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문제 정의
- 무안1터널 함양방향 갱구부 배면은 무한비탈면으로 갱구조성을 위한 깎기 시행시 과다한 절취물량이 발생하므로 환경보전 취지에 위배되어 원지반 상태에서 벌개제근 후 수평천공이 가능한 초대구경 강관보강그 라우팅 공법을 적용하였다. 본 고에서는 현장조건을 고려하여 갱구 안정성을 확보하고 터널 배면 깎기공종이 제외되어 비탈면 보강이 불필요한 환경보존형 터널 갱구부 조성방안을 소개하고자 한다.
제안 방법
- 2) 무안1터널 함양 갱구부 좌측, 배면은 무한사면으로서 깎기시 과다 절취물량이 발생되므로 실시설계에 서는 절토부 옹벽과 영구앵커로 갱구비탈면 보강이 계획되었으나 해당 구간의 기반암이 조기에 노출 되므로 원지반조건에서 갱구조성을 위한 초대구경 강관보강이 적합한 조건이라 판단되어 깎기공종을 제외하는 환경보존형 터널공법을 도입하였다.
- 갱구부 조성시 배면절취를 지양하고 원지반 형태를 보존하기 위해 초대구경 강관 보강시 이에 따른 2D 터널 안정성해석을 통해 최적의 보강구간을 결정하였다. 본 해석단면은 STA.
- 따라서 갱구부 보강을 위한 보조공법으로서 지반 조건에 따라 소구경(φ60.5mm, t=4mm, L=6∼12m) 또는 대구경(φ114.3mm, t=6mm, L=6∼12m) 강관다단 그라우팅을 시행하는 것이 일반적이나 원지반 절취없이 환경보존형 갱구조성을 위해서 무안1터널 함양방향 갱구부에는 초대구경 강관(φ165.2mm, t=7mm, L=8m)을 적용하였다.
- 무안1터널 함양 갱구부 조성시 원지반에서 1:1∼ 1:1.2 경사로 깎기 완료후 갱구부 연장 16m에 대해 P-6-3 Type에 해당되는 지보패턴을 적용하여 소구경 강관다단 그라우팅 1단 보강하며, 갱구 좌측 우각부 비탈면은 무한사면으로 깎기량 최소화 및 비탈면 보강을 위해 영구앵커와 패널식옹벽으로 계획하였다.
- 원설계에서 함양방향 좌측 깎기비탈면은 환경피해 영향을 최소화 하고자 패널식옹벽(4∼8단)과 영구앵커로 계획되어 있으며, 갱구부는 L=16m구간에 소구경 강관다단 그라우팅 1열로 설계하였다.
- 초대구경 강관보강시 직진성 확보를 위한 천공시스템을 가동하면서 변형율이 2% 오차범위 내에 관리되고 있는지 확인해야 한다. 이를 위해 천공장비에 부착된 타겟과 광파기를 이용하여 천공중 직진성이 유지되고 있는지 관리하며, 천공 완료후에도 초대구경 강관내에 설치되어 있는 타겟을 이용하여 일정 간격마다 광파기를 이용하여 강관 삽입시 변형률을 확인한다.
- 터널 NATM 시점부를 당초 STA.0+805에서 STA.0+800으로 조정하고 지층조건을 고려하여 초대구경 강관의 직경과 보강길이를 결정하였다. 이때 강관에 작용하는 상재하중을 고려하여 단면 안정성을 확인하였으며, 강관의 휨응력, 전단응력은 허용기준 이하로 적정한 것으로 확인되었다.
- 터널 단면에서 강관을 150°범위로 보강(35공, L=8m, C.T.C 0.5m)할 경우 굴착시 시공단계별 해석을 수행하였다.
- 9m 정도이다. 해석단면내 함양방향은 굴진장 1.0m, 숏크리트 두께 160mm, 록볼트(길이 4m, 횡방향 간격 1.5m, 종방향 간격 1.0m) 및 초대구경 강관이 보강되는 것으로 모델링을 수행하였다.
대상 데이터
- 과업노선에서 3공구에 있는 무안1터널은 함양방향 1,905m, 울산방향 1,940m의 중심간 거리가 34m인 병렬터널로서 터널 시공은 NATM공법으로 설계되었다. 무안1터널 시점 갱구부와 인근 비탈면의 구성암반은 셰일이며, 탄성파 탐사 및 시추조사 결과 토사 및 리핑암의 두께가 비교적 얇게 분포하고 있다.
- 본 고속도로의 공사기간은 2016.12∼2023.12(총 78개월)이며, 과업규모로는 설계 속도 100km/hr의 4차선으로 총 연장은 28.54km(설계 6개 공구, 시공 6개 공구), 교량 32개소, 터널 6개소, 분기점 1개소, 나들목 2개소, 휴게소 1개소로 구성되어 있다.
- 본 해석단면은 STA.0+800(함양방향)으로서 지보형식은 P-3로 계획되어 있으며, 대상 구간의 암반은 4∼5등급에 해당되고 터널 최대 토피고는 2.9m 정도이다.
이론/모형
- 무안1터널 함양방향 갱구부 배면은 무한비탈면으로 갱구조성을 위한 깎기 시행시 과다한 절취물량이 발생하므로 환경보전 취지에 위배되어 원지반 상태에서 벌개제근 후 수평천공이 가능한 초대구경 강관보강그 라우팅 공법을 적용하였다. 본 고에서는 현장조건을 고려하여 갱구 안정성을 확보하고 터널 배면 깎기공종이 제외되어 비탈면 보강이 불필요한 환경보존형 터널 갱구부 조성방안을 소개하고자 한다.
성능/효과
- 1) 창녕-밀양 고속도로 건설사업 구간내 무안1터널은 함양방향 1,905m, 울산방향 1,940m의 중심간 거리가 34m인 병렬터널로서 시점 갱구부 인근 암종은 주로 셰일이며, 수직, 수평 및 사절리가 발달되어 있고 토사, 풍화암 두께가 얕게 분포하고 있다.
- 3) 환경보존형 갱구보강공법에 적용되는 초대구경 강관 직경은 φ165.2mm로서 휨강성은 대구경 강관 다단그라우팅(φ114.3mm)의 2열 보강시 휨강성에 비해 1.8배 효과를 보이며, 강관 자체의 단면 적정성에서 휨응력(작용력 207,854kPa<허용응력 210,000kPa), 전단응력(작용력 4,995kPa<허용응력 120,000kPa)에 대해 안정한 것으로 계산되었다.
- 4) 또한 초대구경 강관보강이 된 터널 갱구 안정성 해석결과, 강관 보강범위 150° (보강공수 35개소), 보강 길이 8m, C.T.C 0.5m 조건에서 시공단계별 해석시 변위, 록볼트 축력, 숏크리트응력이 허용치 이내로 만족한 것으로 나타났다.
- 5) 환경보존형 갱구보강공법 도입으로 NATM 갱구부 시점이 STA.0+805에서 5m 증가된 STA.0+800으로 조정되었으며, 보강후 굴진이 2019년 7월 현재 400m가량 진행되어 갱구부를 통과후 수렴되는 지점 까지 일상계측(내공, 천단변위), 정밀계측(록볼트 축력, 숏크리트 응력, 지중변위, 지표침하)을 수행한 결과 관리기준치 이내로 유지됨을 확인하였다.
- 갱구부는 초대구경 강관보강 시행구간에 대해 일상계측(천단침하, 내공변위), 정밀계측(록볼트축력, 숏크 리트응력, 지중변위, 지표침하)을 수행한 결과 안정한 것으로 확인되었다.
- 0+800으로 조정하고 지층조건을 고려하여 초대구경 강관의 직경과 보강길이를 결정하였다. 이때 강관에 작용하는 상재하중을 고려하여 단면 안정성을 확인하였으며, 강관의 휨응력, 전단응력은 허용기준 이하로 적정한 것으로 확인되었다.
- 터널 유한요소 해석프로그램 MIDAS GTS로 안정성 해석결과 시공단계별로 숏크리트응력, 록볼트에 대해 허용치를 만족하는 것으로 확인되었다.
후속연구
- 6) 원지반 절취없이 초대구경 강관을 수평·직천공하는 방법은 기존 시설을 통과하기 위해 대구경 강관을 활용하는 파이프루프 방식을 벤치마킹한 공법으로서 그동안 철도터널 및 국도에 일부 적용된 사례가 있으나 본 고속도로 터널에서는 최초로 적용되는 사례로 기록될 것이며, 지형, 지반조건 및 현장여건을 고려하여 친환경적 시공을 위한 적용을 확대할 필요성이 있을 것이다.
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