunnel collapse in weathered rockmass, Journal of The Korean Geo-Environmental Society, Vol. 10, No. 1, pp. 55-61 (in Korean).
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