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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 저토피 터널구간(○○~○○ 철도건설 제○공구 ○○터널) 실측계측자료 분석과 현장의 지형, 지반조건 및 터널 시공현황 등을 고려한 3차원 수치해석을 수행하여 저토피 터널굴착에 의한 지반변형 특성 검토하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 저토피구간 관련 설계기준 및 문헌자료, 시공사례를 분석하여 다양한 지반 및 저토피 터널통과구간에 적합한 보강방안을 고찰하였다. 실제 저토피 터널 굴착 중 발생되는 지반변형 특성을 파악하기 위하여 기존 국도를 근접하여 통과하는 철도터널구간에 수평 지중침하계를 설치하여 지속적인 계측을 수행하였고, 저토피구간의 지형, 지반조건 및 터널 시공단계를 모사한 3차원 정밀 수치해석(FEM)을 수행하여 계측자료와 비교하여 연관성을 검토하였다.
제안 방법
- 수치해석은 불규칙한 지반조건, 상이한 시공공정 및 시간경과에 따른 응력변화 등의 현장 시공환경 변화가 사실적으로 고려되지 못하는 제한사항으로, 실제 발생되는 변형 및 응력상태와 동일하게 구현되지 못하는 한계성이 존재한다. 따라서, 본 절에서는 저토피구간 터널 굴착 중 계측된 지중침하와 수치해석에 의한 지중침하를 비교 ․ 분석하여 상호 간의 차이점 및 유사성을 파악하였다.
- 실제 저토피 터널 굴착 중 발생되는 지반변형 특성을 파악하기 위하여 ｢◯◯~◯◯철도건설 ◯◯터널 ｣소재의 국도◯호선 하부 저토피 터널통과구간에 수평 지중침하계를 설치하여 터널 굴착 중 지속적인 계측을 수행하였다. 또한, 검토구간의 지형, 지반 및 시공여건을 고려한 3차원 연속체 수치해석(FEM)을 수행하여 저토피 터널구간의 안정성을 평가하였으며, 계측자료와 비교 ․ 분석하여 저토피 터널굴착에 따른 선행침하 발생경향, 및 최종침하 발생경향에 대하여 검토하였다.
- 3 m하부에 자동화 수평 지중 침하계를 터널을 굴착하기 전에 매설하였다. 또한, 수평 지중침하계의 센서는 터널 최소 1굴진 간격(PD-6-2B, L = 0.8 m)을 고려하여 50.0 cm간격으로 축소하여 계측결과의 정밀도를 증대시켰으며, 기존 국도◯호선과 터널의 직접적으로 간섭되는 연장(L) 80.0 m를 고려하여 87.5 m구간에 수평 지중침하계를 매설하였다.
- 본 저토피 터널구간의 지중침하 계측결과와 비교분석하기 위하여 검토구간의 지형, 지층분포, 터널 시공단계 및 도로하중 등을 3차원 수치해석에 모사하여 터널굴착에 의한 저토피구간의 지반변형특성을 검토하였다. 수치해석 프로그램은 국내 지반문제에 대하여 범용적으로 적용되는 MIDAS GTX NX를 이용하여 Fig.
- 본 저토피 터널구간의 지중침하 계측결과와 비교분석하기 위하여 검토구간의 지형, 지층분포, 터널 시공단계 및 도로하중 등을 3차원 수치해석에 모사하여 터널굴착에 의한 저토피구간의 지반변형특성을 검토하였다. 수치해석 프로그램은 국내 지반문제에 대하여 범용적으로 적용되는 MIDAS GTX NX를 이용하여 Fig. 7과 같이 모델링 하였으며, 초기 단계, 변위초기화, 시공단계, 해석단계를 설정하여 단계시공이 종료될 때까지 반복 진행하였고, 지반설계정수는 Table 3과 같으며 실시설계 지반조사에서 획득된 자료를 적용하였다.
- 실제 저토피 터널 굴착 중 발생되는 지반변형 특성을 파악하기 위하여 기존 국도를 근접하여 통과하는 철도터널구간에 수평 지중침하계를 설치하여 지속적인 계측을 수행하였고, 저토피구간의 지형, 지반조건 및 터널 시공단계를 모사한 3차원 정밀 수치해석(FEM)을 수행하여 계측자료와 비교하여 연관성을 검토하였다.
- 실제 저토피 터널 굴착 중 발생되는 지반변형 특성을 파악하기 위하여 ｢◯◯~◯◯철도건설 ◯◯터널 ｣소재의 국도◯호선 하부 저토피 터널통과구간에 수평 지중침하계를 설치하여 터널 굴착 중 지속적인 계측을 수행하였다. 또한, 검토구간의 지형, 지반 및 시공여건을 고려한 3차원 연속체 수치해석(FEM)을 수행하여 저토피 터널구간의 안정성을 평가하였으며, 계측자료와 비교 ․ 분석하여 저토피 터널굴착에 따른 선행침하 발생경향, 및 최종침하 발생경향에 대하여 검토하였다.
- 저토피 터널굴착 구간의 지반조건은 터널 상부 0.5D이내에 지반강도특성이 매우 불량한 풍화토~풍화암이 분포하여 터널의 구조적 안정성 확보측면에서 불리한 상황으로 파악되어, Table 1과 같이 고강성의 PD-6 및 PD-6-2B 지보패턴을 계획하여 터널 굴착을 진행하였다. 지보패턴 및 보강현황은 Fig.
- 저토피구간 터널굴착에 의한 터널 천단침하 및 지상부(지표하부 1.0 m) 지중침하 변화특성을 파악하기 위하여 터널 굴착시점(15 km120.0) 기준으로, 0.0D, 3.0D, 6.0D, 9.0D, 12.0D의 위치를 관측측점을 설정하여 수치해석 결과를 검토하였다.
성능/효과
- 15 km140.0~160구간은 지반조건이 가장 불량하나, Fig. 5에서 보여주는 바와 같이 상대적으로 두꺼운 토피조건 및 대구경 강관보강 그라우팅의 보강효과로 터널이 굴착됨에 따라 점차 지반침하량이 증가되는 경향을 나타내는 것으로 검토되었다. 15 km160.
- 5에서 보여주는 바와 같이 상대적으로 두꺼운 토피조건 및 대구경 강관보강 그라우팅의 보강효과로 터널이 굴착됨에 따라 점차 지반침하량이 증가되는 경향을 나타내는 것으로 검토되었다. 15 km160.0~180.0구간은 터널 하부까지 풍화암이 분포하고 토피조건이 가장 얇게 (0.60~0.65D) 형성됨에 따라, 터널 굴착중 가중 큰 지반침하 현상이 발생되었으며, 15 km180 이후 기반암선의 상향 분포 및 토피가 두꺼워지는 양상에의하여 지반침하량이 점차 감소하는 경향을 나타내는 것으로 검토되었다.
- 계측결과에 의한 선행침하 발생영역은 터널막장 기준 0.6~1.5D이며, 최대 선행침하량은 토피고가 가장 낮은 15 km165.0 지점에서 발생하였다.(-3.
- 계측결과에 의한 선행침하 발생영역은 터널막장 기준 0.6~1.5D이며, 최대 선행침하량은 토피고가 가장 낮은 서원기(현)15 km165.0 지점에서 발생하였다(-3.737 mm, 선행침하 발생비: 40%). 저토피구간 터널굴착에 의한 선행침하 발생영역, 침하량, 발생비 및 발생위치가 계측자료와 수치해석결과가 다소 상이한 것은 실제 시공 중 발 생되었던 대구경 강관 그라우팅에 의한 막장 전방지반 이완(지반융기), 지반의 불균질성 및 불규칙성 및 터널굴 착중 시공여건 변경 등이 수치해석에는 충분히 고려되지 못하는 한계성에 기인한 것으로 판단되며, 향후 연구에서는 선행 침하의 실측방안 및 이를 고려한 해석에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서, 지반조건이 불량한 저토피구간을 터널로 통과할 때, 터널 지층분포 및 토피조건이 복합적인 영향을 미치며, 토피조건이 0.7D 이하인 경우에는 터널 주변지반의 아칭효과를 거의 기대할 수 없어 터널 주변지반 보강공법(강관보강 그라우팅)의 효과가 크게 발휘되지 못하는 것으로 검토되었다. 이는 본 현장의 계측자료에 의한 분석결과로 보다 다양한 저토피조건의 계측자료 분석 또는 정밀 수치해석을 통하여 보다 심도 깊은 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 선행침하량은 지반조건이 불량한 저토피구간 시점부에서 가장 크게 발생되었고(-4.76 mm, 선행침하 발생비: 32%), 기반암층이 상향 분포는 종점부로 갈수록 감소하는 양상을 나타내는 것으로 검토되었다. 이는, 저토피 구간에서 가장 큰 변형특성을 나타내는 토사 및 풍화암층의 분포현황과 터널상부 토피지반을 터널에 작용하는 하중조건으로 고려되는 수치해석의 전형적인 특성에 기인한 결과로 판단된다.
- 선행침하량은 지반조건이 불량한 저토피구간 시점부에서 가장 크게 발생되었고(-4.76 mm, 선행침하 발생비: 32%), 기반암층이 상향 분포는 종점부로 갈수록 감소하는 양상을 나타내는 것으로 검토되었다. 이는, 저토피 구간에서 가장 큰 변형특성을 나타내는 토사 및 풍화암층의 분포현황과 터널상부 토피지반을 터널에 작용하는 하중조건으로 고려되는 수치해석의 전형적인 특성에 기인한 결과로 판단된다.
- 현장 계측 및 수치해석에 의한 지반침하를 비교 ․ 분석한 결과, 다음과 같은 유사성 및 차이점이 있는 것으로 분석되었다. 수치해석에 의한 선행침하 발생영역은 터널막장 기준 약0.83D로, 지반 및 토피조건에 큰 영향을 받지 않으며, 터널막장 전방의 소성영역과 거의 동일한 것으로 분석되었다. 선행침하량은 지반조건이 불량한 저토피 구간 시점부에서 가장 크게 발생되었고(-4.
- 0 mm)가 발생되었다. 수치해석에 의한 지중침하는 불량한 지반조건과 저토피의 영향으로 터널 천단 침하의 약 80.0%수준의 비교적 큰 변위가 발생되었다. 이는, 최대 계측 지중침하량(14.
- 0D정도 진행될 때까지 침하가 발생되다가 수렴하여 안정화되는 것으로 분석되었다. 이때, 검토구간의 최대 침하량은 2.50~14.48 mm로 1차 관리기준 19.0 mm보다 작게 발생되어 터널 굴착 중 보강 공법의 적정성 및 지상부 도로의 안정성을 확인할 수 있었다.
- 저토피 터널굴착에 의한 지반침하는 계측 및 수치해석 결과 모두 토사 및 풍화암층이 깊게 형성되어 상대적으로 지반조건이 불량하고 토피조건이 얕은 저토피 시점부에서 지반침하량이 크게 발생되었으며, 기반암(연암 및 경암)선이 상승하는 종점부로 갈수록 침하량이 감소하는 양상을 나타내며, Fig. 12와 같다. 단, 저토피 시점부(15 km 120.
- 10(a)와 같이 검토되었다. 저토피구간 터널굴착에 따른 최종 지중침하를 분석한 결과, Fig. 10(d)와 같이 토사 및 풍화암이 깊게 분포한 터널 시점부의 지중침하가 크게 발생되어 1차 지중침하 관리기준 19.0 mm에 근접한 변위량이 발생되었고, 터널 주변지반이 연암(암반등급 Ⅳ)이 분포하는 L = 95.0 m (15 km215.0), (Fig. 10(c) 참조) 이후 구간에서는 2.
- 저토피구간 터널굴착에 의한 변위양상은 전반적으로 터널 상반 굴착 전 대구경 강관보강 그라우팅 시공에 의한 영향으로 터널막장 기준 약 1.0D (L = 12.0 m) 전방에 1.0 mm 미만의 지반융기가 발생된 후, 터널굴착이 진행되면서 선행침하가 발생되는 양상이 반복적으로 나타나는 것으로 확인되었다. 저토피구간에 발생된 침하는 터널 토피조건 및 지층분포에 따라 상이하나 평균적으로 터널 상반 굴착 시 최종 침하량의 65~75%가 발생되었으며, 터널 하반 굴착 후 막장이 2.
- 0 mm 미만의 지반융기가 발생된 후, 터널굴착이 진행되면서 선행침하가 발생되는 양상이 반복적으로 나타나는 것으로 확인되었다. 저토피구간에 발생된 침하는 터널 토피조건 및 지층분포에 따라 상이하나 평균적으로 터널 상반 굴착 시 최종 침하량의 65~75%가 발생되었으며, 터널 하반 굴착 후 막장이 2.0D정도 진행될 때까지 침하가 발생되다가 수렴하여 안정화되는 것으로 분석되었다. 이때, 검토구간의 최대 침하량은 2.
- 저토피구간의 지층분포 및 터널 주변지반의 강도특성에 따라 정량적인 침하량의 크기는 상이하나, 전반적으로 불량한 지반조건에 의하여 터널 굴착 초기에 선행변위가 발생한 후, 단계적인 터널 굴착에 의하여 침하량이 증가하다, 관측측점 기준 약 2.0D 이상 터널막장이 전진하면 일정한 침하량에서 수렴하는 경향을 나타내었다. Fig.
후속연구
- 따라서, 지반조건이 불량하고 충분한 토피고가 확보되지 못하여 터널 주변지반의 아칭효과를 기대할 수 없는 저토피 구간에서는 강성보강대책의 적용도 중요하나, 터널굴착 및 보강공법 시공 중 발생되는 지반이완이 최소화 되도록 철저한 주의를 기울여야 하며, 단계적인 시공계획을 수립하여야 할 것으로 판단된다.
- 따라서, 지반조건이 불량한 저토피 터널구간에서는 과도한 선행침하 및 터널막장 변형에 의한 터널 안정성 저하 방지를 위하여 터널막장 전방 1.0D 이상 영역에 대한 보강(보조)공법을 적용하여야 하며, 터널 보강(보조)공 법 적용시 지반이완이 최소화되도록 저진동 천공장비 적용, 주입압 관리 및 단계적인 시공을 통한 집중응력 방지 대책 등의 상세히 시공계획을 수립하여야 할 것으로 판단된다.
- 또한, 지반조건이 불량하고 충분한 토피고가 확보되지 못하여 터널 주변지반의 아칭효과를 기대할 수 없는 저 토피 구간에서는 강성보강대책의 적용도 중요하나, 터널굴착 및 보강공법 시공 중 발생되는 지반이완이 최소화되도록 철저한 주의를 기울여야 하며, 단계적인 시공계획을 수립하여야 할 것으로 판단된다.
- 7D 이하인 경우에는 터널 주변지반의 아칭효과를 거의 기대할 수 없어 터널 주변지반 보강공법(강관보강 그라우팅)의 효과가 크게 발휘되지 못하는 것으로 검토되었다. 이는 본 현장의 계측자료에 의한 분석결과로 보다 다양한 저토피조건의 계측자료 분석 또는 정밀 수치해석을 통하여 보다 심도 깊은 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 737 mm, 선행침하 발생비: 40%). 저토피구간 터널굴착에 의한 선행침하 발생영역, 침하량, 발생비 및 발생위치가 계측자료와 수치해석결과가 다소 상이한 것은 실제 시공 중 발 생되었던 대구경 강관 그라우팅에 의한 막장 전방지반 이완(지반융기), 지반의 불균질성 및 불규칙성 및 터널굴 착중 시공여건 변경 등이 수치해석에는 충분히 고려되지 못하는 한계성에 기인한 것으로 판단되며, 향후 연구에서는 선행 침하의 실측방안 및 이를 고려한 해석에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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