[논문]국내 최초의 대심도 분기터널 시공사례 소개

류진우; 신승용; 이호연

문제 정의

본 고에서는 국내 최초의 대심도 분기터널 시공에 따라 현장에서 중점적으로 고려한 사안을 소개하였다. 본 현장은 노선 종점부의 대단면 분기부에서 램프(4개소)를 통해 인근 ㄱ대로, ㄴ대로와 연결되도록 계획되어 있으며, 하천 직하부 토사층부터 대심도 암반에 이르는 다양한 지반에 대한 굴착이 필요하다.
본 고에서는 수도권 서부 도심권과 서울 도심을 연결하는 주간선도로 역할을 목적으로 하는 O터널 사업의 시공사례를 소개하고자 한다. 본 사업은 국내 최초의 대심도(최대심도 80m) 분기터널을 포함하며, 노선 구간은 이용교통량 중 96.
본 사례는 현장의 ㄷ 방향 분기부 대단면 터널 굴착시 안정성과 시공성을 고려하여 터널 굴진장 축소, 임시 확폭구간 연장 축소, 상하반 분할굴착선 상향조정, 분할굴착 단면 변경 및 막장 간 이격거리를 축소시켜 시공성을 개선한 사례이다.
본 현장에서는 ㄷ 방향 분기부의 확폭구간 굴착시 시공성을 고려하여 선행 막장과 후행 막장의 이격거리를 2막장으로 유지하고, 동시 발파하면서 분기부 굴착을 진행하고자 하였다. 또한, 단면확폭부의 굴착패턴(굴진장 1.
세사 및 실트 비중이 높은 충적층의 경우 침투방식의 그라우팅의 효과가 떨어져 터널 굴착 중 지하수 유출이 과다하게 발생할 가능성이 높으므로 이에 대한 적절한 보강대책 수립이 요구된다. 이러한 현장 지반의 특성을 고려하였을 때, 본 현장의 토사터널은 저토피고에 대한 막장 안정성 확보 및 지하수 억제를 통해 지하수위 저하를 방지할 수 있는 보강대책을 수립/적용하는 것이 목표였다.

제안 방법

2) 3차로 확폭구간의 막장 이격거리 검토를 각각 수행하였다. 본 고에서는 해석내용은 간략히 수록하였다.
본 현장은 노선 종점부의 대단면 분기부에서 램프(4개소)를 통해 인근 ㄱ대로, ㄴ대로와 연결되도록 계획되어 있으며, 하천 직하부 토사층부터 대심도 암반에 이르는 다양한 지반에 대한 굴착이 필요하다. 이에 따라 ¹⁾ 하천 하부를 통과하는 저토피 토사터널의 보강방안과 ²⁾ 대단면 분기부의 시공성 개선을 중점 고려사항으로 검토하였다.
3차원 모델링 해석결과는 앞서 언급한 막장 이격거리별로 분기부 전 구간에 대해 천단침하, 내공변위 및 지보재 응력의 최대값과 시공단계에 따른 값을 검토하였다.
ㄷ 방향과 ㄹ 방향에서의 분기부 계획은 그림 5와 같으며, 분기부 굴착은 3차로, 3차로 확폭, 미굴착 영역, 2차로 램프(A, B)터널 및 1차로 램프(C, D)터널 순으로 계획되었다. 두 램프가 분기되는 필라부의 최소 폭은 2m이며, 무진동 발파 및 텐션볼트를 적용하여 필라부의 안정성을 확보하였다.
다음으로, 3차로 확폭부(DWP-3, DWP-4)도 마찬가지로 시공단계별 천단침하 및 내공변위와 지보재에 발생하는 응력을 통해 안정성을 검토하였다. 3차로 확폭부 하반 굴착 완료 단계에서 최대 천단침하 8.
단면확폭부(WRP-2 패턴, 굴진장 및 연장 축소)와 3차로 확폭부(DWP-3, DWP-4 패턴, 상반 분할굴착 계획 변경) 두 구간에 대한 시공단계별 천단침하 및 내공변위, 지보재 안정성 검토를 수행하였다.
ㄷ 방향과 ㄹ 방향에서의 분기부 계획은 그림 5와 같으며, 분기부 굴착은 3차로, 3차로 확폭, 미굴착 영역, 2차로 램프(A, B)터널 및 1차로 램프(C, D)터널 순으로 계획되었다. 두 램프가 분기되는 필라부의 최소 폭은 2m이며, 무진동 발파 및 텐션볼트를 적용하여 필라부의 안정성을 확보하였다.
3차로 확폭구간의 막장 이격거리에 대한 검토는 확폭구간 상반 굴착완료 후 하반 굴착을 시작하는 순으로 시공순서를 모사하였으며, 표 2를 함께 참고하기 바란다. 또한 이격거리에 따른 터널 변위 및 지보재 응력을 비교하고자 막장 이격거리가 2.0m, 20.0m, 60.0m인 경우에 대한 검토를 함께 수행하였다. 안정성 해석에 적용된 보강물성치 및 지반물성치는 설계값을 준용하였다(표 3, 4).
또한, 단면확폭부의 굴착패턴(굴진장 1.2m → 1.0m, 연장 25.2m → 20.0m) 및 지보패턴(무지보 → 강지보)을 변경하고, 분기부 3차로 확폭구간(DWP-3, DWP-4)의 상하반 분할선을 1.4m 상향(3.37m → 4.77m)하여 안정성과 시공성을 확보하고자 하였으며, DWP-4 패턴의 경우 상하반 분할선 상향시 상반 굴착 단면적이 감소하므로 상반을 3분할 굴착에서 2분할 굴착으로 변경하고자 하였다.
본 터널은 대심도 지하도로로 주변 도로와의 연계를 위해 분기터널로 계획되었다. 본선(2차로)과 램프를 이어주는 분기터널 연장은 ‘도로의 구조‧시설기준에 관한 규칙’을 반영하여 가속 및 감속구간, 변이구간을 포함하여 총 약 170m가 적용되었으며, 폭 14.
본선(2차로)과 램프를 이어주는 분기터널 연장은 ‘도로의 구조‧시설기준에 관한 규칙’을 반영하여 가속 및 감속구간, 변이구간을 포함하여 총 약 170m가 적용되었으며, 폭 14.3m의 3차로 구간과 폭 23.7m의 3차로 확폭 대단면 구간으로 설계되었다.
수평제트그라우팅 적용 구간의 지층은 퇴적층~풍화토~풍화암이며, 본 현장에서는 막장면에 노출된 지층 구성에 따라 보강계획을 달리 하여 보강수량이 최적화 될 수 있도록 하였다. 다음의 표 1은 램프구간 중 토사터널에서의 수평제트그라우팅 적용 현황으로 4개소의 램프 중 Ramp-A의 현황을 대표로 수록하였다.
앞서 언급한 두 가지 안정성 검토에 대한 3차원 해석은 공통적으로 경계조건의 영향을 배제하기 위해 분기부 구간 모델링 단면을 기준으로 종방향, 횡방향 및 높이를 6D 이상 모델링하였다. 3차원 해석의 모델링도는 그림 8과 같다.
해당 공법은 분사압력에 의해 절삭이 가능한 토사, 충적층, 풍화토 등의 지반에서 적용 가능하며 보강 효과가 탁월한 것으로 알려져 있다. 이러한 터널 천단보강과 더불어 터널 하부까지 토사층으로 구성된 구간에 대해서는 레그파일로 선단 및 마찰지지를 통한 각부 보강을 실시하고, 측벽 강관보강을 통해 변형을 제어함으로써 시공 중 터널 안정성 확보가 가능하도록 하였다.
토사층을 통과하는 NATM 터널은 일반적으로 대구경강관그라우팅 혹은 차수그라우팅을 차수 설계로 반영한다. 하지만 앞서 서술한 바와 같이 터널 상부의 도로 여건 및 현장의 충적층 특성을 고려하여 최종적으로 수평제트그라우팅을 토사터널의 보강방안으로 수립하였다. 본 현장의 램프 4개소(Ramp-A, B, C, D)에 대한 토사터널 굴착 보강방안의 적용 구간은 그림 4와 같다.
한강 지류의 하천 직하부 토사층을 통과하는 터널이 계획되었던 노선 종점부는 설계단계부터 하천 하부 충적층이 발달한 현장 특성을 고려하여 복합적인 터널 보강방안을 검토하였으며, 결과적으로 지층 특성에 가장 적합한 수평제트그라우팅을 보강방안으로 선정하였다. 해당 보강방안을 적용한 토사터널 굴착은 주요 구간에 대한 계측을 동시에 수행하고 있으며, 계측값은 허용범위 이내로 관리하며 굴착 마무리단계를 진행 중이다.

대상 데이터

수평제트그라우팅 적용 구간의 지층은 퇴적층~풍화토~풍화암이며, 본 현장에서는 막장면에 노출된 지층 구성에 따라 보강계획을 달리 하여 보강수량이 최적화 될 수 있도록 하였다. 다음의 표 1은 램프구간 중 토사터널에서의 수평제트그라우팅 적용 현황으로 4개소의 램프 중 Ramp-A의 현황을 대표로 수록하였다.
본 고에서는 국내 최초의 대심도 분기터널 시공에 따라 현장에서 중점적으로 고려한 사안을 소개하였다. 본 현장은 노선 종점부의 대단면 분기부에서 램프(4개소)를 통해 인근 ㄱ대로, ㄴ대로와 연결되도록 계획되어 있으며, 하천 직하부 토사층부터 대심도 암반에 이르는 다양한 지반에 대한 굴착이 필요하다. 이에 따라 ¹⁾ 하천 하부를 통과하는 저토피 토사터널의 보강방안과 ²⁾ 대단면 분기부의 시공성 개선을 중점 고려사항으로 검토하였다.

데이터처리

O터널 대단면 분기부의 굴착 계획 변경안에 대한 안정성 검토를 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS NX를 사용하여 3차원 시공단계 해석을 수행하였다. 시공 안정성 확보여부를 판단하기 위해¹⁾ 단면확폭부 굴착패턴 및 지보패턴 변경, 3차로 확폭구간의 상하반 분할선 상향시 안정성 검토와²⁾3차로 확폭구간의 막장 이격거리 검토를 각각 수행하였다.

성능/효과

1) 한강 지류 하천으로 인해 충적층이 발달한 토사터널의 경우 국내 시공사례가 그다지 많지 않다. 따라서 본 현장에서는 타 현장 시공사례와 주변 여건 및 지층 특성을 고려하여 수평제트그라우팅을 보강방안으로 채택하고 이를 통해 하천 하부 구간의 굴착 마무리단계를 진행 중이다.
2) 2개소의 램프가 연결되는 대단면 분기부의 경우 2차로의 본선에서 램프로 접속하기 위해 변속차로를 고려하여 3차로 및 3차로 확폭으로 단면이 변화하게 되는데, 본 확폭구간의 시공성을 개선하고자 3차로 확폭부의 상하반 분할선 상향, 상반 분할 수 축소(3분할 → 2분할) 및 분할단면의 막장 간 이격거리에 대한 터널 안정성을 사전에 검토하고 안정적으로 굴착 중이다.
3차원 해석 결과, 본 현장의 경우 단면확폭부(WRP-2) 연장 축소(25.2m → 20.0m) 및 지보패턴 변경(무지보 → 강지보)과 3차로 확폭부(DWP-3, DWP-4)의 상하분할선 상향(3.37m → 4.77m) 및 DWP-4 패턴 상반 분할단면 변경(3분할 → 2분할)에 따른 터널 안정성의 문제 발생 가능성은 낮은 것으로 판단되었다.
본 현장의 종점부에 위치한 하천 하부 지반은 퇴적층이 발달하여 토사층의 분포 심도가 최대 22m 이상에 달하였다. 지반조사 결과, 퇴적층 내 점토 및 실트의 비중이 높아 상대적으로 토사층의 전단강도가 약해질 것으로 판단되었으며 이는 시공 중 터널 안정성 저하 및 지표침하 등의 문제를 야기할 수 있다.
분기부 전구간에 대한 발생 지보재 응력은 숏크리트 휨응력의 경우 2.0m 이격 및 상반 굴착완료시 3.78MPa(<8.40MPa), 락볼트 축력의 경우 2.0m 이격 및 하반 굴착완료시 30.8kN(<88.0kN)으로 나타났으며, 모든 케이스에서 발생하는 지보재 응력이 허용치 이내로 안정함을 확인하였다.
시공단계별 발생하는 숏크리트 휨응력 및 락볼트 축력의 최대값 또한 3차로 확폭부 하반 굴착 완료 단계에서 발생하였으며, 숏크리트 휨응력 및 락볼트 축력의 최대값은 각각 3.14MPa(<8.40MPa), 26.8kN(<88.0kN)으로 허용치를 만족하였다.
시공단계에 따른 지보재 발생 응력은 숏크리트 최대 휨응력의 경우 단면확폭부 및 3차로 확폭부 상반 굴착 완료 단계에서 3.78MPa(<8.40MPa), 락볼트 최대 축력의 경우 단면확폭부 상반 미굴 굴착 완료 단계에서 31.7kN(<88.0kN)으로 나타났으며, 모두 허용치를 만족하는 것으로 확인되었다.
우선, 3차원 해석으로 도출된 분기부 전구간의 최대 천단침하 및 내공변위 결과는 막장 간 이격거리가 2.0m일 경우 최대 천단침하는 8.06mm, 최대 내공변위는 상반 좌측에서 0.81mm로 나타났으며, 이격거리에 따라 발생하는 천단침하 및 내공변위 값의 차이는 최대 0.2mm 이내로 미소하였다.
우선, 단면확폭부(WRP-2)의 시공단계에 따른 최대 천단침하 및 내공변위는 모두 최종 시공단계인 3차로 확폭부 하반 굴착 완료 단계에서 발생하였으며, 최대 천단침하는 8.14mm, 최대 내공변위는 상반 좌측에서 0.84mm로 나타났다. 그림 10은 단면확폭부 상반 미굴부 굴착 완료 단계에서의 합변위도를 나타내었다.
본 현장의 종점부에 위치한 하천 하부 지반은 퇴적층이 발달하여 토사층의 분포 심도가 최대 22m 이상에 달하였다. 지반조사 결과, 퇴적층 내 점토 및 실트의 비중이 높아 상대적으로 토사층의 전단강도가 약해질 것으로 판단되었으며 이는 시공 중 터널 안정성 저하 및 지표침하 등의 문제를 야기할 수 있다. 특히, 본 구간은 램프구간 터널 상부에 도시고속화도로인 ㄴ대로가 위치하여 상부 지반의 안정성을 충분히 고려할 것이 요구되었다.

후속연구

따라서 본 현장에서는 타 현장 시공사례와 주변 여건 및 지층 특성을 고려하여 수평제트그라우팅을 보강방안으로 채택하고 이를 통해 하천 하부 구간의 굴착 마무리단계를 진행 중이다. 본 사례는 또 하나의 충적층 토사터널 보강사례로 추후 타 현장 시공에 참고 되기 바란다.
지하도로의 분기부와 지상 진, 출입로 연결 시공은 확폭부 안정성 확보 및 시공방법에 대한 기술 축적이 필요한 사례로 본 사례가 추후 참고가 되었으면 한다.
지반조사 결과, 퇴적층 내 점토 및 실트의 비중이 높아 상대적으로 토사층의 전단강도가 약해질 것으로 판단되었으며 이는 시공 중 터널 안정성 저하 및 지표침하 등의 문제를 야기할 수 있다. 특히, 본 구간은 램프구간 터널 상부에 도시고속화도로인 ㄴ대로가 위치하여 상부 지반의 안정성을 충분히 고려할 것이 요구되었다. 본 현장뿐만 아니라 한강 및 인근 지류 하천 지반은 대부분 충적층이 발달하였으나, 해당 지층에 대한 국내 터널 시공사례는 그리 많지 않은 실정이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수평제트그라우팅이란?	수평제트그라우팅은 천공과 동시에 대구경강관(Φ114.3mm)을 삽입하고, 고압분사(주입압 약 400kg/cm2 )를 실시하여 강관 주변에 고강도의 원주형 지반개량체를 형성하는 공법으로 터널 막장 주변에 아치 형태의 보강영역을 형성하는 것이 특징이다. 단순 침투방식의 그라우팅이 아닌 치환방식의 그라우팅으로 막장 천단부의 확실한 차수 및 보강효과를 기대할 수 있다.
	본 현장의 종점부에 위치한 하천 하부 지반의 문제점으로는 어떤 것이 있나요?	본 현장의 종점부에 위치한 하천 하부 지반은 퇴적층이 발달하여 토사층의 분포 심도가 최대 22m 이상에 달하였다. 지반조사 결과, 퇴적층 내 점토 및 실트의 비중이 높아 상대적으로 토사층의 전단강도가 약해질 것으로 판단되었으며 이는 시공 중 터널 안정성 저하 및 지표침하 등의 문제를 야기할 수 있다. 특히, 본 구간은 램프구간 터널 상부에 도시고속화도로인 ㄴ대로가 위치하여 상부 지반의 안정성을 충분히 고려할 것이 요구되었다. 본 현장뿐만 아니라 한강 및 인근 지류 하천 지반은 대부분 충적층이 발달하였으나, 해당 지층에 대한 국내 터널 시공사례는 그리 많지 않은 실정이다.
	인근 도로와 연결되는 램프가 하천 직하부를 통과하는 것이 불가피했던 이유는?	본 현장의 종점부에는 한강으로 유입되는 지류인 하천이 존재하며 노선 계획상 인근 도로와 연결되는 램프가 하천 직하부를 통과하는 것은 불가피하였다. 램프구간이 하천의 직하부를 통과하며 지상으로 연결됨에 따라 해당 구간에서는 상대적으로 얕은 심도에 위치한 토사층을 통과하게 되므로, 설계 초기에는 저토피고를 고려한 대형 개착 분기부를 시공하는 안이 고려되었으나, 해당 구간의 환경훼손을 최소화하기 위하여 하천의 직하부를 통과하는 터널로 최종 설계되었다(그림 3).

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