[논문]토사터널 갱구 비탈면 지반 이완에 대한 보강공법(Nail-Jet) 시공사례

서경원; 김기태; 김용현

토사터널 갱구 비탈면 지반 이완에 대한 보강공법(Nail-Jet) 시공사례 원문보기

서경원 ((주)대우건설 기술연구원) , 김기태 ((주)대우건설) , 김용현 (한국기초(주))

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문제 정의

즉, 지중관로, 보강재, 인접 구조물 등의 지장물이 존재하는 경우, 지반이 매우 느슨한 경우, 붕적층, 파쇄대, 균열부 및 공동부로 주입재가 과다 손실되는 경우, 점성토층 조건으로 침투주입이 어렵고 주면마찰력이 작은 경우, 지하수 유속이 빨라 주입재가 유실되는 경우 등이다. 본고는 이러한 경우중의 하나에 대한 기술로써, 터널 인버트부까지 토사층이 분포하는 지역에 터널 굴착 시 상부지반의 이완으로 기설치된 영구앵커의 인장력 손실이 발생되어, 기설치된 앵커에 영향을 주지 않고 이완된 지반을 보강하여 비탈면을 안정화시킨 내용이다.

가설 설정

설치된 앵커의 인장력은 전수조사결과 확인된 앵커력의 평균값을 적용하였고, 터널의 콘크리트라이닝이 시공된 상태이므로 비탈면의 안정성과는 무관하다고 판단되어 터널이하에서는 파괴가 발생하지 않는 것으로 가정하였다. 안정성 검토결과 기준안전율을 만족하지 못해 보강대책을 수립해야 할 필요가 있는 것으로 나타났다.

제안 방법

◌◌터널 시점 갱구부 비탈면은 표준경사 적용 시 군부대를 훼손하므로, 판넬식 옹벽 + 영구앵커를 적용하여 인접부지를 침범하지 않고 비탈면의 안정을 확보하도록 계획되었으며, 영구앵커는 설계하중 21tonf~57tonf의 6가지 타입으로 길이 L=16~22m 로 시공되었다. 갱구 비탈면 조성 후 터널 굴착을 진행함에 따라 변위가 크게 발생하였으며, 대책수립을 위해 추가지반조사를 수행한 결과 설계시와 다르게 풍화 암선이 깊게 분포하는 것을 확인할 수 있었다(그림 3).
앵커 인장력 전수조사결과를 바탕으로 앵커 설치단수와 확인된 앵커력을 고려하여 그림 10과 같이 3개의 해석영역으로 구분하였다. 검토단면은 다음 그림 11과 같이 두 개의 단면을 선정하였으며 해석영역 1과 2는 A단면을 적용하고, 3은 B단면을 적용하여 안정성을 검토하였다.
고압분사식 쏘일네일링(Nail-Jet)의 경우 그라우팅에 의하여 개량체가 형성되어 지반의 강도증진효과를 기대할 수 있으므로 이를 고려하여 안정성 검토를 수행하였다.
또한, 비탈면 상부에서 수직방향으로 적용할 경우 기존 앵커 정착부의 그라우팅 효과로 인하여 앵커와 연계하여 보강력의 증대효과를 기대할 수 있다. 또한 특수 제작한 비트를 사용하여 기존 앵커를 회피하여 천공하였다.
본 현장은 비탈면 하부 터널굴착에 따라 천단침하가 과대하게 발생하였고, 이로 인해 지반이 이완되어 상부 판넬식 옹벽 앵커의 인장력이 손실되었으며, 약 2년이 경과된 상태에서도 재긴장이 되지 않아 회복을 기대하기는 어려우며, 지반의 주면마찰저항이 크게 감소된 상태이므로 지반의 이완된 상태를 고려한 보강 대책을 수립하였다.
비탈면 상부 도로는 골패임이 심한 것으로 보아 우기 시 빗물이 모이는 곳으로 주요 침투경로로 판단되어 조속히 도로 포장을 실시하여 우수 침투를 방지할 수 있도록 하였다.
앵커 인장력 전수조사결과를 바탕으로 해석단면을 결정하고, 현재 상태의 비탈면안정성 확보 여부를 검토하여 불안정 시 보강대책을 수립하는 것으로 계획하였다.
이러한 보강공법의 특징을 비교한 결과 일반 쏘일네일링에 비하여 시공물량이 축소되고, 직천공 방식의 시공방법으로 공기단축 및 시공성 향상효과를 기대할 수 있는 고압분사식 쏘일네일링 공법을 적용하기로 하였다.
전자동 플랜트를 채택하여 자동계량 및 유량을 데이터(Data)화 할 수 있고, 사일로(Silo, 30Ton)에 벌크 (Bulk) 시멘트를 반입하여 비산먼지를 억제할 수 있는 플랜트를 갱구 앞쪽부지에 설치하였고(그림 20.(a)), 기설치된 앵커를 간섭하지 않도록 팽이비트를 사용하였다(그림 20.

이론/모형

지반설계정수는 “◌◌국도건설공사 지반조사보고서”의 비탈면구간 산정결과를 반영하였으며, 기준 안전율은 “건설공사 비탈면설계기준(국토해양부, 2011)”에 의거하였다.
토사사면의 경우 원호파괴 해석을 수행하며, 한계평형 이론에 의한 비탈면 안정해석 방법에는 여러 가지가 있으나 범용적인 Bishop Method를 사용하였다.

성능/효과

1) 비탈면 좌측부에 지하수가 유출되는 지점이 1개소 발견되었다.
1) 터널 갱구부 변위 발생 후 2015년 2월에 실시한 옹벽의 앵커 인장력 전수조사결과 앵커 14번 이후부터 인장력 손실이 발생된 것으로 나타났다 (그림 5 및 그림 6).
2) 설계 앵커력 대비 부족 앵커력을 검토한 결과 앵커력이 부족한 옹벽은 주로 5단, 6단 및 7단 옹벽인 것으로 나타났으며, 주로 울산방향 터널 상부에서 앵커력 손실이 큰 것으로 나타났다.
2) 터널 직상부 숏크리트 타설구간의 소단과 비탈면 경계부에서 틈새가 크지는 않으나 연속된 숏크리트 균열이 발견되어 숏크리트와 원지반이 완전히 밀착되어 있지 않다.
3) 부산방향 터널의 경우 5단 옹벽에서 인장력 손실이 가장 크며, 울산방향 터널의 경우 6단 옹벽에서 인장력 손실이 큰 것으로 나타났다.
4) 앵커 인장력 손실 후 재긴장 시 인장력이 도입되지 않으므로 앵커 정착부 지반이 이완되어 느슨해졌을 것으로 판단된다.
◌◌터널 시점 갱구부 비탈면은 표준경사 적용 시 군부대를 훼손하므로, 판넬식 옹벽 + 영구앵커를 적용하여 인접부지를 침범하지 않고 비탈면의 안정을 확보하도록 계획되었으며, 영구앵커는 설계하중 21tonf~57tonf의 6가지 타입으로 길이 L=16~22m 로 시공되었다. 갱구 비탈면 조성 후 터널 굴착을 진행함에 따라 변위가 크게 발생하였으며, 대책수립을 위해 추가지반조사를 수행한 결과 설계시와 다르게 풍화 암선이 깊게 분포하는 것을 확인할 수 있었다(그림 3).
넷째, 고압분사식 쏘일네일링의 경우 고압분사에 의하여 형성되는 그라우팅 개량체에 의한 지반 보강 효과가 크며, 부분적으로 침투주입 및 맥상주입에 의한 지반보강효과도 기대할 수 있어 장기적인 안정성 확보에 유리하다. 또한, 비탈면 상부에서 수직방향으로 적용할 경우 기존 앵커 정착부의 그라우팅 효과로 인하여 앵커와 연계하여 보강력의 증대효과를 기대할 수 있다.
또한, 터널 굴착 중 토사구간에서 천단침하가 20∼30cm 정도 발생된 것으로 계측되어 하부 터널의 변위가 발생됨에 따라 상부지반이 이완되어 앵커의 인장력이 손실되었을 것으로 판단되며, 시간의 경과 후 앵커 재긴장 시 인장력이 도입되지 않았으므로 지반의 강도가 회복되지 않고 이완된 상태를 유지하고 있는 것으로 판단된다.
셋째, 앵커 정착부까지 지반이 이완되어 주면마찰저항이 크게 감소되었고, 전단강도 또한 크게 감소되었을 것이므로 일반적인 선형보강재(앵커, 네일 등)에 의한 보강효과는 기대하기 힘들다. 일반 쏘일네일링의 경우 이완된 지반에 설치시 장기적으로 네일 부착력에 문제가 발생할 여지가 있어 장기적인 안정성을 보장하기 어렵고, 또한 기존 옹벽 상부 비탈면의 경우 크레인을 이용한 천공 및 네일 설치작업시 크레인이 설치되는 갱문위치와 이격거리 및 높이차이가 약 20m 정도로 작업의 어려움 및 안전사고 발생의 우려가 있다.
(b)). 시험시공 결과 소요 구근이 형성됨을 확인하였으며(그림 20.(c)), 비탈면 부분은 크레인을 이용하여 시공하였다(그림 20.
판넬식 옹벽 시공 당시 설계앵커력을 확보하기 위한 주면마찰저항과 전수조사결과를 바탕으로 한 현재 상태의 주면마찰저항을 추측하여 대비한 결과 옹벽 시공 시보다 주면마찰저항이 약 86% 감소한 것으로 나타나 지반이 매우 느슨해진 것으로 판단된다(그림 15).

후속연구

그림 15. 설계 대비 현재 상태의 주면마찰저항 비율

비탈면 하부 터널굴착에 따라 천단침하가 과대하게 발생하였고 이로 인해 지반이 이완되어 상부 판넬식 옹벽 앵커의 인장력이 손실되었으며, 약 2년이 경과된 상태에서도 재긴장이 되지 않아 회복을 기대하기는 어려우며, 지반의 주면마찰저항이 크게 감소된 상태이므로 지반의 이완된 상태를 고려한 보강대책을 수립해야 할 것으로 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

비탈면 보강으로 주로 적용되는 공법은 무엇이 있는가?

비탈면 보강으로 주로 적용되는 공법에는 옹벽, 앵커, 쏘일네일링공법이 있으나, 시공상 특징으로 특별한 공법을 적용해야 하는 경우가 있다. 즉, 지중관로, 보강재, 인접 구조물 등의 지장물이 존재하는 경우, 지반이 매우 느슨한 경우, 붕적층, 파쇄대, 균열부 및 공동부로 주입재가 과다 손실되는 경우, 점성토층 조건으로 침투주입이 어렵고 주면마찰력이 작은 경우, 지하수 유속이 빨라 주입재가 유실되는 경우 등이다.

◌◌터널 시점부에 분포하는 지질은 무엇이 있는가?

◌◌국도건설공사는 경상남도 양산시 덕계동∼용당을 연결하는 공사이다. ◌◌터널 시점부에 분포하는 지질은 중생대 백악기 신라통의 변질안산암, 원효 산각력안산반암과 이를 관입한 불국사통의 흑운모화강암, 화강섬록암으로 대별되며, 신생대 제4기 제4계에 속하는 충적층이 상기 여러 암층을 부정합으로 피복하고 있다(그림 1). 시추조사 결과 지반 이완구간은 화강섬록암 및 안산암질암의 풍화토 및 풍화암으로 구성되었으며 터널 시점부는 두 암종의 경계부에 위치하고 있다.

시공상 특징으로 특별한 공법이 필요한 경우는 어떤 경우가 있는가?

비탈면 보강으로 주로 적용되는 공법에는 옹벽, 앵커, 쏘일네일링공법이 있으나, 시공상 특징으로 특별한 공법을 적용해야 하는 경우가 있다. 즉, 지중관로, 보강재, 인접 구조물 등의 지장물이 존재하는 경우, 지반이 매우 느슨한 경우, 붕적층, 파쇄대, 균열부 및 공동부로 주입재가 과다 손실되는 경우, 점성토층 조건으로 침투주입이 어렵고 주면마찰력이 작은 경우, 지하수 유속이 빨라 주입재가 유실되는 경우 등이다. 본고는 이러한 경우중의 하나에 대한 기술로써, 터널 인버트부까지 토사층이 분포하는 지역에 터널 굴착 시 상부지반의 이완으로 기설치된 영구앵커의 인장력 손실이 발생되어, 기설치된 앵커에 영향을 주지 않고 이완된 지반을 보강하여 비탈면을 안정화시킨 내용이다.

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