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문제 정의
- 본 연구에서는 위례지구 복정사거리 입체화시설 건설공사 기본설계사례를 토대로 기존 2-Arch터널의 형식을 비교하여 새로운 무도갱 2-Arch터널형식을 소개하고 기존형식과 비교검토를 수행하였으며 현장 적용성을 고려하여 근접터널의 이격거리에 따른 안정성과 효율적인 시공방안, 터널단면에 따른 경제성 분석을 통해 무도갱 2-Arch터널의 적정성을 검증하였다. 여기에 적용된 설계과정 및 기법 등을 소개함으로써 향후 계획될 2-Arch터널 설계 및 시공에 도움이 되고자 한다.
제안 방법
- 0m로 매개변수해석을 수행하였다. 검토결과, 이격거리 6.0m를 기준으로 변위 및 지보재의 안정성을 확보하였으며, 따라서 본 과업구간의 병설터널 및 무도갱 2-Arch터널의 최소이격거리의 적용은 6.0m를 기준으로 설계를 수행하였다. 표 6.
- 시종점부의 단지계획과 지장물 현황으로 인하여 터널의 평면선형계획에 따라 이격거리가 좁아지므로 병설터널의 터널간 이격거리를 검토하여 안정성이 확보되지 않는 이격거리 이하는 무도갱 2-Arch터널을 적용하고 그 이상의 이격거리는 병설터널로 적용하여 경제적인 터널설계에 대한 검토를 수행하였다. 검토를 위해 2차원 유한요소 해석프로그램인 MIDAS-GTS, ver 3.0을 사용하였고, 갱구부임을 감안하여 지반등급 5등급을 적용하고 최적의 이격거리 도출을 위해 병설터널간 이격거리를 3.0m~7.0m로 매개변수해석을 수행하였다. 검토결과, 이격거리 6.
- 6mm로 발생하지만 숏크리트 휨압축응력 및 록볼트 축력은 허용치 이내로 안정성을 확보하고, 주철근 D19@250, 배력철근 D13@200, 전단철근 D13@400의 배근으로 무도갱 2-Arch터널의 라이닝 안정성을 확인할 수 있었다. 그러므로 수치해석 결과에 따라 병설터널 이격거리 6.0m이하 구간은 무도갱 2-Arch터널을 적용하여 중앙벽체의 6중보강계획을 수립하였고 굴착 및 라이닝 타설에 대한 안정성을 확보하였다. 그림 6.
- 시공방안의 첫단계로 선행터널 굴착 후 천단보강 및 지보설치를 하고 발파진동을 고려한 이격거리 확보 및 양생기간을 준수하여 보강콘크리트를 타설한다. 다음으로 보강콘크리트 강도를 확인하고 후행터널의 굴착이 이루어진 후, 양방향 라이닝 콘크리트 타설 및 보강을 한다. 그림 8.
- 기존 2-Arch 터널은 방수쉬트 및 중앙벽체 시공의 복잡성에 기인한 누수문제와 누수에 따른 동절기시 중앙벽체의 동파문제, 겹이음 철근에 의한 방수막 손상과 시공성 불량에 따른 중앙벽체 콘크리트 타설 및 거더부 철근 맞이음의 시공성 불량의 소지등 여러 가지 문제점이 있다. 따라서 본 과업구간의 근접터널계획에 따라 시공성, 환경성, 누수문제등의 기존 2-Arch 터널의 문제점을 보완하여 합리적인 2-Arch터널 설계방안을 제시하게 되었다. 기존 2-Arch터널의 문제점은 표 2.
- 무도갱 2-Arch터널의 경우, 터널 필라폭 이격거리가 6m이하의 근접터널로 터널의 안정성을 확보하는 보강벽체 콘크리트의 계측이 시공 중이나 시공 후 확인이 필요하다. 따라서 본 과업에서는 후행터널 굴착시 선행터널 보강콘크리트 측면에 계측기를 설치한 후 진동계측을 수행하여 발파에 대한 계측관리를 수립하여 보강벽체 콘크리트의 안정성을 확보하였다. 그림 9.
- 본 과업구간의 터널계획 현황에 따라 시점부 지장물 및 종점부의 위례지구 택지개발사업을 반영하고, 환경 및 이용자의 안전과 유지관리 등을 고려하여 병설터널과 무도갱 2-Arch터널을 계획하였다. 또한 시공성과 경제성 및 공기단축을 위해 터널 필라폭 6.0m~9.0m(0.75D미만)의 구간은 Tie-bolt 보강을 이용한 병설터널을 적용하고 터널 필라폭 6.0m이하의 구간에는 무도갱 2-Arch터널을 적용하여 근접 지장물의 저촉을 피하고 터널구간의 안정성을 확보하였다. 과업구간 터널형식 적용은 표 3.
- 무도갱 2-Arch터널은 중앙터널을 생략함으로써 시공성 확보에 용이하지만, 터널의 안정성 확보를 위해 터널 근접시 보강계획이 필요하며 이에 따라 무도갱 2-Arch터널구간의 중앙보강벽체에 대한 6중 보강계획을 수립하였다. 보강계획으로 발파굴착에 따른 진동저감을 위해 굴착면에 철판을 시공하고 H형강 지보를 통해 초기굴착의 안정성을 확보하였다.
- 무도갱 2-Arch터널의 시공방안으로 후행터널 굴착시 선행터널 필라부 변위여부를 확인하며 선·후행 터널의 안전을 고려한 적정 이격거리를 확보하는 것에 주안점을 두었다.
- 무도갱 2-Arch터널은 중앙터널을 생략함으로써 시공성 확보에 용이하지만, 터널의 안정성 확보를 위해 터널 근접시 보강계획이 필요하며 이에 따라 무도갱 2-Arch터널구간의 중앙보강벽체에 대한 6중 보강계획을 수립하였다. 보강계획으로 발파굴착에 따른 진동저감을 위해 굴착면에 철판을 시공하고 H형강 지보를 통해 초기굴착의 안정성을 확보하였다. 또한 고정볼트와 보강콘크리트를 타설하고 후행터널 굴착시 굴착영향범위에 해당하는 1.
- 본 과업구간의 경제성 분석을 위해 터널시공 기본공정에 따른 기존 2-Arch터널과 무도갱 2-Arch터널의 공사비를 분석하였다. 무도갱 2-Arch터널의 위치가 시종점부 임을 감안하여 지반등급 5등급을 적용하였으며 그에 따른 기존 2-Arch터널의 직접공사비는 2,076만원/m이며, 무도갱 2-Arch터널의 경우 1,637만원/m로 무도갱 2-Arch터널의 직접공사비가 기존 2-Arch터널의 직접공사비에 비해 약 21%의 절감효과가 있는 것으로 분석되었다.
- 본 과업구간의 터널계획 현황에 따라 시점부 지장물 및 종점부의 위례지구 택지개발사업을 반영하고, 환경 및 이용자의 안전과 유지관리 등을 고려하여 병설터널과 무도갱 2-Arch터널을 계획하였다. 또한 시공성과 경제성 및 공기단축을 위해 터널 필라폭 6.
- 본 연구에서는 위례지구 복정사거리 입체화시설 건설공사 기본설계사례를 토대로 기존 2-Arch터널의 형식을 비교하여 새로운 무도갱 2-Arch터널형식을 소개하고 기존형식과 비교검토를 수행하였으며 현장 적용성을 고려하여 근접터널의 이격거리에 따른 안정성과 효율적인 시공방안, 터널단면에 따른 경제성 분석을 통해 무도갱 2-Arch터널의 적정성을 검증하였다. 여기에 적용된 설계과정 및 기법 등을 소개함으로써 향후 계획될 2-Arch터널 설계 및 시공에 도움이 되고자 한다.
- 무도갱 2-Arch터널의 시공방안으로 후행터널 굴착시 선행터널 필라부 변위여부를 확인하며 선·후행 터널의 안전을 고려한 적정 이격거리를 확보하는 것에 주안점을 두었다. 시공방안의 첫단계로 선행터널 굴착 후 천단보강 및 지보설치를 하고 발파진동을 고려한 이격거리 확보 및 양생기간을 준수하여 보강콘크리트를 타설한다. 다음으로 보강콘크리트 강도를 확인하고 후행터널의 굴착이 이루어진 후, 양방향 라이닝 콘크리트 타설 및 보강을 한다.
- 시종점부의 단지계획과 지장물 현황으로 인하여 터널의 평면선형계획에 따라 이격거리가 좁아지므로 병설터널의 터널간 이격거리를 검토하여 안정성이 확보되지 않는 이격거리 이하는 무도갱 2-Arch터널을 적용하고 그 이상의 이격거리는 병설터널로 적용하여 경제적인 터널설계에 대한 검토를 수행하였다. 검토를 위해 2차원 유한요소 해석프로그램인 MIDAS-GTS, ver 3.
대상 데이터
- 본 과업구간의 기본설계는 수도권의 교통량 분산 및 대규모 택지개발 사업에 따른 교통서비스의 수준 향상과 지역균형발전을 목적으로 하며, 주요 구조물로는 지하차도(U-Type구간 + Box구간)과 터널 및 도로구간을 포함한 총연장(L) 2,341m의 왕복 4차로의 도로건설사업이다. 위례지역의 과업구간 현황은 그림 1.
이론/모형
- 본 과업구간의 무도갱 2-Arch터널의 적용에 따라서 일본내 “도로건설 컨설턴트”에 과업구간의 지반 및 시공조건에 따른 자문을 얻어 설계에 참조하였으며 그에 따른 결과는 표 5.와 같다.
성능/효과
- (1) 기존 2-Arch터널의 문제점에 해당하는 중앙터널의 장비운영 문제를 비롯하여 중앙터널의 벽체콘크리트 타설시 어려움을 해결하고 발파 및 숏크리트 타설시 방수막 손상에 따른 누수문제를 해결하는 무도갱 2-Arch터널의 적용은 굴착공정의 단순화를 통한 시공성 향상 및 시공공기 단축에 유리할 것으로 판단된다.
- (2) 병설터널과 무도갱 2-Arch터널의 적용 분기점은 터널 필라부 이격거리 6.0m를 기준으로 안정성을 확보하며 나뉘어지는 것을 확인할 수 있었으며, 무도갱 2-Arch터널의 시공시 중앙벽체의 시공은 중앙벽체 두께가 60cm이상일 경우, 수평변위는 증가하지만 증가의 정량적인 수준은 극히 미소하고 보강벽체의 응력이 허용기준 이내로 안정성을 확보하는 것을 알 수 있었다.
- (4) 최근 도심지 개발로 인한 지상 및 지하도로계획은 지장물과 인근 주변구조물 및 택지개발계획으로 인해 제약이 따르지만, 무도갱 2-Arch터널의 적용시 기존 2-Arch터널에 비해 용지면적 및 부지사용을 최소화하여 민원이나 지장물로부터의 안정성을 확보하는데 우수할 것으로 판단된다.
- 과업구간의 터널시점부의 선형 및 지반조건은 기반암의 출현심도는 G.L-12.0m 내외로 균일한 지층분포를 보이며 일부 지질이상대(RQD 0~10%)가 분포하는 것으로 파악되었다. 지장물로는 터널상부의 지방도와 시점갱구부의 도로옹벽이 저촉되고 있으며 탄천을 횡단하는 대곡교 하부를 통과하고 있다.
- 보강계획으로 발파굴착에 따른 진동저감을 위해 굴착면에 철판을 시공하고 H형강 지보를 통해 초기굴착의 안정성을 확보하였다. 또한 고정볼트와 보강콘크리트를 타설하고 후행터널 굴착시 굴착영향범위에 해당하는 1.7m이내는 기계굴착을 적용하여 굴착면에 대한 안정성을 확보하였으며, 40cm의 라이닝 타설로 근접구간의 안정성을 확보하였다. 표 7.
- (3) 기존 2-Arch터널과 무도갱 2-Arch터널의 직접공사비 비교에 따르면 약 21%이상 무도갱 2-Arch터널이 우수하여 공사비 측면에서도 경제성 확보에 유리할 것으로 판단된다. 또한, 국내의 경우, 무도갱 2-Arch터널의 시공사례는 없으나, 해외(일본)사례의 경우 시공성 및 경제성이 유리한 무도갱 2-Arch터널의 적용이 활성화 되고 있음을 확인할 수 있었다.
- 본 과업구간의 경제성 분석을 위해 터널시공 기본공정에 따른 기존 2-Arch터널과 무도갱 2-Arch터널의 공사비를 분석하였다. 무도갱 2-Arch터널의 위치가 시종점부 임을 감안하여 지반등급 5등급을 적용하였으며 그에 따른 기존 2-Arch터널의 직접공사비는 2,076만원/m이며, 무도갱 2-Arch터널의 경우 1,637만원/m로 무도갱 2-Arch터널의 직접공사비가 기존 2-Arch터널의 직접공사비에 비해 약 21%의 절감효과가 있는 것으로 분석되었다.
- 본 과업구간의 무도갱 2-Arch터널시공에 따른 보강 안정성 검토결과, 시점부 및 종점부의 터널중앙벽체 생략으로 굴착시 변위가 14.9mm~18.6mm로 발생하지만 숏크리트 휨압축응력 및 록볼트 축력은 허용치 이내로 안정성을 확보하고, 주철근 D19@250, 배력철근 D13@200, 전단철근 D13@400의 배근으로 무도갱 2-Arch터널의 라이닝 안정성을 확인할 수 있었다. 그러므로 수치해석 결과에 따라 병설터널 이격거리 6.
- 이러한 원인은 무도갱 2-Arch 터널의 안정성을 결정하는 중요한 요소로 중앙 보강벽체의 두께를 들 수 있다. 본 사례에서는 무도갱 2-Arch터널의 보강벽체두께 산정을 위한 안정성 검토를 수행하였으며 그 결과, 그림 5.에서 보는 바와 같이 중앙부의 보강벽체 두께가 증가할수록 연직변위는 감소하고 수평변위는 증가하지만, 그 변위량 증가는 60cm를 기준으로 증가폭이 극히 미소하며, 보강벽체의 휨압축응력은 60cm이상일 경우, 허용기준 이내로 만족하는 것을 알 수 있다.
후속연구
- (5) 본 연구는 위례지역의 현장현황 및 지반조건을 토대로 지장물 및 민원의 최소화를 확보하기 위해 설계된 사례로서, 향후 타 지역의 적용시 주요현황 및 지반조건에 맞는 적용성에 대한 연구가 필요할 것으로 판단되며, 앞으로 도심지 천층터널의 개발 및 근접터널로써 무도갱 2-Arch터널의 설계사례와 시공경험, 해석 그리고 계측 등의 자료를 데이터화하여 설계 및 시공방안을 더 발전시켜야 할 것으로 사료된다.
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