[논문]2-Arch 터널의 최적 설계에 관한 연구

유충식; 김선빈; 김주미

문제 정의

본 연구에서는 2-Arch 터널의 최적 설계에 관한 연구를 다루었다. 이를 위해 실제 터널현장인 지하철 OOO정거장을 대상으로 유한요소법에 근거한 상용프로그램 ABAQUS를 이용하여 3차원 유한요소해석을 실시하였다.
본 연구에서는 대상현장의 시공조건을 기반으로 2-Arch 터널의 시공과정을 상세히 모사하였다. 즉, 종방향 굴착 연장은 60m로 하여 중앙터널 굴착 후 본선 좌ㆍ우측 터널의 이격거리 20m에 따른 분석이 충분하도록 하였으며, 중앙 터널 시공완료 후 본선터널의 거동을 분석하는 데 주목적을 두었으므로 해석모델링에 있어 편의상 중앙터널은 전단면 굴착과 지보설치가 동시에 시공되는 것으로 모델링하였다.
본 연구에서는 이러한 근접병설터널의 설계 및 시공방법의 체계화를 위해 우선적으로 중앙벽체의 지지기능을 활용한 2-Arch(1 Pilot)터널의 역학적 거동 연구를 수행하였다(김주미 2005). 이를 위해 도심지 지하철 OOO정거장 2-Arch 터널을 대상으로 유한요소법에 근거한 상용프로그램 ABAQUS(ABAQUS　²⁰⁰⁶⁾를 이용하여 3차원 유한요소해석을 실시하였다.

제안 방법

2-Arch 터널의 변위거동 특성을 분석을 위해 연구해석 조건 중 토피고 2D / 관통지층 연암 / 본선좌ㆍ 우측터널 막장간거리 20m를 기본조건에 대한 결과를 분석하였다. 이를 위한 첫 번째 단계로 막장이 진전함에 따른 종방향 변위곡선을 통해 전반적인 변위거동특성을 파악하였다.
중앙기둥은 중앙터널의 굴착 및 지보설치 완료 후 시공되며 중앙터널 60m 시공 완료 후 본선좌측 터널 시공이 시작되는 것으로 모델링하였다. 또한, 본선 좌ㆍ우측 터널의 시공 순서에 따른 상호터널의 영향을 분석하기 위해 시공과정을 본선 좌ㆍ우측 터널의 막장거리를 20m 와 60m의 두 가지 시공단계변화로 모사하였다. 그림 5는 시공과정 모델링을 보여주고 있다.
2-Arch 터널의 변위거동 특성을 분석을 위해 연구해석 조건 중 토피고 2D / 관통지층 연암 / 본선좌ㆍ 우측터널 막장간거리 20m를 기본조건에 대한 결과를 분석하였다. 이를 위한 첫 번째 단계로 막장이 진전함에 따른 종방향 변위곡선을 통해 전반적인 변위거동특성을 파악하였다. 그림 6(a)와 6(b)는 본선좌측 터널 종방향 천단변위(δ CR.
중앙기둥은 중앙터널의 굴착 및 지보설치 완료 후 시공되며 중앙터널 60m 시공 완료 후 본선좌측 터널 시공이 시작되는 것으로 모델링하였다. 또한, 본선 좌ㆍ우측 터널의 시공 순서에 따른 상호터널의 영향을 분석하기 위해 시공과정을 본선 좌ㆍ우측 터널의 막장거리를 20m 와 60m의 두 가지 시공단계변화로 모사하였다.
이를 위해 실제 터널현장인 지하철 OOO정거장을 대상으로 유한요소법에 근거한 상용프로그램 ABAQUS를 이용하여 3차원 유한요소해석을 실시하였다. 중앙벽체의 지지기능을 활용하는 2-Arch터널 특성을 고려하여 본선 좌ㆍ우측 터널 시공 순서에 따른 상호터널의 영향 및 중앙벽체 거동을 중점으로 분석하였으며, 향후 2-Arch터널 설계/시공 적용을 위한 시공조건에 따른 체계화를 위해 좌우터널 이격거리에 따른 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 대상현장의 시공조건을 기반으로 2-Arch 터널의 시공과정을 상세히 모사하였다. 즉, 종방향 굴착 연장은 60m로 하여 중앙터널 굴착 후 본선 좌ㆍ우측 터널의 이격거리 20m에 따른 분석이 충분하도록 하였으며, 중앙 터널 시공완료 후 본선터널의 거동을 분석하는 데 주목적을 두었으므로 해석모델링에 있어 편의상 중앙터널은 전단면 굴착과 지보설치가 동시에 시공되는 것으로 모델링하였다.
해석영역은 터널중심으로부터 폭 3D(D=터널직경)이상 높이 1D 이상으로 하였고 종방향 수직 경계면은 X 방향 구속, 횡방향 수직 경계면은 Y방향 구속 및 바닥면 경계조건은 X,Y,Z방향 구속을 하였다. 지반 및 지보재의 이산화에 있어 지반과 숏크리트 라이닝 모두 8절점 가감 적분 고체요소(C3D8R)를 적용하였다. 한편, 시공조건에서는 숏크리트와 록볼트가 지보재로 사용되나 해석의 편의상 록볼트는 모델링하지 않았으며, 록볼트에 대한 지보력을 숏크리트 설치두께를 증가하는 것으로 대신하여 모사하였다.
지반 및 지보재의 이산화에 있어 지반과 숏크리트 라이닝 모두 8절점 가감 적분 고체요소(C3D8R)를 적용하였다. 한편, 시공조건에서는 숏크리트와 록볼트가 지보재로 사용되나 해석의 편의상 록볼트는 모델링하지 않았으며, 록볼트에 대한 지보력을 숏크리트 설치두께를 증가하는 것으로 대신하여 모사하였다. 재료모델링에 있어 지반은 Mohr-Coulomb 파괴규준과 Davis (1968)가 제안한 비관련흐름 법칙을 적용하였고 지보재의 경우 탄성 거동으로 적용하였다.
해석 영역의 모델링에 있어서 터널은 지하철 OOO정거장의 시공순서 및 적용단면을 기본조건으로 하였으나, 터널 굴착방법의 경우 중앙 터널 시공완료 후 본선터널의 거동을 분석하는 것이 주목적이므로 해석모델링에 있어 편의상 중앙터널은 전단면 굴착으로 시공되는 것으로 적용하였고, 그 외 본선터널은 상ㆍ하 반단면굴착으로 모델링하였다.
이를 위해 도심지 지하철 OOO정거장 2-Arch 터널을 대상으로 유한요소법에 근거한 상용프로그램 ABAQUS(ABAQUS　²⁰⁰⁶⁾를 이용하여 3차원 유한요소해석을 실시하였다. 해석결과는 중앙벽체의 지지기능을 활용하는 2-Arch터널 특성을 고려하여 본선 좌ㆍ우측 터널 시공 순서에 따른 상호터널의 영향 및 중앙벽체 거동을 중점으로 분석하였으며, 향후 2-Arch터널 설계/시공 적용을 위한 시공조건에 따른 체계화를 위해 토피고와 지반조건에 따라 해석조건을 변화하여 해석을 수행하였다.
해석영역은 터널중심으로부터 폭 3D(D=터널직경)이상 높이 1D 이상으로 하였고 종방향 수직 경계면은 X 방향 구속, 횡방향 수직 경계면은 Y방향 구속 및 바닥면 경계조건은 X,Y,Z방향 구속을 하였다. 지반 및 지보재의 이산화에 있어 지반과 숏크리트 라이닝 모두 8절점 가감 적분 고체요소(C3D8R)를 적용하였다.

대상 데이터

본 연구는 지하철 OOO정거장에 적용된 2-Arch 터널 시공조건을 고려하였다. 그림 1에서 보이는 바와 같이 상부지층은 충적층이며 터널은 기반암 내를 통과하여 막장내 지반이 양호한 현장으로 일부구간 에서는 엽리 및 석영암맥이 분포하는 시공조건이다.

데이터처리

본 연구에서는 2-Arch 터널의 최적 설계에 관한 연구를 다루었다. 이를 위해 실제 터널현장인 지하철 OOO정거장을 대상으로 유한요소법에 근거한 상용프로그램 ABAQUS를 이용하여 3차원 유한요소해석을 실시하였다. 중앙벽체의 지지기능을 활용하는 2-Arch터널 특성을 고려하여 본선 좌ㆍ우측 터널 시공 순서에 따른 상호터널의 영향 및 중앙벽체 거동을 중점으로 분석하였으며, 향후 2-Arch터널 설계/시공 적용을 위한 시공조건에 따른 체계화를 위해 좌우터널 이격거리에 따른 해석을 수행하였다.

이론/모형

본 연구에서는 3차원 해석을 위해 유한요소법을 근거로 한 범용 프로그램인 ABAQUS 6.4(ABAQUS 2006)를 사용하였다. ABAQUS는 토목 및 기계 등 다양한 분야에 적용되는 프로그램으로서 특히 지반 공학분야에서 다양한 흙의 구성모델을 제공하고 소성거동 모사에 대한 알고리즘이 효율적이어서 지반구 조물의 항복 후 거동 평가에 효율적이다.
본 연구에서는 이러한 근접병설터널의 설계 및 시공방법의 체계화를 위해 우선적으로 중앙벽체의 지지기능을 활용한 2-Arch(1 Pilot)터널의 역학적 거동 연구를 수행하였다(김주미 2005). 이를 위해 도심지 지하철 OOO정거장 2-Arch 터널을 대상으로 유한요소법에 근거한 상용프로그램 ABAQUS(ABAQUS　²⁰⁰⁶⁾를 이용하여 3차원 유한요소해석을 실시하였다. 해석결과는 중앙벽체의 지지기능을 활용하는 2-Arch터널 특성을 고려하여 본선 좌ㆍ우측 터널 시공 순서에 따른 상호터널의 영향 및 중앙벽체 거동을 중점으로 분석하였으며, 향후 2-Arch터널 설계/시공 적용을 위한 시공조건에 따른 체계화를 위해 토피고와 지반조건에 따라 해석조건을 변화하여 해석을 수행하였다.
한편, 시공조건에서는 숏크리트와 록볼트가 지보재로 사용되나 해석의 편의상 록볼트는 모델링하지 않았으며, 록볼트에 대한 지보력을 숏크리트 설치두께를 증가하는 것으로 대신하여 모사하였다. 재료모델링에 있어 지반은 Mohr-Coulomb 파괴규준과 Davis (1968)가 제안한 비관련흐름 법칙을 적용하였고 지보재의 경우 탄성 거동으로 적용하였다. 그림 4는 해석에 적용된 유한요소모델을 보여주고 있다.

성능/효과

그 결과 우측터널 시공이 좌측터널에 미치는 영향은 변위에 비해 숏크리트 응력 및 중앙기둥 하중에서 더 뚜렷하게 나타나는 것으로 분석되어 2-Arch 터널 시공시 시공중 중점 계측관리 항목으로서 숏크리트 응력 및 중앙기둥 하중이 매우 중요한 것으로 나타났다. 한편, 터널 변위, 숏크리트 응력, 그리고 중앙기둥 경시변화를 분석한 결과 이격거리 20m 정도를 유지하며 시공할 경우 좌우측 터널의 상호작용을 최소하며 시공이 가능한 것으로 나타났다.
그림 8(a)에서도 좌우터널 이격거리 60m에 해당하는 CASE 3의 경우 CASE 2와의 직접적인 비교를 위해 좌향 수평이동을 하여 같이 도시하였다. 이 그림에서 관찰할 수 있는 바와 같이 우측터널 시공이 좌측터널에 미치는 영향은 약 40% 추가 응력이 발생하는 것으로 나탄나 앞서 기술한 변위 거동보다 그 영향이 더 크게 발생하는 것으로 나타나 2-Arch 터널 시공시 시공중 중점 계측관리 항목으로서 숏크리트 응력이 매우 중요한 것으로 나타났다. 한편, 숏크리트 응력에서 이격거리별 차이가 그다지 크게 발생하지 않고 있어 앞서 기술한 바와 같이 좌우터널 상호작용 저감을 위해서 이격 거리 20m이상 확보는 불필요한 것으로 나타났다.
여기서 이격거리 60m의 경우 20m의 결과와의 직접적인 비교를 위해 좌측으로 이동하여 도시한 결과로서 실제 변위곡선은 그림 7(b)에 다시 제시하였다. 이 그림을 살펴보면 먼저 본선 좌측터널만 시공할 경우 일반 측정지점에서 막장으로 부터의 거리가 증가할수록 변위가 수렴되는 경향을 보이나 본선우측터널이 시공되는 경우인 CASE 2와 3에서는 우측터널 시공이 시작되면서 수렴되던 변위가 다시 증가되며 점차 막장이 진전할수록 다시 수렴되는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 특히 우측터널 시공으로 인한 좌측터널의 천단변위가 약 30% 정도 추가되는 경향을 보이고 있으며 본 연구에서 고려한 20m 및 60m의 경우 별다른 차이를 보이지 않고 있어 본 연구대상 시공조건에서는 좌우 터널 이격거리를 20m 정도를 유지할 때 변위 거동 측면에서 적절한 것으로 분석되었다.
이 그림을 살펴보면 먼저 본선 좌측터널만 시공할 경우 일반 측정지점에서 막장으로 부터의 거리가 증가할수록 변위가 수렴되는 경향을 보이나 본선우측터널이 시공되는 경우인 CASE 2와 3에서는 우측터널 시공이 시작되면서 수렴되던 변위가 다시 증가되며 점차 막장이 진전할수록 다시 수렴되는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 특히 우측터널 시공으로 인한 좌측터널의 천단변위가 약 30% 정도 추가되는 경향을 보이고 있으며 본 연구에서 고려한 20m 및 60m의 경우 별다른 차이를 보이지 않고 있어 본 연구대상 시공조건에서는 좌우 터널 이격거리를 20m 정도를 유지할 때 변위 거동 측면에서 적절한 것으로 분석되었다.
이 그림에서도 우측터널 시공으로 인해 중앙기둥 하중이 두 배 이상으로 증가하는 경향을 보여주고 있어 중앙기동 하중 또한 중점 계측항목으로 활용되어야 할 것으로 판단된다. 한편, 천단변위 및 숏크리트 라이닝 응력과 마찬가지로 이격거리별로 큰 차이를 보이지 않고 있어 이격 거리 20m이상 확보는 불필요한 것으로 나타났다.
그 결과 우측터널 시공이 좌측터널에 미치는 영향은 변위에 비해 숏크리트 응력 및 중앙기둥 하중에서 더 뚜렷하게 나타나는 것으로 분석되어 2-Arch 터널 시공시 시공중 중점 계측관리 항목으로서 숏크리트 응력 및 중앙기둥 하중이 매우 중요한 것으로 나타났다. 한편, 터널 변위, 숏크리트 응력, 그리고 중앙기둥 경시변화를 분석한 결과 이격거리 20m 정도를 유지하며 시공할 경우 좌우측 터널의 상호작용을 최소하며 시공이 가능한 것으로 나타났다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	점차적으로 도시 재구축의 요구가 확산되어 그 방안으로 지상의 토지가 아닌 해상이나 해저, 지하공간 등이 대두되고 있는데 그 중 사회기반시설 확충의 방법으로 무엇이 가장 현실성 있는 대안으로 평가받는가?	이에 따라 점차적으로 도시 재구축의 요구가 확산되어 그 방안으로 지상의 토지가 아닌 해상이나 해저, 지하공간 등이 대두되고 있다. 그 중 사회기반시설 확충의 방법으로 지하공간건설이 가장 현실성 있는 대안으로 평가되고 있으며, 그에 따라 터널 시공/계획도 증가하고 있는 추세이다. 이러한 터널 시공/계획은 일반적으로 도심지터널과 산악터널로 구분되어지는데 도심지터널의 경우 용지매입의 한계와 주변지장물 보호 및 공사중 발생하는 소음등의 문제로 인한 민원 발생 우려가 크고, 산악터널의 경우 자연환경훼손의 최소화를 요구하는 사회적 분위기로 인해 터널시공방법에 있어 제한이 따르게 된다.
	지가상승 및도시의 평면적 확산으로 인해 야기되는 문제는?	오늘날 산업화 및 도시화가 가속되면서 도시의 토지공급은 점점 한계에 이르고 있으며, 지가상승 및도시의 평면적 확산, 그에 따른 녹지의 잠식등과 같은 건설공간 및 환경문제가 야기되고 있다. 이에 따라 점차적으로 도시 재구축의 요구가 확산되어 그 방안으로 지상의 토지가 아닌 해상이나 해저, 지하공간 등이 대두되고 있다.
	도시의 토지공급은 점점 한계에 이르고 있는 이유는?	오늘날 산업화 및 도시화가 가속되면서 도시의 토지공급은 점점 한계에 이르고 있으며, 지가상승 및도시의 평면적 확산, 그에 따른 녹지의 잠식등과 같은 건설공간 및 환경문제가 야기되고 있다. 이에 따라 점차적으로 도시 재구축의 요구가 확산되어 그 방안으로 지상의 토지가 아닌 해상이나 해저, 지하공간 등이 대두되고 있다.

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