본 연구에서는 세계적인 연구 추세인 2차 콘크리트 라이닝을 타설하지 않는 싱글쉘 터널을 도입함으로써 터널 시공 공기를 단축할 수 있으며, 라이닝 타설에 따른 공사비의 절감과 장기적인 터널의 안전성을 확보할 수 있는 다양한 장점을 지닌 싱글쉘 터널 공법에 대하여 연구하고자 하였다. 먼저 국내의 라이닝 삭제와 관련된 설계 및 시공 사례를 분석하였으며, 설계 및 시공 사례와 안정성 검토 결과를 종합적으로 분석한 결과 암반상태가 양호한 구간(1~3등급)에서는 라이닝을 미설치하는 것으로 제안하였다. 국내의 경우 지층의 변화가 매우 심한 지반조건이 많으므로 싱글쉘에 의한 터널링 방법은 가능한 지반조건이 양호하고 용수개소가 적은 지반에서 적용하는 것이 바람직 하나, 일반적인 터널 구조물의 후보지의 경우에는 여러 가지 암종 및 암반상태가 교차하여 장기적으로 안정성 확보가 곤란한 경우에는 싱글쉘보다는 철근콘크리트 개념을 적용한 NATM 방법이 합리적일 것으로 판단된다. 즉 지반조건이 불량한 구간(4~5등급)에 대하여는 콘크리트 라이닝을 반영하는 것이 합리적일 것으로 판단된다. 최근의 설계기준 개정 방향과 세계적으로 라이닝 삭제에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는 상황이므로 시공성 및 경제성 개선 등을 고려한 라이닝 삭제 방안이 점차 대두되고 있으므로 합리적이고 공학적인 설계 기준을 구축하기 위한 지속적인 연구가 이루어져 할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 세계적인 연구 추세인 2차 콘크리트 라이닝을 타설하지 않는 싱글쉘 터널을 도입함으로써 터널 시공 공기를 단축할 수 있으며, 라이닝 타설에 따른 공사비의 절감과 장기적인 터널의 안전성을 확보할 수 있는 다양한 장점을 지닌 싱글쉘 터널 공법에 대하여 연구하고자 하였다. 먼저 국내의 라이닝 삭제와 관련된 설계 및 시공 사례를 분석하였으며, 설계 및 시공 사례와 안정성 검토 결과를 종합적으로 분석한 결과 암반상태가 양호한 구간(1~3등급)에서는 라이닝을 미설치하는 것으로 제안하였다. 국내의 경우 지층의 변화가 매우 심한 지반조건이 많으므로 싱글쉘에 의한 터널링 방법은 가능한 지반조건이 양호하고 용수개소가 적은 지반에서 적용하는 것이 바람직 하나, 일반적인 터널 구조물의 후보지의 경우에는 여러 가지 암종 및 암반상태가 교차하여 장기적으로 안정성 확보가 곤란한 경우에는 싱글쉘보다는 철근콘크리트 개념을 적용한 NATM 방법이 합리적일 것으로 판단된다. 즉 지반조건이 불량한 구간(4~5등급)에 대하여는 콘크리트 라이닝을 반영하는 것이 합리적일 것으로 판단된다. 최근의 설계기준 개정 방향과 세계적으로 라이닝 삭제에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는 상황이므로 시공성 및 경제성 개선 등을 고려한 라이닝 삭제 방안이 점차 대두되고 있으므로 합리적이고 공학적인 설계 기준을 구축하기 위한 지속적인 연구가 이루어져 할 것으로 판단된다.
In this study, it can be shortened tunnel construction work period by introducing a single-shell tunnel does not placing the secondary concrete lining, a global research trend, reduction of the cost of the lining placement and number of benefits that can ensure the safety of long-term tunnel with a ...
In this study, it can be shortened tunnel construction work period by introducing a single-shell tunnel does not placing the secondary concrete lining, a global research trend, reduction of the cost of the lining placement and number of benefits that can ensure the safety of long-term tunnel with a single shell it was to study the tunnel method. First, we analyze the design and construction practices relating to delete lining of the domestic design and construction practices and a comprehensive analysis of the stability study found a rock in good condition interval (1~3 grades), we propose that the lining uninstalled. In the case of domestic changes on the ground floor is very heavy underfoot conditions many so tunneling method by single shell as ground conditions are good and one preferred the water points that apply in less soil, the soil health and poor sections (4~5 grades) reflecting with respect to the concrete lining that is expected reasonable.
In this study, it can be shortened tunnel construction work period by introducing a single-shell tunnel does not placing the secondary concrete lining, a global research trend, reduction of the cost of the lining placement and number of benefits that can ensure the safety of long-term tunnel with a single shell it was to study the tunnel method. First, we analyze the design and construction practices relating to delete lining of the domestic design and construction practices and a comprehensive analysis of the stability study found a rock in good condition interval (1~3 grades), we propose that the lining uninstalled. In the case of domestic changes on the ground floor is very heavy underfoot conditions many so tunneling method by single shell as ground conditions are good and one preferred the water points that apply in less soil, the soil health and poor sections (4~5 grades) reflecting with respect to the concrete lining that is expected reasonable.
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문제 정의
또한 이러한 연구 결과를 바탕으로 2차 라이닝을 생략하는 Single shell NATM 터널의 시험시공과 실제 설계 및 시공이 이루어지고 있다. 국내의 시공 사례들에 대하여 정리하고자 한다.
본 연구에서는 00터널의 경사갱에 대하여 라이닝 삭제 방안을 검토하고 현장 적용을 검토하고자 하였다. 본 장에서는 경사갱의 NATM 구간에 대해 싱글쉘 터널의 개념을 검토하기 위하여 2차 지보재인 라이닝 삭제 및 변경에 대한 적정성 및 안정성을 검토하고자 하였다.
본 연구에서는 경사갱의 NATM 구간에 대해 싱글쉘 개념을 현장에 적용하여 2차 지보재인 라이닝 삭제에 대한 적정성 및 수치해석 기법을 이용하여 안정성을 검토하였다. 안정성 검토는 유한차분법과 장기적 변형 거동을 고려한 Creep 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 국내 싱글쉘 터널의 공법 개발을 위하여 1차 지보재와 기본 메카니즘을 분석하고, 국내 싱글쉘 NATM 터널 시공 사례들을 분석하였다. 또한 현재 경사 터널에만 국한되어 적용되고 있으며, 본선 터널 적용과 관련된 연구가 필요한 실정이므로 싱글쉘 터널의 거동에 대한 유한요소 해석 및 Creep 해석 등을 수행하고 현장 적용성을 검토하였다.
본 연구에서는 먼저 국내 싱글쉘 터널의 공법 개발을 위하여 1차 지보재와 관련된 기본 메카니즘을 분석하고 싱글쉘 공법이 적용된 현장사례 분석과 싱글쉘 터널의 거동에 대한 장기적인 안정성을 검토하고 그에 대한 고찰을 하고자 한다.
본 장에서는 공학적으로 합리적이고 타당성 있는 싱글쉘 NATM을 국내의 실정에 맞게 보급하기 위한 주요 사항들에 대하여 고찰하고자 한다. 본 연구에서는 분리된 이중 구조 터널 라이닝과 일체된 싱글쉘 구조의 터널 라이닝의 파괴 메카니즘에 대한 이론적 검증을 수행하였다. 검토 결과 운영 중 상태를 고려한 2차라이닝 콘크리트를 배제하더라도 터널의 안정성은 충분히 확보가 가능한 것으로 알려져 있다.
본 연구에서는 세계적인 연구 추세인 2차 콘크리트 라이닝을 타설을 생략하는 싱글쉘 터널을 도입함으로써 터널 시공 공기를 단축할 수 있으며, 라이닝 타설에 따른 공사비의 절감과 장기적인 터널의 안전성을 확보할 수 있는 다양한 장점을 지닌 싱글쉘 터널 공법에 대하여 연구하고자 하였다. 본 연구에서는 철도 터널 건설을 위하여 세계적인 터널 기술 선진국들에서 도입되고 있는 싱글쉘 터널 공법에 대하여 국내의 실정에 맞는 싱글쉘 터널 공법에 대하여 국내 실정에 맞는 싱글쉘 터널 공법을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 시공성이나 경제성 측면에서 다양한 장점을 지닌 싱글쉘 터널 라이닝 공법을 도입하기 위한 기초 적인 연구를 수행하고자 하였다. 본 장에서는 공학적으로 합리적이고 타당성 있는 싱글쉘 NATM을 국내의 실정에 맞게 보급하기 위한 주요 사항들에 대하여 고찰하고자 한다.
본 연구에서는 세계적인 연구 추세인 2차 콘크리트 라이닝을 타설을 생략하는 싱글쉘 터널을 도입함으로써 터널 시공 공기를 단축할 수 있으며, 라이닝 타설에 따른 공사비의 절감과 장기적인 터널의 안전성을 확보할 수 있는 다양한 장점을 지닌 싱글쉘 터널 공법에 대하여 연구하고자 하였다. 본 연구에서는 철도 터널 건설을 위하여 세계적인 터널 기술 선진국들에서 도입되고 있는 싱글쉘 터널 공법에 대하여 국내의 실정에 맞는 싱글쉘 터널 공법에 대하여 국내 실정에 맞는 싱글쉘 터널 공법을 제안하고자 한다. 국내 대부분의 터널에 적용되어 있는 NATM 터널은 지반 조건과 관계없이 라이닝을 타설하고 있는 실정이고 이로 인하여 과다한 공사비 책정의 원인이 되고 있으며, 라이닝 타설로 인한 공사기간이 추가로 소요되고 있는 상황이다(Lee et al.
본 연구에서는 00터널의 경사갱에 대하여 라이닝 삭제 방안을 검토하고 현장 적용을 검토하고자 하였다. 본 장에서는 경사갱의 NATM 구간에 대해 싱글쉘 터널의 개념을 검토하기 위하여 2차 지보재인 라이닝 삭제 및 변경에 대한 적정성 및 안정성을 검토하고자 하였다. 터널 안정성 검토는 수치해석 기법을 이용하여 범용 프로그램인 FLAC 2D 를 사용하여 터널 굴착 시와 굴착 완료 후로 구분하여 터널 구조물의 안정성 검토를 수행하였다.
본 연구에서는 시공성이나 경제성 측면에서 다양한 장점을 지닌 싱글쉘 터널 라이닝 공법을 도입하기 위한 기초 적인 연구를 수행하고자 하였다. 본 장에서는 공학적으로 합리적이고 타당성 있는 싱글쉘 NATM을 국내의 실정에 맞게 보급하기 위한 주요 사항들에 대하여 고찰하고자 한다. 본 연구에서는 분리된 이중 구조 터널 라이닝과 일체된 싱글쉘 구조의 터널 라이닝의 파괴 메카니즘에 대한 이론적 검증을 수행하였다.
싱글쉘에 사용하는 고품질 강섬유 보강 숏크리트는 종래의 콘크리트에 비하여 고강도이고 강섬유에 휨인성이 개선되어 장기적인 품질 및 안전성의 확보를 목적으로 하고 있다. 또한 콘크리트 구조물의 Life cycle 관점에서 보면 지보 능력의 향상(고강도, 고인성, 고내구성) 및 시공능률의 향상(낮은 리바운드율, 대량 뿜어붙이기, 저분진)이라는 고품질화에 따라 전체 시공비의 저감 효과가 기대된다.
제안 방법
싱글쉘 개념을 적용한 국내 사례 조사 결과는 Table 3과 같다. 기본계획에서는 전 패턴에 2차 콘크리트 라이닝을 타설하는 것으로 계획하였다. 싱글쉘 개념을 적용한 현장은 시공 시 막장관찰 및 계측결과를 통해 변경된 지질 및 지반 조건 등을 고려하여 지보패턴 1～3에 대해 2차 콘크리트 라이닝 없이 시공하고 변경하는 것을 알 수 있었다.
원주～강릉 구간은 산악구간으로서 지반조건이 매우 양호하며, 지하수 영향 역시 적을 것으로 판단되어 경사갱의 2차 라이닝을 타설하지 않는 것으로 계획되었다. 또한 최근 경사갱 관련 라이닝 적용기준에서 지반조건, 경사갱의 활용 용도 등을 면밀히 검토하여 2차 라이닝 타설 구간과 두께를 변경할 수 있도록 개정한 사항을 고려하여 2차 라이닝을 타설하지 않는 것으로 반영 하였다. 지보패턴 1～5구간 전 패턴에 대하여 일반숏크리트 (21MPa)로 마감하였고, 2차 라이닝을 타설하지 않는 무라이닝으로 계획하였으며 갱구부와 본선 접속부에 대하여 2차 콘크리트 라이닝을 타설하여 안정성을 확보하도록 하였다.
본 연구에서는 국내 싱글쉘 터널의 공법 개발을 위하여 1차 지보재와 기본 메카니즘을 분석하고, 국내 싱글쉘 NATM 터널 시공 사례들을 분석하였다. 또한 현재 경사 터널에만 국한되어 적용되고 있으며, 본선 터널 적용과 관련된 연구가 필요한 실정이므로 싱글쉘 터널의 거동에 대한 유한요소 해석 및 Creep 해석 등을 수행하고 현장 적용성을 검토하였다. 이상의 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 터널 굴착 시와 터널 굴착 완료 후로 구분하여 수치해석 범용 프로그램인 FLAC 2D를 이용하여 터널 안정성 검토를 수행하였다. 터널 굴착 시에는 Mohr-coulomb 모델을 적용하였고, 터널 굴착 완료 후에는 Burger’s 모델을 적용하였다.
본 연구에서는 경사갱의 NATM 구간에 대해 싱글쉘 개념을 현장에 적용하여 2차 지보재인 라이닝 삭제에 대한 적정성 및 수치해석 기법을 이용하여 안정성을 검토하였다. 안정성 검토는 유한차분법과 장기적 변형 거동을 고려한 Creep 해석을 수행하였다. 안정성 검토 결과 암반상태가 양호한 구간에 대하여 라이닝을 설치하지 않을 경우에 대하여 영구 구조물로서 안정성 확보가 가능한 것으로 검토되었다.
토피고, 지반조건 등을 고려하여 계획을 수립하였다. 암반등급 I, II(RMR 61～100) 등급의 양호한 암반구간에 대하여 일반숏크리트(21MPa)로 마감하였고 2차 라이닝을 타설하지 않는 것으로 계획하였다.
442m2이다. 원설계에서는 경사갱 전 구간에 대하여 2차 콘크리트 라이닝을 타설하는 것으로 계획하였으나 변경 설계 후 2차 라이닝을 타설하지 않는 무라이닝 상태이고, 일반 숏크리트(21MPa)로 마감하였으며 구조물의 안정성 확보를 위해 갱구부와 본선 접속부에 대하여 2차 콘크리트라이닝을 타설하였다.
토피고, 지반 조건 등을 고려하여 계획을 수립하였다. 지보패턴 1～3의 양호한 암반구간에 대하여 2차 라이닝을 타설하지 않는 것으로 계획하였다. 지보패턴 P-1～3 패턴에 대하여 2차 라이닝을 타설하지 않는 무라이닝으로 계획하였으며, 고강도 숏크리트(30MPa)로 마감하였고, P-4～6 패턴에 대하여 라이닝을 타설하는 것으로 계획하였다.
토피고, 지반조건 등을 고려하여 계획을 수립하였다. 지보패턴 1～3의 양호한 암반구간에 대하여 강섬유 보강 숏크리트로 마감하였으며, 2차 라이닝을 타설하지 않는 것으로 계획하였다.
토피고, 지반조건 등을 고려하여 계획을 수립하였다. 지보패턴 1～5구간 전 패턴에 대하여 2차 라이닝을 타설하지 않는 무라이닝으로 계획하였으며 고강도 숏크리트로 마감하였고, 갱구부와 본선 접속부에 대하여 2차 콘크리트 라이닝을 타설하여 안정성을 확보하도록 하였다.
또한 최근 경사갱 관련 라이닝 적용기준에서 지반조건, 경사갱의 활용 용도 등을 면밀히 검토하여 2차 라이닝 타설 구간과 두께를 변경할 수 있도록 개정한 사항을 고려하여 2차 라이닝을 타설하지 않는 것으로 반영 하였다. 지보패턴 1～5구간 전 패턴에 대하여 일반숏크리트 (21MPa)로 마감하였고, 2차 라이닝을 타설하지 않는 무라이닝으로 계획하였으며 갱구부와 본선 접속부에 대하여 2차 콘크리트 라이닝을 타설하여 안정성을 확보하도록 하였다.
지보패턴 1～3의 양호한 암반구간에 대하여 2차 라이닝을 타설하지 않는 것으로 계획하였다. 지보패턴 P-1～3 패턴에 대하여 2차 라이닝을 타설하지 않는 무라이닝으로 계획하였으며, 고강도 숏크리트(30MPa)로 마감하였고, P-4～6 패턴에 대하여 라이닝을 타설하는 것으로 계획하였다.
본 장에서는 경사갱의 NATM 구간에 대해 싱글쉘 터널의 개념을 검토하기 위하여 2차 지보재인 라이닝 삭제 및 변경에 대한 적정성 및 안정성을 검토하고자 하였다. 터널 안정성 검토는 수치해석 기법을 이용하여 범용 프로그램인 FLAC 2D 를 사용하여 터널 굴착 시와 굴착 완료 후로 구분하여 터널 구조물의 안정성 검토를 수행하였다.
100m이다. 토피고, 지반조건 등을 고려하여 계획을 수립하였다. 암반등급 I, II(RMR 61～100) 등급의 양호한 암반구간에 대하여 일반숏크리트(21MPa)로 마감하였고 2차 라이닝을 타설하지 않는 것으로 계획하였다.
100m이다. 토피고, 지반조건 등을 고려하여 계획을 수립하였다. 암반등급 I, II(RMR 61～100) 등급의 양호한 암반구간에 대하여 일반숏크리트(21MPa)로 마감하였고 2차 라이닝을 타설하지 않는 것으로 계획하였다.
대상 데이터
경부고속철도 00-0공구 02터널 경사갱에 적용되었다. 원 설계 시 비상 시 대피 안정성 확보 및 공사 중 작업갱으로 활용하는 것으로 계획하였으나 터널 정량적 위험도 평가(QRA) 에 의한 분석 결과 경사갱이 불필요한 것으로 분석되었다.
도담～영천 철도건설공사 제0공구 07터널의 경사갱에 적용되었다. 현재 실시설계 완료 후 시공 중에 있다.
(2000)의 실내 시험결과와 암반의 계측자료를 분석한 연구에 의하면 Creep 변형을 Stree-Strength Ratio로 평가할 경우 연속체로 간주할 수 있는 암반(Soft rock)이나 심하게 파쇄된 암반에 대해서는 상사 문제가 거의 발생하지 않는다고 결론 내리고 있다. 본 연구에서 Creep 해석에 적용한 물성은 현장적용 인근 퇴적암 지역인 00-00도로 건설공사 퇴적암 구간의 Creep 물성을 참고하여 암반별 평균값을 적용하였으며, Table 1에 나타나 있다.
서해선 건설공사 제0공구 06터널의 경사갱에 적용되었으며, 현재 시공 중에 있다. 경사갱 크기는 H(굴착 높이) 5.
성남～여주 철도건설공사 제0공구 04터널의 경사갱에 적용되었다. 현재 시공 중에 있다.
원주～강릉 철도건설공사 제0공구 03터널의 경사갱에 적용되었다. 경사갱 크기는 H(굴착 높이) 6.
데이터처리
터널 굴착 완료 후 장기 안정성 검토는 시간이력의 크랩 해석을 통해 수행하였으며 해석 결과 터널 굴착 후 1년에서 5년 후 발생 변위량 중 최대값은 Table 6과 같다. 각 지보패턴별 5단계에서 최대값으로 나타났으며, 천단변위의 경우 4.
이론/모형
암반의 Creep 거동을 모사하기 위해서는 탄성체인 Spring 요소와 점성체인 Dashpot 요소체, 소성을 나타내는 Slider 요소체를 적절히 결합하는 것이 필요하며 Spring과 Dashpot를 직렬로 연결한 Maxwell 모형은 수차적인 탄성 변형률과 2차 크리프를 적절히 모사할 수 있으나 지수적으로 감소하는 1차 크리프를 설명할 수 없는 단점이 있고, Spring과 Dashpot를 병렬로 연결한 Kelvinah 형은 지수적으로 감소하는 1차 크리프와 선형적인 2차 크리프는 잘 모사하지만, 순간적인 탄성 변형률을 고려할 수 없으므로 이러한 단점을 보완하기 위해 Maxwell 모델과 Kelvin 모델을 직렬로 연결한 Burger’s 모델을 사용하고 있다.
터널 굴착 시에는 Mohr-coulomb 모델을 적용하였고, 터널 굴착 완료 후에는 Burger’s 모델을 적용하였다.
성능/효과
(1) 2차 라이닝을 생략하는 싱글쉘 NATM의 국내 시공 사례 분석 결과 지반 조건이 양호한 연암 이상의 경우인 지보패턴 1～3등급의 조건에 대하여 2차 라이닝을 생략하는 것으로 설계 및 시공이 이루어졌으며, 장기적으로 안정성 확보가 곤란한 것으로 판단되는 지보패턴 4～6에서는 보조공법 적용 및 2차 콘크리트 라이닝을 타설 하는 것으로 적용한 것으로 분석되었다. 우리나라의 경우 지층의 변화가 매우 심한 지반조건이 많으므로 터널의 안정성 확보를 위하여 싱글쉘에 의한 터널링 방법은 가능한 지반조건이 양호한 개소에 적용하고, 장기적으로 안정성 확보가 곤란한 경우에는 철근콘크리트를 적용한 NATM 방법이 합리적일 것으로 판단된다.
(2) 수치해석을 통한 싱글쉘 터널의 안정성 검토 결과 암반 상태가 양호한 구간(II, III, IV 등급)은 라이닝 미설치 시 영구 구조물로서 장기적 안정성 확보가 가능한 것으로 검토되었으며, 지반 조건이 불량한 구간(V 등급)은 과도한 변형이 발생하고 장기적 안정성 확보가 곤란한 것으로 검토되었다. 그러므로 EP-1 패턴과 EP-2 패턴은 2차라이닝을 미설치하고, 안정성 확보를 위하여 고강도 숏크리트를 적용하며 EP-3 패턴과 EP-4 패턴은 장기적 안정성 확보를 위해 2차 라이닝을 설치하는 것이 적절할 것으로 판단되어 싱글쉘 개념을 적용한 지보패턴을 Table 7과 같이 제안하고자 한다.
(3) 마지막으로 국내의 경우 지층의 변화가 매우 심한 지반 조건이 많으므로 싱글쉘에 공법의 적용은 지반조건이 양호하고 용수가 적은 지반에 적용하는 것이 타당하다. 그러나 일반적인 터널 구조물 후보지는 다양한 암종 및 암반상태가 교차한다.
94mm로 나타났다. 각 지보패턴별 지보재 응력은 숏크리트의 경우 최대 휨 압축응력이 측 압계수 1.5에서 0.55～3.41MPa로 허용치인 8.4MPa 이내로 나타났고, 록 볼트의 경우 최대 축력이 3.76～48.50kN으로 허용치인 86.0kN 이내로 나타났다. 검토 결과 지보재에 발생하는 응력이 모두 허용치 기준을 만족하며 터널 주변의 소성영역은 발생하지 않으므로 계획 지보공의 시행에 의해 터널 안정성은 확보되는 것으로 판단되며 변위 또한 크지 않으므로 터널 안정성에는 문제가 없는 것으로 나타났다.
0kN 이내로 나타났다. 검토 결과 지보재에 발생하는 응력이 모두 허용치 기준을 만족하며 터널 주변의 소성영역은 발생하지 않으므로 계획 지보공의 시행에 의해 터널 안정성은 확보되는 것으로 판단되며 변위 또한 크지 않으므로 터널 안정성에는 문제가 없는 것으로 나타났다.
그러나 국내에 있어서는 알려지지 않은 공법이며 싱글쉘 도입에 있어서는 복공의 기능, 내구성을 확인할 필요가 있다. 그 판단 기준으로서 싱글쉘이 NATM의 2차 복공과 동등 이상의 기능, 내구성을 가지고 있다는 것을 확인하는 방법이 있다. NATM에 있어서의 무근 콘크리트로 시공된 2차 복공의 정량적인 평가는 아직 정해진 것이 없다.
그러나 일반적인 터널 구조물 후보지는 다양한 암종 및 암반상태가 교차한다. 그러므로 장기적으로 안정성 확보가 불가능한 구간은 싱글쉘보다는 철근 또는 콘크리트 라이닝 개념을 적용한 NATM 공법이 합리적일 것으로 판단된다. 최근 설계 기준 및 연구동향은 시공성 및 경제성 개선을 위한 라이닝 삭제 방안이 대두되고 있으며, 합리적이고 공학적인 설계 기준을 구축하기 위한 지속적이고 다양한 연구가 이루어져 할 것으로 판단된다.
지보재 설치시기는 빠른 시간 내에 설치될수록 암반 자체의 지지력을 최대한 활용할 수 있어 터널의 안정성 측면에서는 유리하나, 주변 지반의 거동을 고려하여 너무 빠른 시간에 설치하게 되면 지지해야 할 하중의 크기가 커서 지보의 지지용량이 커져야 하므로 비경제적이다. 따라서 적정 시간이 지난 후 어느 정도의 변형을 허용한 후 설치함으로써 작용하중의 완화를 유도하고, 암반의 변형이 과도하여 사하중의 크기가 증가하기 시작하기 전의 시점을 선택하는 것이 효율적이다. 동일한 시기에 지보를 설치하더라도 지보의 강성 차이에 따라 작용하는 하중의 크기가 달라지기 때문에 적절한 강성을 가지는 재료를 이용하여 변형을 제어하여야 한다.
안정성 검토 결과 암반상태가 양호한 구간에 대하여 라이닝을 설치하지 않을 경우에 대하여 영구 구조물로서 안정성 확보가 가능한 것으로 검토되었다. 또한 장기적 안정성 검토인 Creep 해석 결과 지반조건이 불량한 구간에서 과도한 변형이 발생하며 장기적 안정성 확보가 어려운 것으로 검토되었다. 지반조건이 불량한 구간은 장기적 안정성 확보를 위해 2차 라이닝을 타설하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
설계 및 시공 사례와 안정성 검토 결과를 종합적으로 분석한 결과 암반상태가 양호한 구간(II, III, IV 등급)은 라이닝 미설치가 가능한 것으로 검토되었으며, 안전성 확보를 위하여 고강도 숏크리트를 적용하며 갱구부, 방향전환소 및 본선 접속부 구간과 암반상태가 불량한 구간(V 등급)은 장기적인 변형으로 인해 구조물의 안정성 확보가 어려우므로 2차 라이닝 설치가 타당하다고 판단된다. 이상의 종합 검토 결과를 바탕으로 싱글쉘 개념을 적용한 지보패턴을 Table 7과 같이 제안하고자 한다.
기본계획에서는 전 패턴에 2차 콘크리트 라이닝을 타설하는 것으로 계획하였다. 싱글쉘 개념을 적용한 현장은 시공 시 막장관찰 및 계측결과를 통해 변경된 지질 및 지반 조건 등을 고려하여 지보패턴 1～3에 대해 2차 콘크리트 라이닝 없이 시공하고 변경하는 것을 알 수 있었다. 또한 원주～강릉 제0공구와 도담～영천 제0공구의 경우 1～5 패턴에 대하여 2차 콘크리트 라이닝을 삭제한 것을 알 수 있다.
안정성 검토는 유한차분법과 장기적 변형 거동을 고려한 Creep 해석을 수행하였다. 안정성 검토 결과 암반상태가 양호한 구간에 대하여 라이닝을 설치하지 않을 경우에 대하여 영구 구조물로서 안정성 확보가 가능한 것으로 검토되었다. 또한 장기적 안정성 검토인 Creep 해석 결과 지반조건이 불량한 구간에서 과도한 변형이 발생하며 장기적 안정성 확보가 어려운 것으로 검토되었다.
경부고속철도 00-0공구 02터널 경사갱에 적용되었다. 원 설계 시 비상 시 대피 안정성 확보 및 공사 중 작업갱으로 활용하는 것으로 계획하였으나 터널 정량적 위험도 평가(QRA) 에 의한 분석 결과 경사갱이 불필요한 것으로 분석되었다. 현재 변경 설계를 완료하였으며 시공 준비 중에 있다.
또한 장기적 안정성 검토인 Creep 해석 결과 지반조건이 불량한 구간에서 과도한 변형이 발생하며 장기적 안정성 확보가 어려운 것으로 검토되었다. 지반조건이 불량한 구간은 장기적 안정성 확보를 위해 2차 라이닝을 타설하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
후속연구
그 외에 복공과 지반의 부착력 확보는 NATM에서도 중요한 문제이지만 그 확인 시험 방법은 확립되어 있지 않으며 아직 개념적인 취급으로 되어있다. 고품질의 얇은 복공의 유용성을 확인하기 위해서는 시험방법의 정립이 필요할 것으로 판단된다. 또한 장대 터널에 적용 시 숏크리트의 경우에는 조도계수(거칠기)가 커서 교통량에 의한 환기량 및 기계에 의한 환기 시에도 효율이 저하되어 기계 환기를 적용하는 경우 제트팬의 추가 설치와 유지관리 시에 전력비 및 유지관리비의 증가가 발생될 수 있으므로 이와 관련된 지속적인 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
먼저 숏크리트 복공의 경우 터널 비상용 시설･조명 등의 취부나 터널 내의 친환경(주행자의 심미성, 안정성 등)을 고려한 복공면의 마무리 방법, 시공법을 어떻게 할까가 중요한 테마로서 좀 더 많은 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다. 두 번째로 록 볼트의 경우 고내력, 내부식성 Bolt의 사용을 조건으로 FRP Bolt의 채택을 생각하고 있지만, 강재 Bolt보다도 소재로서의 전단 내력이 작은 점을 고려하면 지반의 변형특성에 적합한 록 볼트의 선택을 신중하게 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다. 그 외에 복공과 지반의 부착력 확보는 NATM에서도 중요한 문제이지만 그 확인 시험 방법은 확립되어 있지 않으며 아직 개념적인 취급으로 되어있다.
고품질의 얇은 복공의 유용성을 확인하기 위해서는 시험방법의 정립이 필요할 것으로 판단된다. 또한 장대 터널에 적용 시 숏크리트의 경우에는 조도계수(거칠기)가 커서 교통량에 의한 환기량 및 기계에 의한 환기 시에도 효율이 저하되어 기계 환기를 적용하는 경우 제트팬의 추가 설치와 유지관리 시에 전력비 및 유지관리비의 증가가 발생될 수 있으므로 이와 관련된 지속적인 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
싱글쉘에 사용하는 고품질 강섬유 보강 숏크리트는 종래의 콘크리트에 비하여 고강도이고 강섬유에 휨인성이 개선되어 장기적인 품질 및 안전성의 확보를 목적으로 하고 있다. 또한 콘크리트 구조물의 Life cycle 관점에서 보면 지보 능력의 향상(고강도, 고인성, 고내구성) 및 시공능률의 향상(낮은 리바운드율, 대량 뿜어붙이기, 저분진)이라는 고품질화에 따라 전체 시공비의 저감 효과가 기대된다.
먼저 숏크리트 복공의 경우 터널 비상용 시설･조명 등의 취부나 터널 내의 친환경(주행자의 심미성, 안정성 등)을 고려한 복공면의 마무리 방법, 시공법을 어떻게 할까가 중요한 테마로서 좀 더 많은 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다. 두 번째로 록 볼트의 경우 고내력, 내부식성 Bolt의 사용을 조건으로 FRP Bolt의 채택을 생각하고 있지만, 강재 Bolt보다도 소재로서의 전단 내력이 작은 점을 고려하면 지반의 변형특성에 적합한 록 볼트의 선택을 신중하게 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
싱글쉘 터널 공법의 장점은 무엇인가?
본 연구에서는 세계적인 연구 추세인 2차 콘크리트 라이닝을 타설을 생략하는 싱글쉘 터널을 도입함으로써 터널 시공 공기를 단축할 수 있으며, 라이닝 타설에 따른 공사비의 절감과 장기적인 터널의 안전성을 확보할 수 있는 다양한 장점을 지닌 싱글쉘 터널 공법에 대하여 연구하고자 하였다. 본 연구에서는 철도 터널 건설을 위하여 세계적인 터널 기술 선진국들에서 도입되고 있는 싱글쉘 터널 공법에 대하여 국내의 실정에 맞는 싱글쉘 터널 공법에 대하여 국내 실정에 맞는 싱글쉘 터널 공법을 제안하고자 한다.
싱글쉘에 사용하는 고품질 강섬유 보강 숏크리트의 기대효과는 무엇인가?
싱글쉘에 사용하는 고품질 강섬유 보강 숏크리트는 종래의 콘크리트에 비하여 고강도이고 강섬유에 휨인성이 개선 되어 장기적인 품질 및 안전성의 확보를 목적으로 하고 있다. 또한 콘크리트 구조물의 Life cycle 관점에서 보면 지보 능력의 향상(고강도, 고인성, 고내구성) 및 시공능률의 향상 (낮은 리바운드율, 대량 뿜어붙이기, 저분진)이라는 고품질 화에 따라 전체 시공비의 저감 효과가 기대된다.
국내 대부분의 터널에 적용되어 있는 NATM 터널의 단점은 무엇인가?
본 연구에서는 철도 터널 건설을 위하여 세계적인 터널 기술 선진국들에서 도입되고 있는 싱글쉘 터널 공법에 대하여 국내의 실정에 맞는 싱글쉘 터널 공법에 대하여 국내 실정에 맞는 싱글쉘 터널 공법을 제안하고자 한다. 국내 대부분의 터널에 적용되어 있는 NATM 터널은 지반 조건과 관계없이 라이닝을 타설하고 있는 실정이고 이로 인하여 과다한 공사비 책정의 원인이 되고 있으며, 라이닝 타설로 인한 공사기간이 추가로 소요되고 있는 상황이다(Lee et al., 2001).
참고문헌 (11)
Anderson, j. (1997), HSE report on NATM safety, Tunnel & Tunnelling, March, pp. 49-1.
Bae, G. J., Chang, S. H., Park, H. G. and Won, J. P. (2006), Experimental study on the improvement of shotcrete performance by addition of calcium aluminate based accelerator and metakaolin, Tunnelling Technology, Vol. 8, No. 3, pp. 237-247 (in Korean).
Barton, N. R. (1995), Permanent support for tunnels using NMT. In rock engineering, ed. Hoek, E., Course note, pp. 1-26.
Broch, E. (2001), The inner lining system in norwegian rraffic runnels, 2001 International Symposium on Application of Geosystem Engineering, Seoul, Korea, pp. 3-13.
Kirland, C. (1996), NATM in the UK : the dabate for far, Tunnel & Tunnelling, September, pp. 38-40.
Korea Institute of Construction Technology (2006), Develope of the Korean single shell tunnelling method, Final Report, 03industry-academic cooperationA01-06, pp. 5-47 (in Korean).
Kovari, K. (1995), NATM槪念の誤った考え方, トンネルと地 下, Vol. 26, No. 11, pp. 65-76 (in Japanese).
Lee, D. H., Lee, S. K. and Bak, D. H. (2001), Design of tunnelling applied NMT in depth rockmass, 2001 Korean Rock Mechanics Conference, Korea Society for Rock Mechanics, Seoul, pp.1-15 (in Korean).
Shin, H. S. (2001), NMT (Norwegian Method of Tunnelling) and precast-concrete lining, 2001 Korean Rock Mechanics Conference, Korea Society for Rock Mechanics, Seoul, pp. 36-52 (in Korean).
Yang, W. S. (2010), Numerical analysis on the crack control of concrete lining reinforced by composite fibers, Journal of the Korean Geosynthetics Society, Vol. 9, No. 2, pp. 41-50 (in Korean).
Yu, C. W., Chern, J. C. and Snee, C. P. M. (2000), Creep characteristics of Soft rock and creep modelling of tunnel, World tunnel conference, AITES-ITA 2000 world tunnel conference 2000, pp. 565-572.
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