[논문]도심지 분기터널의 안정성 평가에 관한 설계사례

김세환; 최창림; 한석희; 이계화; 최연식; 석재덕

문제 정의

국내에서는 이러한 분기터널 시공시 대단면 터널과 근접 병설터널의 안정성 확보 및 굴착방법에 대한 시공실적 및 설계사례가 부족한 상황이다. 따라서 본고에서는 국외 설계ㆍ시공사례를 고찰하고, 국내에서 최초로 시도되는 대심도 분기터널인 OO터널의 설계사례를 중심으로 분기구간 필라(Pillar)의 암반손상을 최소화하고 선행터널의 지보재 안정성을 확보할 수 있는 굴착방법과 지보재의 안정성 평가방법을 제시하고자 한다.
본 고에서는 분기구간 터널 계획시 적정 필라폭 산정과 필라부 암반손상을 최소화하고 지보재 안정성을 확보할 수 있는 굴착방법 및 안정성 평가방법을 제시하였다.

제안 방법

2) 선행터널의 지보재 안정성은 숏크리트 허용진동속도(19cm/sec)를 기준으로 평가하였다. 후행 터널에 무진동 암파쇄공법과 발파공법의 조합은 암반손상권 최소화와 진동저감효과로 필라와 숏크리트의 안정성 확보에 큰 역할을 할 수 있는 것으로 분석되었다.
필라부는 암반 특성상 인장 및 전단에 취약하므로 굴착과정에서 암반손상이 최소화되는 굴착방법과 보강공법이 적용되어야 한다. OO터널에서는 굴착에 따른 필라부 손상 최소화를 위한 공법으로 선행터널 외곽공에 Smooth Blasting을 적용하고, 후행터널 시공시 필라쪽 3.8m영역을 무진동 굴착 후 확공발파를 적용하였다. 필라부 보강으로는 텐션볼트를 적용하여 필라부 구속응력을 증가시켜 안정성을 향상시켰다.
OO터널은 서울시 신월동～여의도동을 연결하는 연장 7.53km의 소형차 전용도로로 진ㆍ출입부 일부를 제외한 전구간이 터널구간으로 본선부 2차로 터널과 램프부 1차로 터널로 계획하였고, 올림픽대로 진ㆍ출입로 연결을 위해 분기구간 2개소를 계획하였다. 과업지역은 대부분 흑운모편마암으로 분포하며, 본선구간은 Ⅰ～Ⅲ등급이 90% 이상으로 양호한 암반구간에 계획하였으며, 분기터널은 Ⅱ～Ⅲ등급의 양호한 암반에 위치하고 있다.
초근접 병설터널은 일본 Itsutsugaoka터널의 사례를 분석하여 근접 병설터널 설계의 기초자료로 활용하였다. 무도갱식 메가네 터널은 필라폭이 0.9～1.1m의 초근접 터널로 선행터널의 지보재 안정성 확보를 위해 후행터널의 일부영역(필라쪽 1.5m)을 기계굴착 후 발파공법(0.2～0.6kg/공)을 적용하였으며, 숏크리트 허용진동속도를 23.3cm/sec로 선정하고 선행터널의 숏크리트 표면에 진동계를 설치하여 실시간으로 진동을 측정하였다. 시공시 숏크리트 크랙발생 조사를 기초로 하여 숏크리트의 허용진동 속도를 44cm/sec로 수정하였다.
숏크리트의 안정성은 허용진동속도를 기준으로 검토하였다. 진동허용기준은 국외사례와 숏크리트의 공학적 특성을 고려하여 19cm/sec로 선정하였으며, 확공발파시 공당 1.
3cm/sec로 선정하고 선행터널의 숏크리트 표면에 진동계를 설치하여 실시간으로 진동을 측정하였다. 시공시 숏크리트 크랙발생 조사를 기초로 하여 숏크리트의 허용진동 속도를 44cm/sec로 수정하였다.
숏크리트의 안정성은 허용진동속도를 기준으로 검토하였다. 진동허용기준은 국외사례와 숏크리트의 공학적 특성을 고려하여 19cm/sec로 선정하였으며, 확공발파시 공당 1.0kg의 화약을 사용하여 시험발파식과 수치해석을 통해 안전성을 평가하였다. 해석결과 발파공법 적용시 이격거리 10m(PW=6m)이상, 무진동과 발파공법 조합시 6m(PW=2m) 이상에서 허용진동속도를 만족하는 것으로 나타났다.
필라부가 위치하는 Ⅱ～Ⅲ등급의 암반에서 필라 안전율을 산정하고 텐션볼트의 적용성을 검토하였다. 이격거리별 필라부 안정성 평가결과, Peck 이외의 평가에서 필라폭 2m 확보시 안전율 1.
필라의 안정성을 평가하기 위한 방법으로 Peck의 방법(1969), Matsuda의 방법(1998) 등이 있으나, 지반 및 시공조건 등을 고려하기에는 한계가 있어 필라에 작용하는 주응력을 수치해석으로 구한 후 강도/응력비와 파괴 접근도를 산정하여 필라의 안정성을 평가하였다.
텐션볼트의 인장력은 구속응력(σ3 ′)으로 작용하여 암반강도를 증가시켜 필라의 안정성을 향상시킨다. 필라폭 2.0m일 경우 인발력 유ㆍ무에 따라 3～15%의 안전율 향상이 기대되어, 필라부 암반손상과 록볼트의 간섭이 예상되는 구간까지 텐션볼트를 적용하였다.

대상 데이터

또한 분기 구간의 연장은 변이구간 길이, 가ㆍ감속차로, 분기시점의 최소 터널이격거리 확보 등의 기하구조를 고려하여 단면계획을 수립하여야 한다. OO터널의 분기구간은 변이구간을 고려하여 폭 15.34m의 3차로 단면과 가ㆍ감속차로 및 필라의 안정성이 확보되는 최소폭원(2m)을 반영하여 폭 25.76m의 3차로 확폭단면을 적용하였다.
초근접 병설터널은 일본 Itsutsugaoka터널의 사례를 분석하여 근접 병설터널 설계의 기초자료로 활용하였다. 무도갱식 메가네 터널은 필라폭이 0.

성능/효과

1) 필라부의 안정성 평가방법으로 기존제안식과 수치해석 방법을 활용하여, 필라폭 2.0m 이상 확보시에는 필라부의 안정성이 확보되는 것으로 평가되었다. 또한, 필라부의 텐션볼트 적용 시 필라부 안전율이 약 3～15% 향상되는 것으로 나타났다.
해석결과 발파공법 적용시 이격거리 10m(PW=6m)이상, 무진동과 발파공법 조합시 6m(PW=2m) 이상에서 허용진동속도를 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 선행터널의 필라 방향으로 무진동공법(3.8m)을 적용하고 선행터널 측벽부와 6.0m이상 이격시켜 발파공법을 적용할 경우 진동저감 및 필라부 암반손상을 최소화할 수 있어 숏크리트 및 필라 안정성 확보가 가능할 것으로 판단된다.
0m 이상 확보시에는 필라부의 안정성이 확보되는 것으로 평가되었다. 또한, 필라부의 텐션볼트 적용 시 필라부 안전율이 약 3～15% 향상되는 것으로 나타났다.
필라부가 위치하는 Ⅱ～Ⅲ등급의 암반에서 필라 안전율을 산정하고 텐션볼트의 적용성을 검토하였다. 이격거리별 필라부 안정성 평가결과, Peck 이외의 평가에서 필라폭 2m 확보시 안전율 1.0이상으로 보강 없이 안정성이 확보되는 것으로 나타났다. 그러나, 필라부 안전율 평가결과 중심부에서 측벽으로 갈수록 안전율이 낮게 평가되어 발파시 암반손상으로 인한 필라부의 강도저하를 고려한다면 별도의 보강대책이 필요할 것으로 판단된다.
0kg의 화약을 사용하여 시험발파식과 수치해석을 통해 안전성을 평가하였다. 해석결과 발파공법 적용시 이격거리 10m(PW=6m)이상, 무진동과 발파공법 조합시 6m(PW=2m) 이상에서 허용진동속도를 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 선행터널의 필라 방향으로 무진동공법(3.
2) 선행터널의 지보재 안정성은 숏크리트 허용진동속도(19cm/sec)를 기준으로 평가하였다. 후행 터널에 무진동 암파쇄공법과 발파공법의 조합은 암반손상권 최소화와 진동저감효과로 필라와 숏크리트의 안정성 확보에 큰 역할을 할 수 있는 것으로 분석되었다.

후속연구

0이상으로 보강 없이 안정성이 확보되는 것으로 나타났다. 그러나, 필라부 안전율 평가결과 중심부에서 측벽으로 갈수록 안전율이 낮게 평가되어 발파시 암반손상으로 인한 필라부의 강도저하를 고려한다면 별도의 보강대책이 필요할 것으로 판단된다. 텐션볼트의 인장력은 구속응력(σ3 ′)으로 작용하여 암반강도를 증가시켜 필라의 안정성을 향상시킨다.

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