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문제 정의
- 하지만 기존 연구는 경험식과 수치해석에 의존한 예측이 전부인 실정이다 (Kim, 2007, Sin, 2010). 따라서, 본 연구는 암질의 조건에 따라 필라부 폭을 대폭 근접시킬 때, 역학적 거동과 최소 근접 시공된 사례를 바탕으로 현장계측자료와 수치해석 결과를 비교 평가하였으며, 기존 터널 배치계획(2D이상)에 대한 개선 방안을 이론식과 수치해석기법 및 실제 시공된 계측자료를 통하여 분석‧평가하였다.
제안 방법
- 6 m 규모의 터널을 선정하였다. 굴착 방법 및 지보설계는 암반 II등급 및 암반 III등급으로 전단면 굴착하는 것으로 적용하였다. 필라폭은 1.
- 본 논문은 산악지 터널에서 암반 필라(pillar)부에 작용하는 외력에 대한 이격거리별 경험식과 수치해석적 기법을 활용하고, 근접터널의 암반 필라(pillar)부의 보강방안에 따라 터널의 역학적 거동을 분석과 현장 계측결과로 터널 안전성을 확인할 수 있었으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시공 중의 지질상황을 계측으로 확인하고, 해석기법에 의한 결과와 비교분석하여 실제 현장에 맞도록 수정 보완하여 가장 효과적이며 안정된 시공을 도모하여야 한다. 본 연구에서는 수치해석 기법을 이용하여 CASE 2의 터널 거동에 대해 현장 터널시공에 따른 계측활동 자료와 상호 비교하여 터널의 안전성을 변위의 수렴상태로 평가하였다. 현장계측의 조건은 숏크리트 두께 25 cm, 압축 강도 27 Mpa, 록볼트 길이 4.
- 수치해석에 의한 안정성 평가는 국도 2차로터널단면을 중심으로 필라폭과 상재 높이를 변화시켜 CASE별로 각각 나누어 필라의 강도/응력비를 안전율 개념으로 산출하였다.
- 두 개의 터널이 근접할 경우에 대하여 상호 간섭효과에 의한 병렬터널 사이의 응력집중과 터널의 안전성 및 보강방법을 검토하기 위해서 경험적인 방법과 수치해석 방법에 의해 최소 필라폭을 결정할 수 있다. 우선 경험적 방법에 따라 최소 가능 필라폭을 선정하며, 수치해석을 통해 터널 거동을 필라부에 작용하는 주응력에 따라 평가하였다. 최소 필라폭 결정을 위한 해석 흐름은 Fig.
- 0 m 이하로 구성된 대표단면을 선정하였으며, 암반등급에 상관없이 상･하 반단면으로 해석 절차를 시행하였으며, 각 단계별 하중분배율은 굴착 후 40%, 연성 숏크리트 및 록볼트 설치 후 70%, 경성 숏크리트 설치 후 100%로 상･하 반단면 똑같이 적용하여 총 12단계로 구성하였다. 필라부 보강은 Table 4와 같이 CASE 1 무보강시와 CASE 2 Tie-Bolt에 의한 보강으로 나누어 안정해석을 실시하였다.
- 필라부에 Tie-Bolt로 보강하는 방법으로 구속압력에 의해 전단강도를 증가시키는 역학적 개념의 보강 방법으로 Tie-Bolt는 연직간격 1.0 m, 수평간격은 록볼트 간격과 동일하게 6개를 설치하였으며, 재원은 SD35 철근 직경 25 mm로 록볼트 재질과 동일하다. Tie-Bolt는 선행터널에서만 굴착 완료 후에 연성숏크리트+록볼트+필라부에 Tie-Bolt를 동시에 설치하는 것으로 해석하였다.
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3.2 CASE별 필라보강
필라부의 보강은 필라폭이 Pw=2.0 m 이하로 구성된 대표단면을 선정하였으며, 암반등급에 상관없이 상･하 반단면으로 해석 절차를 시행하였으며, 각 단계별 하중분배율은 굴착 후 40%, 연성 숏크리트 및 록볼트 설치 후 70%, 경성 숏크리트 설치 후 100%로 상･하 반단면 똑같이 적용하여 총 12단계로 구성하였다. 필라부 보강은 Table 4와 같이 CASE 1 무보강시와 CASE 2 Tie-Bolt에 의한 보강으로 나누어 안정해석을 실시하였다.
대상 데이터
- 실제 시행되고 있는 11.6 m 규모의 2차로 도로 터널로 지반의 해석경계는 응력 및 변위 오차 발생을 최소화하기 위하여 측방 4D이상 하부 4.0H이상으로 적용하였으며, 해석결과에 따른 터널 주변 지반의 발생응력 위치는 중앙필라를 기점으로 하는 좌측부(➂), 필라부의 중앙(➆), 우측부(➃)로 설정하였다. 그 외 천단침하 및 내공변위 위치는 Fig.
- 터널의 형상은 Fig. 2의 표준단면도를 참고하여 국도 2차로 터널 단면으로 최대 굴착 폭 11.6 m 규모의 터널을 선정하였다. 굴착 방법 및 지보설계는 암반 II등급 및 암반 III등급으로 전단면 굴착하는 것으로 적용하였다.
- 굴착 방법 및 지보설계는 암반 II등급 및 암반 III등급으로 전단면 굴착하는 것으로 적용하였다. 필라폭은 1.0 m～10.0 m로 변화시키고, 토피고는 종단선형과 암반등급을 고려하여 최대 높이 30.0 m까지 검토대상으로 선정하여 모델링하였다.
- 본 연구에서는 수치해석 기법을 이용하여 CASE 2의 터널 거동에 대해 현장 터널시공에 따른 계측활동 자료와 상호 비교하여 터널의 안전성을 변위의 수렴상태로 평가하였다. 현장계측의 조건은 숏크리트 두께 25 cm, 압축 강도 27 Mpa, 록볼트 길이 4.0 m (C.T.C =1.5 m)로 수치해석과 동일한 조건으로 계측하였다.
이론/모형
- 해석 시 적용한 지반 특성치는 지반특성상 변수가 많아 정확한 측정은 곤란하나, 지반조사를 수행하여 얻은 결과를 가지고 Table 1, 2와 같이 적용하였다. 또한, 수치해석은 지반수치해석 프로그램인 Plaxis 2D (Plaxis 2002)를 이용하였으며, 지반 모델은 MohrCoulomb의 파괴조건으로 수행하였다.
성능/효과
- 1. 최소 필라폭 결정을 위한 경험식과 수치해석결과 비교 시 전반적으로 수치해석 기법에 의한 강도/응력비가 기준안전율(1.0)보다 높게 나타나는 경향을 보였다. 이는 수치해석 시 필라부에 작용하는 응력이 하중전이(load transfer) 되는 현상으로 발생 응력이 작게 작용하는 요인으로 추정된다.
- 3. 산악터널에서 터널 간 필라폭이 2.0 m이내로 시공된 사례는 극히 드물어 효율적인 보강을 통해 안전 적인 터널 계획이 필요하므로, CASE 2에 제시된 Tie-Bolt에 의한 필라보강은 연직하중을 분산시켜 안전적인 근접병렬터널 계획이 가능하다.
- 4. 현장 계측결과와 수치해석을 통한 예측치는 발생 변위에 대해 다소 차이는 있으나, 시간경과에 따라 수렴상태로 터널의 안전성을 확보하는 것으로 나타났다.
- 6. 본 연구를 통하여 터널의 필라폭은 지반조건에 따라 최소로 좁힐 수 있으며, 이로 인해 터널간 간섭으로 필라부 응력집중과다 요인이 되나, 터널 굴착 시 필라부 손상을 최소화 방안과 적절한 보강을 통하여 안전적인 터널이 가능하며, 현장 계측활동을 통하여 안전성 부분을 확인할 수 있었다. 따라서 향후 연구의 방향은 국토의 효율적 활용을 위해 터널 필라의 손상을 최소화 할 수 있는 기술개발과 지속적인 연구가 진행되어야한다.
- 수치해석 방법으로 터널의 역학적 거동을 비교 평가 시 최소 필라폭을 선정할 수 있는 조건으로는 암질, 암반강도, 상부 하중 등에 따라 터널 안전에 영향을 미치는 것으로 평가된다. CASE 1인 무보강 시와 CASE 2인 보강 시를 비교한 결과 필라부의 강도/응력비(≒안전율)는 보강 시 무보강 시보다 약 17%정도의 강도/응력비(안전율)가 증가되는 것으로 평가되었다.
- CASE 2에 의한 필라부 보강사례로 경험식 및 수치 해석 기법에 의해 연구가 진행된 터널 주변 지반에 작용하는 천단 및 내공 변위를 기준으로 현장 계측활동과 비교 분석하므로 터널의 안전성을 확인할 수 있었다. Table 11은 구간별로 수치해석과 현장계측 결과를 비교하여 나타낸 데이터이다.
- Table 3은 경험식과 수치해석에 의한 최소 필라폭산정 결과이다. Table 1과 같은 지반조건에서 경험적 방법과 수치해석적 방법으로 최소 필라폭 산정 시 기준 안전율 Fs=1.0이상을 만족하는 최소 필라폭은 경험식에 의해 1.6 m이상, 수치해석은 1.0 m이상 확보하여야 하는 것으로 평가되었다. 특히, 경험식 중 Peck방법이 지반의 물성변화, 즉 전단저항각의 영향에 따라 안전율 변화가 심하며, 전반적으로 안전율 경향이 가장 작게 나타났다.
- 계측결과로 천단 및 내공변위는 전반적으로 필라폭에 관계없이 측정오차 범위 내에서 미소한 변동(천단 최대 4 mm, 내공변위 5.0 mm이내)을 하나, 현 계측 종료일 기준 시 변위는 수렴상태를 나타내고 있어 수치해석 결과와 비교한 결과, 변위에 대한 값은 다소 차이가 있는 것으로 나타났다. 터널 전체 안전성은 지반의 불확실성 등 요인의 미지수로 인하여 터널의 안전성을 판단하기는 어려우나, 지속적인 계측활동에 통하여 변위 및 응력의 수렴여부를 확인 할 수 있는 Feed back이 필요하며, 이로 인한 터널의 장기적인 안전평가가 필요하다.
- Table 6과 7은 무보강시의 천단 및 내공변위 결과이며, 터널의 천단침하는 측압계수가 증가할수록 변위 양상은 감소하며, 선행터널보다 후행터널이 천단침하가 크게 발생되었으나, 이러한 차이는 미소한 변위로 실질적인 차이는 거의 없는 것으로 평가되었다. 내공 변위는 측압계수의 증가에 따라 변위양상이 증가하며, 특히 선행터널은 우측벽 보다 좌측벽에서 발생하는 변위가 크며, 후행터널은 선행터널에 비해 변위양상이 전반적으로 크게 나타나는 것으로 평가되었다. 이는 편측지형 요인과 필라부의 소성영향 증가요인이라 추정된다.
- 후행터널의 시공단계에서 선행 굴착후 필라부에 타이볼트 시공시 터널에 미소변위의 영향요인으로 평가된다. 내공변위는 측압계수의 증가에 따라 변위양상이 증가하며, 특히 선행터널은 우측벽보다 좌측벽에서 발생하는 변위가 크며, 후행터널은 선행터널에 비해 변위양상이 전반적으로 크게 나타났다. 이는 편측지형과 필라부의 소성영역 증가 영향요인으로 추정된다.
- 전체적으로 경험식에 의한 필라 안전성은 필라폭에 따라 직선적 변화로 나타나며, 수치해석은 필라폭이 5.0 m 이내로 근접되는 경우 필라부에 응력이 집중되어 필라부의 안전성이 저하되는 경향을 보인다. Table 3은 경험식과 수치해석에 의한 최소 필라폭산정 결과이다.
- 0 m이상 확보하여야 하는 것으로 평가되었다. 특히, 경험식 중 Peck방법이 지반의 물성변화, 즉 전단저항각의 영향에 따라 안전율 변화가 심하며, 전반적으로 안전율 경향이 가장 작게 나타났다. 상대적으로 Matsuda방법은 안전율이 가장 크게 형성됨을 알 수 있으며, 지류론과 수치해석에 의한 안전율은 가장 유사한 결과를 도출함을 알수 있다.
- 0이상을 만족하는 것으로 평가되었으나, 실제 터널 굴착 시 발파 및 이완하중, 지반의 불확실한 요인 등에 따라 필라부의 손상영역을 고려한 보강이 이루어져야 한다. 특히, 산악터널에서 터널 간 필라폭이 2.0 m이내로 시공된 사례는 극히 드물어 효율적인 보강을 통해 안전적인 터널 계획이 필요하므로, CASE 2에 제시된 Tie-Bolt에 의한 필라보강은 연직하중 분산과 필라부 구속력을 증가시켜 원지반 강도증진 효과로 안전적인 터널계획이 가능한 것으로 평가되었다.
후속연구
- 5. 터널 전체 안전성은 지반의 불확실성 등 요인의 미지수로 인하여 터널의 안전성을 판단하기는 어려우나 지속적인 계측활동에 통하여 변위 및 응력의 수렴여부를 확인 할 수 있는 Feed back이 필요하며, 이로 인한 터널의 장기적인 안전평가가 필요하다.
- 본 연구를 통하여 터널의 필라폭은 지반조건에 따라 최소로 좁힐 수 있으며, 이로 인해 터널간 간섭으로 필라부 응력집중과다 요인이 되나, 터널 굴착 시 필라부 손상을 최소화 방안과 적절한 보강을 통하여 안전적인 터널이 가능하며, 현장 계측활동을 통하여 안전성 부분을 확인할 수 있었다. 따라서 향후 연구의 방향은 국토의 효율적 활용을 위해 터널 필라의 손상을 최소화 할 수 있는 기술개발과 지속적인 연구가 진행되어야한다.
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