As construction for road tunnel is increasing, various geotechnical conditions can be faced during the construction stage. Especially, if the tunnel is located in limestone area, many kinds of site investigations such as in-situ boring, electrical resistance survey, TSP(Tunnel Seismic Prediction) an...
As construction for road tunnel is increasing, various geotechnical conditions can be faced during the construction stage. Especially, if the tunnel is located in limestone area, many kinds of site investigations such as in-situ boring, electrical resistance survey, TSP(Tunnel Seismic Prediction) and etc., are conducted before and during the construction. By conducting these preliminary tests, location, size, and filling materials in limestone cavities can be approximately estimated. Once some cavities which can be harmful for tunnel safety are predicted, methods for ground reinforcement and tunnel excavation, corresponding those ground conditions, have to be established and verified by measurement data and numerical analysis. If necessary, invert lining should be also considered. In this paper, by studying some cases of tunnels constructed in limestone area, predicted problems during construction and rational countermeasures for those are presented.
As construction for road tunnel is increasing, various geotechnical conditions can be faced during the construction stage. Especially, if the tunnel is located in limestone area, many kinds of site investigations such as in-situ boring, electrical resistance survey, TSP(Tunnel Seismic Prediction) and etc., are conducted before and during the construction. By conducting these preliminary tests, location, size, and filling materials in limestone cavities can be approximately estimated. Once some cavities which can be harmful for tunnel safety are predicted, methods for ground reinforcement and tunnel excavation, corresponding those ground conditions, have to be established and verified by measurement data and numerical analysis. If necessary, invert lining should be also considered. In this paper, by studying some cases of tunnels constructed in limestone area, predicted problems during construction and rational countermeasures for those are presented.
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문제 정의
본 현장은 제 2차 강원도 건설 종합계획에 따라 강릉-동해간의 원활한 교통소통을 도모하기 위해 시공 중인 동해고속도로 4차로 확장공사의 일부 구간으로 터널 시공 중 상부 반단면 굴착공사 진행시 공동으로 인한 붕락발생 구간에 대한 보강대책 및 시공사례에 대하여 고찰하고자 하였다.
제안 방법
4m는 경량기포콘크리트로 보강하였다. B구간은 지표면에서 함몰이 발생된 바 터널 안정성에 중대한 문제가 있을 것으로 판단하여 지상에서 43.5m구간을 시멘트밀크 그라우팅으로 보강하였고 터널천단부에서 대구경강관다단 그라우팅을 적용하였다 .
공동발생구간에 대하여 시멘트몰탈과 경량기포콘크리트 타설 등의 보강 실시 후 터널 안정성을 확인하기 위하여 다음과 같이 수치해석을 수행하였다. 해석단계는 시공순서를 고려하여 동해방향 상반 굴착 후 강릉방향 상반굴착의 순서로 진행하였으며 해석에 적용된 지반물성치는 표1과 같다.
공동붕락이 발생하였거나 터널 굴착 중 변위 발생량이 커 강지보재 변형이나 숏크리트 크랙이 발생한 구간에 대하여 시공중 내공 및 천단침하 계측자료를 검토하여 인버트 설치구간을 결정하였다. 터널 계측치에 대한 평가는 지반을 고려하여 내공변위 10cm를 기준으로 하였으며 동해방향 0+139~0+154, 0+400~0+425의 공동은 규모가 작고 계측자료 확인 결과 변위 발생량도 크지 않으므로 인버트 보강은 필요 없는 것으로 판단되었다.
동해 1터널 시점부에 분포하는 석회암 지반은 용식 작용에 의해 공동이 형성되어 있고 공동 내부에 함수비가 높은 다량의 토사가 충전되어 있어 터널에 큰 편압의 작용이 우려되기 때문에 공동부와 굴착 시 붕락이 발생한 구간, 시공중 변위 발생량이 허용범위를 초과하고 강지보재 변형이나 숏크리트 크랙이 발생한 구간 등에 대해 터널 하반의 측방변위를 방지할 수 있도록 인버트 설치를 검토하였다.
3측선 횡단방향 3측선을 실시하여 공동구간 및 암질 불량구간을 추정하였다. 또한, 동해방향 (STA.0+092-0+230)4 강릉방향(STA.0+121 ~0+270)으로 TSP탐사를 실시하여 공동출현 예상구간 및 절리 밀집도를 고려해서 집중보강구간, 보강구간, 선택적 보강구간으로 구분하여 보강대 책을 수립하였다.
또한, 원지반과 시멘트 모르타르 경계면, 단계별로 주입된 시멘트 모르타르 층간을 일체화시키기 위해 강관 다단 그라우팅을 공동 전후에 시공하였고, 공동상부가 함몰될 경우 붕괴토의 단위중량이 커서 작용 하중이 크므로, 터널천단 상부 4m ~ 9.2m(약 1D) 구간은 하중을 경감시키기 위해 경량기포 모르타르로 충전하였다.
본 구간은 A구간과 B구간으로 나누어 보강하였으며 A구간은 터널천단부에서 5m까지는 시멘트몰탈로보강하였고 상부 7.4m는 경량기포콘크리트로 보강하였다. B구간은 지표면에서 함몰이 발생된 바 터널 안정성에 중대한 문제가 있을 것으로 판단하여 지상에서 43.
본 구간은 단기간내에 함몰의 우려가 없는 것으로 추정하였으나 불확실성에 대한 대비로, 시멘트 모르타르로 Arch 구조체를 형성하여 공동이 함몰될 경우 하중을 지지하여 터널의 안정정을 확보하였으며 System Rock Bolt(L=4m)로 지반을 보강하여 지중보강체(Rock Arch)를 형성하고 이 보강체가 보강체 외측으로부터 작용하는 하중을 지지하므로, 시멘트 Mortar Arch도 Rock Arch와 일체거동을 하여 Rock Bolt 길이와 동일한 4m 두께의 구조체를 형성하였다.
본 시공사례를 통하여 석회암공동이 발생한 터널구간에 대하여 적절한 공동충전 및 터널보강공법을 통하여 안전하게 터널시공을 완료하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
시공중 추가 시추조사(12공)를 실시하여 일부 시추공에서 공동구간을 확인하였으며 전기비저항탐사를 종단방향 3측선 횡단방향 3측선을 실시하여 공동구간 및 암질 불량구간을 추정하였다. 또한, 동해방향 (STA.
시멘트 모르타르 타설시 경화되어 구조체로서 역할을 수행하기 이전에는 하중으로 작용하므로, 이 하중을 지지하기 위해 강지보재의 규격변경(H-100x100x6x8tH-150x150x7x10) 및 간격 조정(lmT0.5m), 숏크리트 타설두께를 변경(16cm-»30cm, Wire Mesh 2겹) 하였다.
위하여 다음과 같이 수치해석을 수행하였다. 해석단계는 시공순서를 고려하여 동해방향 상반 굴착 후 강릉방향 상반굴착의 순서로 진행하였으며 해석에 적용된 지반물성치는 표1과 같다.
대상 데이터
채우고, 나머지 5m 구간은 경량콘크리트 또는 시멘트 모르타르로 충전시켰다. 터널지보에 있어서는 만약의 사태를 대비하여 강성이 큰 H 형강 (H-150x150x"10 이상) 을 50 - 100 cm 간격으로 설치하여 안정성에 대비하였다.
본 과업지역은 동해고속도로(동해~주문진간) 확장공사 제4공구 지역 중 동해1터 널이 공사중인 지 역으로 지형은 50~400m 내외의 고도를 갖는 산릉과 계곡으로 형성되어 있다. 이 산릉은 NS-NS10E 방향의 기존 동해고속도로를 중심으로 평행하게 발달되며 계곡의 방향은 주 계곡방향이 NS-NS10E 이며 주 계곡의 방향의 서측부는 N70-80W, N70-80E 방향으로 형성되며 동측부는 N70-80E 방향과 N30- 40W 방향이 우세하게 발달한다.
본 과업지역을 구성하는 지질계통은 상기 지질도에 나와 있는 바와 같이 조선계의 대석회암통, 평안계의 홍점통, 사동통, 고방산통 및 제4계의 신생대 제4기 충적층으로 구성되어 있다.
본 구간은 동해1터널 동해방향 굴진과정에서 연장 약 15m, 폭 3~ 10.2m, 높이 5~19tn 규모의 대규모 공동이 STA.0+139에서 발견되었으며 공동에 인접하여 국도 7호선이 통과하고 있다.
성능/효과
(1) 석회암 분포지역에서 터널굴착시 사전에 전기비저항탐사, 시추조사, TSP탐사 등을 통해 공동위치, 규모, 연장, 충전물 등을 확인할 필요가 있음을 알 수 있었고 특히, 공동에 토사 등의 충전물 존재시 터널 굴착 과정에서 예기치 못한 붕락사고 등 위험이 존재하므로 반드시 사전에 확인을 하여야 한다.
(2) 터널 천단부 공동구간은 Arch 구조체를 형성할 수 있도록 시멘트 몰탈로 보강하고 그 상부는 경량 기포 콘크리트로 보강하였으며 하반 굴착시 측벽부 횡방향 강관다단그라우팅을 보강 후 터널굴착을 안전하게 수행할 수 있었고 수치해석을 통하여 안정성을 확인하였다.
(3) 공동 붕락구간 및 계측결과 분석 후 변위발생량이 과다한 구간에는 인버트를 설치하여 터널 안정성을 향상시켰다.
대하여 시공중 내공 및 천단침하 계측자료를 검토하여 인버트 설치구간을 결정하였다. 터널 계측치에 대한 평가는 지반을 고려하여 내공변위 10cm를 기준으로 하였으며 동해방향 0+139~0+154, 0+400~0+425의 공동은 규모가 작고 계측자료 확인 결과 변위 발생량도 크지 않으므로 인버트 보강은 필요 없는 것으로 판단되었다.
하반 경계에서 국부적으로 큰 휨 인장응력이 발생하지만 시공시 일정간격으로 Steel Rib 로 보강하므로 초과된 인장응력을 충분히 수용할 수 있을 것으로 판단되었다. 터널 숏크리트 지보재의 안정성을 충분히 확보하기 위해서는 추가로 종방향 강관다단 그라우팅 보강이 필요하지만 보강효과 및 추가 공사비 비교시 다소 비경 제적인 것으로 판단되었다.
터널 상.하반 경계에서 국부적으로 큰 휨 인장응력이 발생하지만 시공시 일정간격으로 Steel Rib 로 보강하므로 초과된 인장응력을 충분히 수용할 수 있을 것으로 판단되었다. 터널 숏크리트 지보재의 안정성을 충분히 확보하기 위해서는 추가로 종방향 강관다단 그라우팅 보강이 필요하지만 보강효과 및 추가 공사비 비교시 다소 비경 제적인 것으로 판단되었다.
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