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문제 정의
- 본 논문에서는 먼저, 지하 연속 벽을 관통하는 쉴드기 발진시, 높은 토압에 대한 안전을 고려한 보조 공법을 검토하여 경제적이고 안전한 시공성 확보를 위한 신공법을 개발. 적용하고, 또한 쉴드기가 복합 지반에서 진행할 때 지반 거동에 대한 터널의 안전성을 확보하기 위해 계측토압을 이용하여 막장압 관리를 수행한 내용을 분석 정리하였다.
- 터널 공사에서 가장 중요한 시공관리는 막장압관리를 들 수 있고, 당 현장과 같은 대심도에서 높은 토압이 작용할 경우 적절한 세그먼트 강도가 유지되어야 한다. 심도에 따른 세그먼트 구조적 안정 검토는 쉴드터널 설계 시공지침 (1983)을 참조하길 바라며 본 논문에서는 안전 시공을 위한 계측 관리에 대하여 언급하기로 한다.
제안 방법
- 보조공법으로서 연 직구의 시 공시 기반암과 만나는 지역의 차 수성을 증대시키기 위하여 연 직구 벽체 바닥과 기반암 사이에 Toe-grouting을 실시하였으며 또한 쉴드기 초기 발진시 갱구에 작용하는 토압과 수압을 경감시키기 위하여 Deep Well 6개소를 설치하였다. 그리고 쉴드기 초기 굴진 시 지하 연속 벽체 내부로 토사가 유입되는 것을 방지하기 위하여 R.J.P 40공을 실시하고 쉴드기 굴진 시 추가 반력에 대응하기 위하여 후면부 R.J.P 10공을 실시하였다. 연약지반 대심도 발진 연 직구 시공 시 수압과 지반 거동에 따른 발진수직구 구조물의 floating 및 moving 등 변화를 방지하고자 cap beam concrete를 타설하여 발진 연 직구 자중으로 인한 구조물의 부상을 방지하였고, 발진 연 직구를 기반암에 lm 관입 시켜 수평력에 대한 저항력을 증가 시켰다.
- 5kg/cn/까지 견딜 수 있는 내구성을 가지고 있다. 그리고 지하 연속 벽 관통 직후 신속한 이토 배출을 통해 수압을 경감시켰다. F.
- 적용하고, 또한 쉴드기가 복합 지반에서 진행할 때 지반 거동에 대한 터널의 안전성을 확보하기 위해 계측토압을 이용하여 막장압 관리를 수행한 내용을 분석 정리하였다. 대심도 연약지반에서의 쉴드터널 시공 중 안전시공을 위한 현장 계측 및 분석을 실시하였던 사례를 체계적으로 분석하였다.
- 따라서, 발진 부 터널의 위치를 매립에 의한 침하의 영향 범위 밖에 설치하여야 하는 관계로 발진 구의 심도가 지표면에서 47m 깊이로 설계되어 깊은 굴착과 대심도의 흙막이 벽 공사를 필요로 하였고, 초기 굴진 시 높은 토 압으로 인한 붕괴 위험성이 대두되었다. 또한 본 쉴드터널은 사질토 지반에서 연약 점성토 지반 및 암반 구간으로 진행되는 복합지반을 관통하는 공사로서 쉴드기 선정, 침하대책 및 이 수압관리 등으로 많은 문제점이 발생하였지만 국내에 축적된 기술이 부족하여 외국 시공사례로부터 해결방법을 검토하였다.
- 2m의 연속벽체를 형성하였다. 또한 쉴 드기 거치 및 entrance packing 설치를 고려하여 내공 단면 15m를 결정하였다. 연속벽체의 두께 1.
- P 부재를 지하 연속 벽 철근망에 결속 시켜 현장 타설 모르타르와 합체시킨 것으로서, 쉴드기가 직접 굴진 가능토록 하였다. 또한 종래의 고무 패 킹식에 비하여 우수한 차 수성을 실현시킬 수 있는 Flap 식 및 특수 Tube를 적용하여 유압을 조정함으로서 쉴드기 자체 센서 부에서 측정된 수압 및 토압을 분석하여 추가적인 수압의 변화에 따른 자체 유압을 증가 시켜 차 수성 확보를 가능하게 한 2중 유압 튜 브식의 특수 entrance packing을 개발하였다. 쉴드기 선정 시 쉴드기 내부의 센서에 의한 토압을 측정할 수 있는 시스템이 구축되어 측정된 토압에 따른 entrance packing에 오일을 주입하여 대응압을 조정 관리하였으며, 지하 연속 벽 관통 시 수압은 6.
- 발진 부의 토압이 5.73kg/arf정도에 해당되며 이는 매우 큰 압력이므로 쉴드터널 발진 시 발진 부의 붕괴 위험을 초래할 수 있기 때문에, R.J.P지반개 량과 Deep Well 배수 공법을 병행하였다. 이러한 시공단계에 따른 토압 경감 효과를 깊이 -11.
- 발진 연 직구에서의 설계 시 심도별 토압은 SAP2000 프로그램으로 예측하였다. 그림 4는 설계 토압과 연 직구 외면에 설치한 토압 계에서 측정된 심도에 따른 실측 토압을 비교한 그래프이다.
- 2m 지점에 Ring Beam 1개소를 설치하였다. 보조공법으로서 연 직구의 시 공시 기반암과 만나는 지역의 차 수성을 증대시키기 위하여 연 직구 벽체 바닥과 기반암 사이에 Toe-grouting을 실시하였으며 또한 쉴드기 초기 발진시 갱구에 작용하는 토압과 수압을 경감시키기 위하여 Deep Well 6개소를 설치하였다. 그리고 쉴드기 초기 굴진 시 지하 연속 벽체 내부로 토사가 유입되는 것을 방지하기 위하여 R.
- 그림 4는 설계 토압과 연 직구 외면에 설치한 토압 계에서 측정된 심도에 따른 실측 토압을 비교한 그래프이다. 설계 시 토압은 수압과 편 토압을 고려하여 깊이별로 산정하였으며 대상 현장의 토압 계는 깊이별로 5단계로 설치하여 굴착 완료 후 약 1개월에 걸쳐 계측하였다. 그림에서 Ko는 정지토압, Ka는 주동토압계수를 나타낸다.
- air lock은 발진 수직 구의 터널 입구에 설치하여 터널 내부 및 막장에 압력을 가압하여 외부 수압에 저항하고 막장을 자립 시켜, 토사의 챔버내 유입을 방지함으로써 쉴드기 cutter 점검 및 교체작업을 안전하게 수행하기 위한 보조 system이다. 쉴드기 cutter 점검 및 교체작업 완료 후 지층 경계부를 굴진하였다. 쉴드기가 암반부 진입 직전 갑작스런 수압의 증가와 다량의 모래가 막장 내로 유입되었으나 굴진을 일시 중지하여 막장압을 관리하고 안정액을 투입하여 지반을 안정시킨 후 추진하였다.
- 쉴드기 cutter 점검 및 교체작업 완료 후 지층 경계부를 굴진하였다. 쉴드기가 암반부 진입 직전 갑작스런 수압의 증가와 다량의 모래가 막장 내로 유입되었으나 굴진을 일시 중지하여 막장압을 관리하고 안정액을 투입하여 지반을 안정시킨 후 추진하였다. 지층 경계부 통과 후 암반에 도달할 때 다소의 소음과 진동 발생이 있었으나 굴진 선형에 거의 영향을 미치지 않고 암반까지 진입 할 수 있었다.
- 연약지반 터널 공사가 많은 일본에서는 주로 대심도에 동결공법을 적용하고 있으며, 최근에는 특수벽체를 적용하기도 하는데 대상 현장에서는 경제성. 시공성 등을 검토하여 지하 연속벽체를 쉴드기로 직접 굴진 할 수 있는 일본의 NOMST공법과 유사한 신소재 벽체를 계획 시공하게 되었다. 신소재 벽체는 국내 생 산되는 F.
- 시공성 등을 검토하여 지하 연속벽체를 쉴드기로 직접 굴진 할 수 있는 일본의 NOMST공법과 유사한 신소재 벽체를 계획 시공하게 되었다. 신소재 벽체는 국내 생 산되는 F.R.P 부재를 지하 연속 벽 철근망에 결속 시켜 현장 타설 모르타르와 합체시킨 것으로서, 쉴드기가 직접 굴진 가능토록 하였다. 또한 종래의 고무 패 킹식에 비하여 우수한 차 수성을 실현시킬 수 있는 Flap 식 및 특수 Tube를 적용하여 유압을 조정함으로서 쉴드기 자체 센서 부에서 측정된 수압 및 토압을 분석하여 추가적인 수압의 변화에 따른 자체 유압을 증가 시켜 차 수성 확보를 가능하게 한 2중 유압 튜 브식의 특수 entrance packing을 개발하였다.
- P 10공을 실시하였다. 연약지반 대심도 발진 연 직구 시공 시 수압과 지반 거동에 따른 발진수직구 구조물의 floating 및 moving 등 변화를 방지하고자 cap beam concrete를 타설하여 발진 연 직구 자중으로 인한 구조물의 부상을 방지하였고, 발진 연 직구를 기반암에 lm 관입 시켜 수평력에 대한 저항력을 증가 시켰다.
- 또한 본 쉴드터널은 발진 부로부터 쉴드터 널 진행 방향으로 약 50m 지점은 사질토층에서 연약 점토층으로 통과하고 1500m 지점에서는 다시 암반층으로 진입하게 되 어있어 다양한 지층에 대응해야 하는 공사이다. 이러한 복합지 층의 굴착에 적용할 수 있고 대심도에서 5kg/orf 이상의 토압이 작용할 때 막장의 안정을 위하여 이수 가압식 복합지질형 쉴드 기를 주문 제작 하였다.
- 본 논문에서는 먼저, 지하 연속 벽을 관통하는 쉴드기 발진시, 높은 토압에 대한 안전을 고려한 보조 공법을 검토하여 경제적이고 안전한 시공성 확보를 위한 신공법을 개발. 적용하고, 또한 쉴드기가 복합 지반에서 진행할 때 지반 거동에 대한 터널의 안전성을 확보하기 위해 계측토압을 이용하여 막장압 관리를 수행한 내용을 분석 정리하였다. 대심도 연약지반에서의 쉴드터널 시공 중 안전시공을 위한 현장 계측 및 분석을 실시하였던 사례를 체계적으로 분석하였다.
- 쉴드터널은 쉴드기 추진 후 세그먼트와 굴착된 지반 사이에 공극이 생기며, 이 공극에서 발생된 변형은 지반 거동 및 지반침하를 발생시킬 수 있다. 지반 거동으로 인한 세그먼트에 미치는 영향을 알아보기 위하여 세그먼트 제작 시 외부에 토압 계를 매설하여 쉴드기 굴진 후 세그먼트에 미치는 토압분포를 확인하는 방법이 효과적이지만, 쉴드기 내부 원통과 세그먼트 사이의 공극이 협소하여 설치가 불가능하였기 때문에 그림 6에 나타낸 것과 같이 일반 터널 계측에 사용되는 내공 변위와 첨단침하 계측을 통하여 세그먼트 변위 발생 영향을 분석하였다.
- 지층 경계부 굴착 시 쉴드기의 부상(浮上)에 의한 선형이탈이 우려되므로 지반보강을 실시하여야하 며 본 공사에서는 해상오염과 민원 보상 및 공사 지연을 방지하기 위하여 쉴드기 내에서 직접 수평 그 라우팅 보강(S.G.R)을 실시하였다. 지층 경계부 지반 보강이 완료된 후 쉴드기를 지반개량구간에 진입 시 키고, 암반 구간 굴착 전 air lock을 설치 가동하였다.
- R)을 실시하였다. 지층 경계부 지반 보강이 완료된 후 쉴드기를 지반개량구간에 진입 시 키고, 암반 구간 굴착 전 air lock을 설치 가동하였다. air lock은 발진 수직 구의 터널 입구에 설치하여 터널 내부 및 막장에 압력을 가압하여 외부 수압에 저항하고 막장을 자립 시켜, 토사의 챔버내 유입을 방지함으로써 쉴드기 cutter 점검 및 교체작업을 안전하게 수행하기 위한 보조 system이다.
- 크 랙 발생의 가장 큰 원인은 쉴드기의 클리어런스가 협소하고, 쉴드기 와 조립되는 세그먼트와의 방향 불일치 등이다. 크랙발생을 방지하 기 위하여 쉴드기 추진관리 측량을 1일 2회 이상 실시하여 쉴드기 의 예상 진로를 미리 예측하여 굴진 사행이 발생되지 않도록 관리하였다.
- 그림 3은 발진 연 직구의 개략적인 평면도와 단면도이다. 토질조사 결과를 이용하여 대상 현장의 공학적 특성에 적합한 지하 연속 벽을 설계하였고, 지하 연속 벽은 사질토 지반 융기 또는 보일링에 대한 안전을 고려하여 암반층 Im를 굴삭하여 G.L -70.2m의 연속벽체를 형성하였다. 또한 쉴 드기 거치 및 entrance packing 설치를 고려하여 내공 단면 15m를 결정하였다.
대상 데이터
- 또한 쉴 드기 거치 및 entrance packing 설치를 고려하여 내공 단면 15m를 결정하였다. 연속벽체의 두께 1.2m는 토목구조해석용 SAP90을 사용하였으며 지하 연속 벽 시공이 완료된 후 내부를 굴착하였으며, 굴착 후 벽체 안정을 위해 심도 G.L -41.2m 지점에 Ring Beam 1개소를 설치하였다. 보조공법으로서 연 직구의 시 공시 기반암과 만나는 지역의 차 수성을 증대시키기 위하여 연 직구 벽체 바닥과 기반암 사이에 Toe-grouting을 실시하였으며 또한 쉴드기 초기 발진시 갱구에 작용하는 토압과 수압을 경감시키기 위하여 Deep Well 6개소를 설치하였다.
이론/모형
- 도달 수직 구는 쉴드기가 최종적 도달지점으로 눌 차도 해안에 위치하며 제어발파공법(Smooth Blasting)을 이용하여 암반층에 수직 구를 구축하였다. 도달 수직 구에 쉴드기가 관통되었을 때 설계 선형에서 5cm 이내 편차로 도달되었다.
성능/효과
- 1. 연약지반 대심도 발진 연 직구 시공 시 수압과 지반 거동에 따른 발진 연 직구 구조물의 floating 및 moving 등 변화를 방지하고자 설치하였던 cap beam concrete와 발진수직구 기반암에 Im 관입은 발진 연 직구의 구조적인 안정을 확보 할 수 있었다.
- 2. 토압 경감을 위한 보조공법인 R.J.P 지 반개량이 나 deep well 양수는 실측 토압 계측 결과 당초 예상했던 만큼 지반개량 및 경감 효과를 보이지 않았으며, 대체 공법으로서 신소재 벽체와 특수 entrance packing 개발하여 경제적이며 안전한 초기 굴진이 가능하였다.
- 3. 쉴드터널 시공 중 계측한 세그먼트 내공 변위와 천단침하량은 지층변화 구간에서도 거의 발생하기 않았으며, 막장압 관리를 실측 데이터를 이용하여 02 ~ 0.5kg/cm2의 추가 이 수압으로 실시하였기 때문에 쉴드기 굴진에 의한 급격한 지반 거동을 방지 할 수 있었다.
- 4. 본 공사는 국내에서 최초로 G.L-40m 이상의 복합 지반에 시공한 대심도 쉴드터널로서 설계에서 완공까지 많은 시공상의 문제점이 도출되었으나 이러한 문제점들을 신기술 개발과 정확한 계측관리로서 안전시공을 하였다.
- 5. 쉴드기가 지층 경계부 통과 시 고려되었던 수평 그라우팅 지반보강으로 장비의 부상을 억제하여 안전성을 확보하였으며, 특히 자연환경 보존 측면과 민원 예방 및 보상에 따른 추가 비용 발생을 방지 할 수 있었으며, 이는 쉴드기 제작 시 현장 여건을 고려하였기 때문이다.
- 그리고 지하 연속 벽 관통 직후 신속한 이토 배출을 통해 수압을 경감시켰다. F.R.P 신소 재 벽체 설치와 특수 entrance packing을 거치하여 지하 연속 벽을 굴진한 결과 토압 및 수압에 안전하고 경제적인 시공성과를 이룰 수 있었다.
- 계즉 값은 상부에서 중간 부분까지는 주동토압값과 거의 같게 나타나고 있으며, 최종굴착 부분에서는 더 크게 측정되고 있다. 본 대상 현장에서 수평토압 에 대한 설계값을 산정하기 위하여 편 토압을 고려하였으나, 이는 너무 과대한 안전을 고려한 것으로서 수평토압의 산정에서는 편 토압을 고려하지 않아도 무방할 것으로 판단된다.
- 토압 계에 의하여 측정된 초기 수평토압 은 이론 식으로 구한 기준값과 거의 동일하거나 약간 작게 나타났다. 연 직구 내의 굴착 진행과 양수 작업에 의하여 벽체에 작용하는 수평토압은 급격히 감소하였다가, Shield 발진을 위한 연속벽체의 관통이 이루어진 후 양수 작업의 종료로 인한 지하 수위의 상승으로 다시 수평토압이 초기의 값으로 증가함을 알 수 있다. 이는 시공과정에 따른 간극수압의 변동에 의한 영향에 기인한 것으로 판단된다.
- 쉴드기가 암반부 진입 직전 갑작스런 수압의 증가와 다량의 모래가 막장 내로 유입되었으나 굴진을 일시 중지하여 막장압을 관리하고 안정액을 투입하여 지반을 안정시킨 후 추진하였다. 지층 경계부 통과 후 암반에 도달할 때 다소의 소음과 진동 발생이 있었으나 굴진 선형에 거의 영향을 미치지 않고 암반까지 진입 할 수 있었다.
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