터널 설계일반

1. 설계의 기본개념

1.1 터널굴착과 지반거동 특성

물질에 외력을 가하게 되면 그 물질 내부에는 응력이 발생하고 동시에 변위도 발생 하게 된다. 응력의 형태와 크기는 외력이 작용하는 형태와 크기에 따라 달라지고 변위의 크기는 그 물질의 성질에 따라 달라지게 된다. 모든 물질은 이렇게 외력에 대해서 거동하며 변형과 파괴에 저항하는 능력을 가지고 있는데 이의 최대저항능력을 그 물질의 강도 라고 부르고 형태에 따라 압축, 인장, 전단 등에 대한 고유 값으로 나타낸다. 자연지 반에는 오랜 세월을 통해 거쳐오며 자체의 응력을 보유하고 있는 것을 초기응력이라 고 부른다. 초기응력은 그 지반응력이력(Strees History)에 의존하게 되는데 편의상 수직응력과 수평응력으로 구분하여 취급하게 된다. 이들의 크기에 있어서는 수직응력이 수평응력보다 크기도하고 이와 반대가 되기도 하며 경우에 따라서는 최대응력이 수직도 수평도 아닌 경우도 발생하게 된다. 시공대 상이 되는 자연지반은 이러한 초기응력의 다양성에도 불구하고 그 응력 하에서 안정 된 상태를 유지하고 있다. 즉 자연지반이 가지고 있는 응력상태는 그 지반의 고유저 항값(강도) 이하에서 평행상태를 유지하고 있음을 의미한다. 이러한 자연지반에 터널을 굴착하게 되면 원래의 지반응력상태가 변하게 된다. 이렇 게 변화된 응력과 지반강도와의 관계에서 터널이 안정상태를 유지하기 위해서는 지보 재를 필요로 하거나 그렇지 않은 경우도 발생하게 된다. 이와 같이, 터널설계에서는 지반이 발휘할 수 있는 공학적인 능력을 평가하는 방법 에 따라 지반을 두 가지의 극단적인 상태로 분류할 수 있다.

 

첫째는 지반을 자체 지보능력이 없는 것으로 간주하거나 적극적으로 이를 활용하고 자 하지 않는 경우이고,

둘째는 지반자체가 보유하고 있는 지보능력을 최대한 활용하 고자 하는 경우이다. 전자의 경우는 터널굴착으로 인해 발생하는 모든 하중을 신설되 는 터널의 지보재로 하여금 지지하도록 한다. 이 경우 하중의 크기는 지반조건과 터 널의 형상과 심도 등에 따라 달라지게 된다. 다시 말하면 지반의 이완하중 발생을 방 지하려 하거나 지반자체의 지보능력을 적극 활용하고자 하는데 관심을 두지 않는 이 른바 재래식 터널공법이다. 반면, 후자의 경우는 지반이 원래 가지고 있는 지보능력이 적게 손상되도록 굴착하고 동시에 지반이완 등을 적극 방지하여 지반자체의 지보능력 을 적극적으로 활용하여 경제적인 지보재 만으로도 터널의 안정상태를 유지시키는 터 널공법이다.

 

1.2 지반의 지보능력을 활용한 터널공법

지반의 지보능력을 활용한 터널공법은 숏크리트, 강지보재 및 록볼트로 구성된 가축 성지보재(이하 지보재)를 활용하여 터널굴착면 주변의 지반 내부에 지반아치를 형성 하여 이 아치로 하여금 터널의 공동을 안정되게 유지하는 지보기능을 발휘하도록 한 다. 즉, 지반자체가 터널을 형성하는 주된 역할을 수행하도록 적절한 지보부재를 적정한 시기에 설치하도록 하는 노력을 필요로 하는 공법이다. 지반의 지보능력을 활용하 기 위해서는 터널 내부로의 변위가 발생하도록 허용되어야 하되 변위는 굴착면 주변 지반의 강도를 상실시키지 않는 범위 이내가 되도록 하여야 한다. 또한 지반변위는 지반의 특성과 지보재의 설치시기 및 강성에 의해 좌우되기 때문에 지반의 실제 거동 을 관찰해 가면서 신축성 있게 시공하도록 설계되지 않으면 안된다. 굴착 후 굴착면 주위 지반의 응력을 시간에 따라 계속 변화한다는 점과 실제 지반이 설계단계의 지반과 상이한 경우가 많다는 점을 감안할 때 이 공법은 시간성과 지반변 화에 대한 합리적인 대응성을 그 골격으로 하고 있음을 알 수 있다. 즉, 지보재와 지 반과의 상관관계의 문제이다. 강지보재, 숏크리트 및 록볼트 등으로 구성된 주지보재(Primary Support)만으로 안 정성이 확보된 터널에 설치되는 콘크리트라이닝은 터널의 수명기간 동안 구조물로서 의 기능유지, 미관유지, 터널내의 시설물 보호 등의 역할을 담당한다. 그러나 주지보 재 재료의 안정이 확보된 터널이라고 할지라도 시간이 경과하면서 원지반 특성이 저 하되거나 지보재 재료의 약화 등에 의해 주지보재의 지보능력이 저하된다면 지반은 다시 평행상태를 잃게 되어 콘크리트라이닝에 하중이 전이될 수 있다. 이 경우에는 콘크리트라이닝이 이 하중을 안전하게 지탱할 수 있도록 하여야 한다.

 

 

2. 설계방법의 선정 및 수행방향

2.1 설계방법의 선정

(1) 지반의 거동 특성과 지보재의 지보력이 상호 연합하여 터널의 안정성이 구조물의 수 명기간동안 유지될 수 있도록 하는 설계방법을 선정하여야 한다. 이 경우 지반의 거 동특성상 지보능력 활용이 불가능할 경우에는 지반보강을 실시하거나 지보재로 하여 금 지반을 모두 지지하도록 하는 방법을 채택할 수 있다. 경우에 따라서는 쉴드, 메 서쉴드, 동결공법 또는 압기공법 등을 채택할 수 있다. 이 경우는 모두 지반이 지보 부재 설치기간 동안의 자립성을 유지할 수 없는 경우에 해당된다.

(2) 설계방법 선정시에는 유사조건에서의 시공실적을 적극 참조하여야 한다. 설계 당시 의 유사조건 실적적용 기준이 되는 것은 조사된 지반조건의 분류가 된다.

(3) 지반의 등급이 분류되면 해당 지반 등급에 적용할 표준적인 지보패턴과 굴착방법을 정하여야 한다. 이 경우 전술한｢ (2)｣의 유사지반조건에서의 시공실적은 물론 RMR방 법 및 Q-시스템에서 제안한 지보패턴을 참조하여 지보패턴을 정할 수 있다. 단, Q 시스템에서 제안한 방법을 사용하여 섬유보강이 없는 일반 숏크리트의 두께를 정하 고자 할 경우에는 섬유보강 유무에 따른 숏크리트의 특성을 감안하여 그 두께를 결 정하여야 한다.

(4) 일단 지보패턴 및 굴착방법과 순서가 선정되면 이에 대한 적합성을 해석적인 방법으 로 검증하여야 한다. 이 때 주의하여야 하는 중요사항으로 해석적인 검증과정에는 경계조건, 적용 입력치, 해석기법상의 제한이 있으므로 해석결과에 너무 집착하여 설 계를 확정하지 않도록 하여야 한다는 것이다. 터널설계에서는 교과서적이 아닌 실제 적인 경험 기술이 중요한 요소가 됨을 잊어서는 안된다.

(5) 터널설계에는 불확실한 제반요소가 많이 있다는 점을 간과해서는 안된다. 따라서 다 소 보수적이면서도 경제성을 추구하는 지보패턴을 채택하되 동일한 지반조건에 대해 서도 시공순서에 따라 지보패턴의 적합성이 달라질 수 있음을 주지하여야 한다.

 

2.2 터널설계의 목표

터널의 설계에서는 조사결과를 바탕으로 다음 사항들을 추구하도록 하여야 한다.

(1) 안정성 : 시공시는 물론이고 완공후에도 터널의 수명기간동안 안정한 구조물로서 기 능을 발휘할 수 있도록 설계하여야 한다. 특히 토사지반의 얕은 터널 또는 상부지반 이나 터널 인근지역에 개발이 예상되는 경우에는 이에 대한 영향을 미리 설계에 반 영하도록 하는 것이 바람직하다.

(2) 시공성 : 아무리 좋아보이는 계획이라고 할지라도 시공성이 고려되지 않았다면 결코 좋은 설계가 될 수 없다. 시공성에서는 현장의 조건은 물론 기술수준까지 감안하여 평가하여야 한다. 즉, 제공될 수 있는 기술력으로 수행이 가능한 설계가 되도록 하여 야 한다. (3) 경제성 : 불확실한 설계일수록 비경제성을 내포하기 쉬우므로 현장의 실제 지반조건 과 계측결과를 적극 활용하도록 함으로써 경제성을 도모할 수 있도록 설계하여야 한 다. 특히 과도한 경쟁에 의한 비경제적인 설계가 되지 않도록 주의하여야 한다.

(4) 내구성 : 주변의 환경 등을 면밀히 분석하여 터널의 수명기간동안 구조물의 내구성이 유지되도록 하여야 한다. 이 경우에는 지하수 영향 등도 고려하여야 한다.

(5) 유지관리의 효율성 : 터널의 구조물은 구조물 수명기간동안 유지관리가 쉬운 구조물 이 되도록 설계하여야 한다. 배수형 터널의 경우에는 장기간 동안에도 배수계통의 기능이 유지될 수 있도록 설계하여야 한다.

 

2.3 설계의 수행방향

(1) 터널의 설계시에 시행되는 지반조사는 지형조건의 제약으로 인해 조사가 어려운 경 우가 많기 때문에 실제 시공시의 지반조건이 설계당시 예측한 조건과 상이하게 되는 경우가 자주 발생하게 된다. 이러한 경우가 발생할 것을 고려하여 시공법 및 지보방 법 등을 변경할 수 있도록 계획하여 두지 않으면 시공시에 어려움을 겪게 된다. 특 히 설계시에 적용된 제반자료와 분석결과 및 예측사항을 제시하여 실제 시공조건의 판단자료가 되도록 하여야 현장조건의 적합한 방법으로의 변경이 용이하게 된다. 즉, 터널의 설계는 다른 구조물의 설계와는 달리 확정설계 개념보다는 현장조건에 따라 변경될 수 있음을 염두에 두고 실시되어야 한다. 그러나 변경사항을 내포하고 있기 때문에 근거 없이 불합리한 설계를 추구하여도 된 다는 것은 결코 아니다. 조사결과에 충실하여 최적안을 도출해 낸다 할지라도 현장 지반변화의 다양성과 조사의 제한성에 따른 불가피한 변경이 대두될 수 있다는 점이 설계내용에 고려되어야 한다는 것이다.

(2) 현재 국내에서는 굴착터널의 대부분이 NATM 개념의 터널공법이기 때문에 터널주 변의 지반이 터널을 형성하는 주된 역할을 수행하게 된다. 따라서 터널 설계시에는 터널 주변지반이 원래 보유하고 있는 지보능력을 손상시키지 않는 굴착방법을 적용 하여야 하고 지반자체의 지보능력이 최대로 발휘될 수 있는 터널의 단면형상, 굴착 공법 및 방법, 지보재 및 시공순서 등을 선정하여야 한다. 특히 원지반의 지보력이 손상되거나 여굴이 발생할 경우에는 그 대책을 제시하여야 한다. 지반은 굴착 후 시 간경과에 따라 특성이 변화하기 때문에 자칫 시간을 놓치게 되면 터널이 불안정하게 되거나 아주 비경제적으로 지보재를 시공하게 된다. 적기에 적절한 지보재가 시공되 도록 설계하여야 한다.

(3) NATM 개념의 터널공법으로 터널을 구축하게 되면 터널 주변의 지반을 보호해 주 도록 하여야 한다. 이 경우에 대한 특별시방을 작성하는 것이 바람직하며 터널굴착 이 주변시설물에 미치는 영향도 철저히 분석하여 이에 대한 합리적인 대안을 제시하 여야 한다. (4) 터널설계에는 공사 중은 물론 운용시에 대한 환기, 조명, 방재시설 등도 고려하여 이 들의 역할이 잘 발휘될 수 있도록 설계하여야 한다.

 

 

3. 설계의 기본요건

(1) 터널설계에 포함되어야 할 사항은 다음과 같다.

① 평면 및종단선형

② 굴착대상지반의 분석 및 분류

③ 터널단면의 형상

④ 굴착공법 및 방법(종방향 시공법 포함)

⑤ 지보패턴 선정

⑥ 각종 지보재의 규격 및 시공순서

⑦ 필요한 보조공법

⑧ 방수 및배수방법

⑨ 동결방지대책

⑩ 콘크리트라이닝의 타설시기 검토 및 시공

⑪ 계측계획 및 수행방법

⑫ 각종 부대시설

⑬ 터널시공에 따른 환경영향분석

⑭ 공사시방서

⑮ 시공계획

설계내역서

⑰ 기타 유지관리에 필요한 사항

 

(2) 신선한 암반을 통과하는 터널의 경우 콘크리트라이닝 역할을 분석하여 경우에 따라 콘크리트라이닝을 생략할 수 있으나 이 경우 전차선과 같은 설비의 지지 필요성 등 콘크리트라이닝의 여러 기능들을 면밀히 검토하여 발주자와 협의하여야 하며 국내의 제반기술 환경여건도 감안하여야 한다.

(3) 설계에는 시공시의 제반여건이 설계당시의 조건과 상이함으로부터 비롯될 수 있는 문제점에 대한 조치사항을 제시하여야 하며 설계내용의 변경사항을 포함하여야 한 다.

 

설계내용의 변경사항

주 요 항목	주 요 내용
지반의 재분류	ㆍ적용지반의분류
설계단면의 변경	ㆍ지보재 ㆍ변형 여유량 ㆍ단면형상
적용지보패턴의 변경	ㆍ숏크리트 두께 ㆍ숏크리트의 재질 ㆍ록볼트의 길이, 본수 ㆍ강지보재 설치간격 및 규격
굴착방법의 변경	ㆍ벤치컷 공법(코어(Core)남김,링컷 포함) ㆍ선진도갱공법 ㆍ기타 굴착단면 분할
보조공법 도입	ㆍ굴진면 안정화 대책 ㆍ지반보강 대책 ㆍ용출수 대책 ㆍ지표면 침하 대책 ㆍ근접 구조물 대책
단면의 폐합	ㆍ인버트 콘크리트 타설(조기 시공) ㆍ인버트 숏크리트 타설(가폐합) ㆍ콘크리트 라이닝 강성 증대 ㆍ이중 라이닝(임시 라이닝)
터널공법 변경	ㆍ개착터널공법으로 전환 ㆍ토공구간으로 전환
기타	ㆍ상기내용 외에 시공 시 제반 여건이 설계 시의 조건 과 상이하여 변경이 요구되는 사항

 

출처-국가철도공단-KRC-12010