[논문]대심도 복층터널에 대한 굴착 안정성 평가 비교 연구

장남주; 강한길; 김기환; 최창림

doi:10.9711/ktaj.2019.21.1.155

[국내논문] 대심도 복층터널에 대한 굴착 안정성 평가 비교 연구
A comparative study on the stability evaluation of double deck tunnel in terms of excavation 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.21 no.1, 2019년, pp.155 - 166

장남주 (삼보기술단 지반사업부) , 강한길 (삼보기술단 지반사업부) , 김기환 (삼보기술단 지반사업부) , 최창림 (삼보기술단 지반사업부)

초록
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주요 도심지 도로건설은 포화상태로 지하공간의 개발이 필요하며 이를 위해 지하철도와 지하 도로 터널의 건설은 활발히 진행되어 왔다. 국외의 경우 지하 도로터널을 2층구조로 활용하는 복층터널 시공이 이루어 졌으며 이에 따른 지하공간 개발 기술이 높은 수준에 이르고 있다. 2차로 병설터널을 2차로 복층터널로 계획하는 경우 굴착 면적은 크게 차이가 나지 않으며, 터널 통과구간이 차지하는 폭을 대폭 줄일 수 있다. 이를 통해 터널 통과구간이 차지하는 폭을 대폭 감소시킬 수 있으므로 지반조건이 불량한 경우 필요한 상부 보강 비용을 절감할 수 있다. 본 연구에서는 복층터널 굴착에 따른 영향에 대해 알아봄으로써 지하공간 활용 기술을 높이고 단층터널 굴착영향과 비교를 통해 향후 복층터널 설계 및 안정성 평가에 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is necessary to construct underground in the metropolis. Road traffic has reached saturation point. The city has several underground road construction projects. In abroad, double deck tunnels are planned and constructed. It is attained a high level of underground development technology. In case the double deck tunnel (2 lane) is planed instead of the bidirectional tunnel (2 lane), excavation area is similar. But tunnel width is decreased. The reduced width can cut cost for the tunnel reinforcement. This study evaluates the stability of excavation on double deck tunnel. By the assessment of the strength-stress ratio and strength reduction method, quantitative analysis is conducted between double deck tunnel and the bidirectional tunnel.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Calculation of local factor of safety (You et al., 2000)
그림 Fig. 2. Shear strength and trial shear strength (Park and You, 1998)
그림 Fig. 3. Road alignment plan in branch section (Seoul ○○○ tunnel)
표 Table 1. Tunnel in branch section (Seoul ○○○ tunnel)
그림 Fig. 4. Road alignment plan in branch section– reduced speed section (up), raised speed section (down)
표 Table 2. Double deck tunnel in branch section
표 Table 3. Analysis condition
표 Table 4. Properties of rock mass
표 Table 5. Load relaxation factors
표 Table 6. Rock support pattern
표 Table 7. Plastic failure zone in single tunnel
표 Table 8. Plastic failure zone in double deck tunnel
표 Table 9. Local factor of safety in single tunnel and double deck tunnel
표 Table 10. Global factor of safety in single tunnel and double deck tunnel

AI 본문요약
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가설 설정

단층터널과 복층터널의 형상은 마제형으로 동일하게 적용한다. 또한 교통 과밀지역인 도심지 터널에서 기존 지하구조물(지하철)의 영향을 피하기 위해 대심도 터널로 가정하여 토피고를 50 m로 고려한다. 측압계수는 0.
25 m로 한다. 소형차 고속도로로 가정하여 좌측 길어깨는 0.75 m, 우측 길어깨는 2.0 m로 적용한다. 시설한계와 라이닝 여유폭은 50 mm로 적용하고, 검사원 통로는 폭750 mm를 확보하는 것으로 한다.
시험안전율에 의해 감소된 지반의 물성을 가진 암반에 터널을 굴착하였더니 파괴가 발생하였다면 터널의 안전율은 방금 적용되었던 시험안전율보다는 작을 것이며, 파괴가 발생하지 않았다면 시험안전율보다는 클 것이다. 따라서 터널의 파괴가 발생되기 시작하는 시점의 시험안전율을 구하면, 이것이 곧 터널의 안전율이 된다고 할 수 있다(Fig.

제안 방법

본 논문에서는 복층터널과 단층터널에 대해 지보재 설치전 강도응력비(strength stress ratio)를 이용한 국부 안 전율(local factor of safety)과 지보재 설치후 전단강도 감소법(strength reduction method)을 이용한 포괄적인 안 전율(global factor of safety)을 구함으로써 터널의 안전율을 정량적으로 파악하고 터널의 굴착 단면적, 편평률, 측압계수에 따른 터널 굴착 및 지보재 설치 영향을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 대심도 양호한 암반지반의 단층터널과 복층터널 굴착시 안전율(강도응력비)과 지보재 설치후의 안전율(강도감소법)을 정량적으로 파악함으로써 단면의 굴착면적, 편평율, 측압계수의 영향을 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
3)을 계획하였으며, 분기구간에 해당하는 터널 단면(Table 1)을 계획하였다. 본선터널에서 램 프터널이 분기하는 구간에 대단면 터널을 계획하였으며, 본선터널과 램프터널의 설계속도가 다르기 때문에 가감 속 구간에 대한 터널 단면을 계획하였다. 분기구간의 가감속터널과 대단면 터널은 본선터널보다 단면적은 증가하고, 편평률은 더 작은 값을 가지게 된다.
지반등급에 따른 지보재 및 하중분담율은 동일하게 적용하여 암반등급별 지보재 영향을 비교 검토할 수 있도록 한다(Table 3, 4). 암반 등급별 물성치와 지보패턴, 하중분담율은 서울 ○○○터널의 화강암 물성치와 지보패턴 설계를 적용하였다 (Table 4, 5, 6). 지보재인 숏크리트와 록볼트는 암반등급별로 Table 6과 같이 보강하였으며 단층터널과 복층터널의 비교검토를 위해 지보재를 동일하게 적용하였다.
환기를 위해 공기정화시설 + 수직구 2개소를 계획하였으며, 환기방식은 종류식 + 집중배연방식을 적용하였다. 종점부 여의대로 및 올림픽대로 연결을 위해 분기구간 도로 선형(Fig. 3)을 계획하였으며, 분기구간에 해당하는 터널 단면(Table 1)을 계획하였다. 본선터널에서 램 프터널이 분기하는 구간에 대단면 터널을 계획하였으며, 본선터널과 램프터널의 설계속도가 다르기 때문에 가감 속 구간에 대한 터널 단면을 계획하였다.
8 km의 도심지 터널이며 서울시 교통혼잡 해소를 위해 소형차 전용 도로로 계획되었다. 환기를 위해 공기정화시설 + 수직구 2개소를 계획하였으며, 환기방식은 종류식 + 집중배연방식을 적용하였다. 종점부 여의대로 및 올림픽대로 연결을 위해 분기구간 도로 선형(Fig.

대상 데이터

단층 터널을 복층터널로 계획하는 경우, 단면 구성요소들에 대하여 결정하여야 한다. 단층터널 단면과 동일한 조건으로 검토하기 위해 소형차에 대한 터널을 계획하고, 이에 따라 차로폭은 3.25 m로 한다. 소형차 고속도로로 가정하여 좌측 길어깨는 0.
암반 등급별 물성치와 지보패턴, 하중분담율은 서울 ○○○터널의 화강암 물성치와 지보패턴 설계를 적용하였다 (Table 4, 5, 6). 지보재인 숏크리트와 록볼트는 암반등급별로 Table 6과 같이 보강하였으며 단층터널과 복층터널의 비교검토를 위해 지보재를 동일하게 적용하였다.

성능/효과

1. 터널의 단면적은 증가하고 편평율은 감소함에 따라 소성영역은 증가하는 것으로 나타났다. K₀ = 0.
2. 복층터널의 단면적은 단층터널의 2배정도 크기 때문에 안전율은 더 작은 값을 가져야 한다고 생각될 수 있으나 K₀ = 0.5, 1.0에서 복층터널의 국부안전율(강도-응력비)이 단층터널보다 더 양호한 결과를 보여주었으며, K₀ = 2.0일 때 안전율(강도-응력비)은 불리한 결과를 보여주지만 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 이는 복층터널의 편평율이 단층터널에 비해 1.
3. 지보패턴 P-3을 적용한 암반등급 Ⅲ에서 국부안전율은 1.00에 근사한 값을 보여주었다. 이는 터널 주변의 암 반중 일부분이 소성영역을 넘어 파괴에 이르렀다는 점과 그 주변 지반은 소성영역에 도달하였다는 것을 알 수 있다.
4. 지보재 안전율은 국부안전율에서와 같이 K₀ = 0.5, 1.0에서 복층터널의 안전율이 단층터널보다 더 양호한 결과를 보여주었으며, 2.0일 때 안전율은 불리한 결과를 보여주지만 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.
50의 범위를 보여주었으며 단면의 크기가 클수록 안전율은 감소하였다. K₀ = 1.0, 0.5일 때 안전율의 차이는 크지 않으며, K₀ = 2.0에서 안전율은 가장 작은 값을 보여주었다. 암반등급 Ⅲ등급에서 안전율은 1.
04의 범위를 보여주었으며 단면의 크기가 클수록 안전율은 감소하였다. K₀ = 1.0일 때 안전율이 가장 큰 값을 보여주어 가장 안전한 것으로 나타났으며, K₀ = 0.5일 때 안전율이 감소하였으나 무시할 정도로 작은 수준이고, K₀ = 2.0에서는 안전율은 0.5일 때 감소한 양보다 더 크게 감소하였다. 이는 소성영역이 K₀ = 2.
0일 때 소성영역의 발생 면적이나 분포형태는 크게 다르지 않은 것으로 나타났으며, 주로 터널 측벽부에 소성영역이 발생하였다. K₀ = 2.0일 때는 소성영역의 발생면적이 크게 증가하며 터널 굴착면에서만 발생하는 것이 아니라 지반 내부에까지 소성역역이 확대 발생하였으며, 터널 천단부와 측벽부에 소성역역이 집중적으로 발달되었다. 이는 단층터널과 복층터널 모두에서 동일한 결과를 보여주었다.
복층터널의 단면적은 단층터널의 2배정도 크기 때문에 안전율은 더 작은 값을 가져야 한다고 생각될 수 있다. 그러나 K₀ = 0.5, 1.0에서 복층터널의 안전율 이 단층터널보다 더 양호한 결과를 보여주었으며, 2.0일 때 안전율은 불리한 결과를 보여주지만 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 복층터널은 단층터널에 비해 단면적이 2배정도 크지만 편평율은 1.
복층터널의 단면적은 단층터널의 2배정도 크기 때문에 안전율을 더 작은 값을 가져야 한다고 생각될 수 있다. 그러나 K₀ = 0.5, 1.0에서 복층터널의 안전율이 단층터널보다 더 양호한 결과를 보여주었으며, K₀ = 2.0일 때 안전율은 불리한 결과를 보여주지만 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 복층터널은 단층터널에 비해 단면적이 2배정도 크지만 편평율은 1.
터널별 무지보 상태에서 국부안전율을 Table 9에 나타내었다. 단층터널의 국부 안전율은 암반등급 Ⅰ등급에 서 1.50~2.04의 범위를 보여주었으며 단면의 크기가 클수록 안전율은 감소하였다. K₀ = 1.
단층터널의 지보재 안전율은 암반등급 Ⅰ등급에서 5.80~8.50의 범위를 보여주었으며 단면의 크기가 클수록 안전율은 감소하였다. K₀ = 1.
복층터널의 국부 안전율은 암반등급Ⅰ등급에서 1.43~2.39, 암반등급Ⅲ등급에서 1.00~1.24의 범위를 보여주었으며 K₀에 따른 안전율은 단층터널과 동일한 경향을 보여주었다. 복층터널의 단면적은 단층터널의 2배정도 크기 때문에 안전율을 더 작은 값을 가져야 한다고 생각될 수 있다.
복층터널의 지보재 안전율은 암반등급 Ⅰ등급에서 6.3~10.0, 암반등급 Ⅲ등급에서 1.10~3.10의 범위를 보여 주었으며 K₀에 따른 안전율은 단층터널과 동일한 경향을 보여주었다. 복층터널의 단면적은 단층터널의 2배정도 크기 때문에 안전율은 더 작은 값을 가져야 한다고 생각될 수 있다.
단층 터널과 복층터널에서 대단면 터널을 계획하는 경우, 터널의 단면적은 증가하고 편평율은 감소한다. 터널의 단면 적은 증가하고 편평율은 감소함에 따라 소성영역은 증가하는 것으로 나타났다. K₀ = 0.

후속연구

만약 굴착후 지보재를 설치하지 않는다면 터널은 굴착 안전성을 확보하지 못할 수도 있다. 그러나 실제 현장의 암반은 무수한 절리를 가지고 있는 불연속체로서 본 논문에서 구한 국부안전율은 연속체역학으로 구한 결과라는 한계를 가지고 있으며, 현장 시공에서는 굴착후 지보재를 바로 설치함으로써 굴착 안전을 확보할 수 있다. 다만 국부안전율이 1.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	포괄적인 안전율은 무엇인가?	포괄적인 안전율은 강도감소법을 이용하여 터널 주변지반을 지지해 주는 지보재의 파괴를 고려하는 정량적인 방법이다. 무지보시 지반의 국부안전율은 지보재를 설치하지 않기 때문에 안전율이 작은 경우, 대처가 불가능 하지만 지보재 설치를 통한 지보 안전율은 안전율이 작은 경우, 지보재를 증가시켜서 목표 안전율을 충족할 수 있으며, 안전율이 예상보다 큰 경우 지보재 조정을 통해 경제적인 터널을 계획할 수 있다.
	터널의 국부 안전율을 알 수 있는 방법은 무엇인가?	터널의 국부 안전율은 터널 굴착시 주변 지반에 발생하는 응력 변화에 의한 강도응력비 검토를 통해 파악할 수 있다. 터널 굴착 및 지보재 설치과정에서 터널 주변지반을 지보재가 지지해 주므로 터널 전체의 안정성에는 문제가 없지만 지보재를 설치하기 전에 해당하는 무지보 상태에서는 굴착과정에서 발생할 수 있는 지반의 취약지점, 국부적 파괴 발생 가능성을 예측할 수 있다.
	터널의 국부 안전율을 통해 예측 가능한 것은 무엇인가?	터널의 국부 안전율은 터널 굴착시 주변 지반에 발생하는 응력 변화에 의한 강도응력비 검토를 통해 파악할 수 있다. 터널 굴착 및 지보재 설치과정에서 터널 주변지반을 지보재가 지지해 주므로 터널 전체의 안정성에는 문제가 없지만 지보재를 설치하기 전에 해당하는 무지보 상태에서는 굴착과정에서 발생할 수 있는 지반의 취약지점, 국부적 파괴 발생 가능성을 예측할 수 있다.

참고문헌 (6)

Duncan, J.M. (1996), "State of the art: limit equilibrium and finite-element analysis of slopes", Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 122, No. 7, pp. 577-596.

상세보기
Nam, K.M., Choi, M.K., Kim, J.J., Yoo, H.K. (2017), "Stability analysis of an existing utility tunnel due to the excavation of a divergence tunnel emerging from double-deck tunnel", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 19, No. 2, pp. 231-248.

원문보기 상세보기
Park, J.W., Park, Y.J., You, K.H., Lee, S.D. (2004), "A study on the assessment of safety factor tunnels", Journal of Korea Society for Rock Mechanics, Vol. 14, No. 5, pp. 327-338.
Park, Y.J., Chae, Y.S., You, K.H., Paik, Y.S. (1999), "Slope stability analysis by slice method and finite difference method -A comparative study-", Journal of Korean Geotechnical Society, Vol. 15, No. 6, pp. 263-272.
Park, Y.J., You, K.H. (1998), "Stability analysis for jointed rock slope using ubiquitous joint model", Journal of the Korean Society for Rock Mechanics, Vol. 8, No. 4, pp. 287-295.
You, K.H., Park, Y.J., Bae, G.J. (2000), "An assessment of safety factor for tunnels excavated in a weak rock layer", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 2, No. 3, pp. 47-57.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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