Tunnel and Underground Space. December 2018. 620-634
https://doi.org/10.7474/TUS.2018.28.6.620


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 지반조건

  • 3. 터널단면과 보강설계

  • 4. 강관압입과 터널시공

  • 5. 계측계획

  • 6. 계측결과 분석

  •   6.1 분석방법과 절차

  •   6.2 계측치의 특성

  • 7. 결 론

1. 서 론

서울외곽순환고속도로를 횡단하여 터널을 시공하였다. Fig. 1은 터널위치와 평면상 노선을 보인 것이다. 터널은 육교와 상하로 평행한 방향이다. 터널의 폭은 약 21 m, 높이는 약 13 m, 도로를 횡단한 길이는 약 64 m이다. 도로면에서 터널천단까지의 깊이는 약 7.5 m이다(서울특별시도시기반시설본부, 2014b). 지반상태는 토사 또는 풍화토로 강도가 낮아 지반의 자체내력으로 터널구조물을 지지하는 것이 어렵다. 또 지상 도로에는 많은 차량이 통행하기 때문에 시공 중 안전관리도 중요하였다. 따라서 지반의 강도가 약하고 지면으로부터 터널천단까지의 깊이가 매우 얕고 터널의 폭은 넓기 때문에 터널을 안전하게 시공하기 위해서는 특별한 공법이 필요하였다.

터널의 크기와 지반의 상태 및 지상도로의 안전을 고려할 때 역학적으로 안정된 터널을 시공하기 위하여 터널굴착 전에 지반을 보강하는 것이 필요하였다. 터널굴착 전에 지반을 선보강하는 여러 공법이 알려져 있으나 본 현장에서는 NTR(New Tubular Roof)공법으로 보강하였다. NTR공법은 터널을 굴착하기 전 터널주변 지반에 여러 개의 강관을 중굴압입하고 인접한 강관을 횡방향으로 굴착 연결 한 후 강관 내부와 연결부 공간을 철근콘크리트로 채워 라이닝을 구축한 다음 라이닝 내부의 지반을 굴착함으로써 터널을 완공하는 방법이다. 즉 NTR공법은 굴착 할 터널주변의 지반 중에 콘크리트 라이닝을 터널 굴착 전 미리 시공하여 구조체를 만든 후 그 내부를 굴착하여 터널을 시공하는 방법이다.

본 터널을 시공하기 위해 적용한 NTR공법은 터널주변을 따라 직경 약 2.3 m의 강관을 13개 압입하였다. 강관을 압입하는 과정은 지반을 굴착하는 작업을 포함하므로 토피가 얕은 지반에 직경 2.3 m의 터널을 13개 굴착하는 것과 같은 효과가 나타난다. 강관을 압입할 때마다 강관 주변 지반에서 변형이 반복 발생하고 중첩된 변형에 의하여 지상도로면의 침하도 증가하게 된다. 도로면의 침하가 과다하면 차량의 통행도 불편하거나 제한 받을 수 있다.

터널 시공 중 발생하는 침하로 부터 도로면을 보호하기 위한 방안으로 허용할 수 있는 최대침하량을 설정하였다. 지상구조물을 보호하기 위한 허용침하를 결정하는 여러 방법이 있을 것이나 본 현장에서는 도로를 관리하는 담당자의 요구에 따라 최대침하량을 15 mm를 터널 시공 중 관리기준으로 적용하였고 이 기준을 지키기 위하여 NTR강관을 압입하기 전에 터널주변 지반을 강관다단그라우팅으로 먼저 보강하였다.

따라서 강관압입 중 발생하는 도로면 침하를 계측하여 굴착에 따른 도로의 안전 여부를 확인하여야 하였다. 또 여러 개의 강관을 단계별로 반복 압입하고 인접한 강관사이를 굴착 연결하는 작업 중에도 도로면 침하가 지속적으로 누적 발생한다. 강관압입 후 지중 콘크리트 라이닝을 지중에 만들고 그 내부를 굴착하여 터널을 형성할 때에도 도로면 침하가 추가된다. 도로면 침하는 지표침하와 같이 지표침하핀을 설치하여 계측하는 것이 일반적이다. 그런데 본 현장의 도로는 도시고속도로로 차량이 쉴 새 없이 통행하므로 도로면에 지표침하핀을 분산 설치하는 작업도 어렵고 장기간 측정하는 일도 계측기술자의 작업안전에 큰 위험이 있다. 그러므로 지상에서 계측하는 작업을 최소화하기 위하여 굴착할 터널의 천단부 직상부 지중에 수평방향의 경사계를 강관압입을 시작하기 전에 미리 설치하고 강관압입과 터널 굴착 중에 발생하는 지중침하를 자동 계측하였다. 지중수평경사계를 이용하여 지상 도로면에서 위험하고 불편한 계측작업을 피할 수 있고 강관압입 등 터널시공과 계측작업의 간섭지연 영향도 없앨 수 있었다. 설치한 지중수평경사계의 길이는 터널구간 전길이 64 m와 같도록 하였고 침하 감지핀의 간격은 1 m로 비교적 촘촘하게하여 계측의 정확도를 높였다.

터널시공을 위하여 13개의 강관을 압입하고 최종적으로 터널도 굴착하는데 도로면의 침하는 압입되는 강관의 지중심도와 위치에 따라 침하형상과 침하량이 달라진다. 즉 서로 다른 지중위치에서 강관을 압입하는 굴착 작업이 반복되므로 침하형상도 중첩되면서 복잡해지고 침하량도 변할 것이다.

본 연구에서는 서로 다른 심도와 위치에서 터널을 굴착할 때 발생하는 도로면의 누적침하형상과 침하량의 변화를 분석하였다. 또 강관압입 후 형성한 라이닝 내부의 터널을 굴착할 때 발생하는 침하가 추가될 때의 침하형상과 침하량도 분석하였다. 또 압입한 강관의 개수에 따라 또 강관의 심도에 따라 증가하는 침하량도 분석하였다.

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Fig. 1.

Site location and plan of tunnel

2. 지반조건

본 터널구간의 대부분에는 호상편마암이 분포하고 있으며 국부적으로 운모편암이 분포하기도 한다(서울특별시도시기반시설본부, 2014a). 시추로 채취한 암심의 단축압축강도는 56~125 MPa, 탄성계수는 2,333~78,082 MPa, 포아송비는 0.2~0.38이다. 시추공재하시험으로 측정한 지반의 변형계수는 풍화암에서 671~964 MPa, 연암에서 895~2,909 MPa이다. 또 공내전단시험으로 측정한 지반의 강도는 점착력이 30.7~33.3 kPa, 내부마찰각 33~34도이다. 시추공을 이용하여 다운홀방법으로 측정한 지반내 탄성파통과속도는 풍화암에서 P파는 1,969 m/sec, S파는 843 m/sec이었고 연암에서 P파는 2,480 m/sec, S파는 1,173 m/sec이다. 암반의 투수계수는 3.6 × 10-5~8.0×10-5 cm/sec이다.

Fig. 2는 강관을 압입하기 위하여 강관 내에서 굴착하면서 나타난 지반상태를 보인 것이다. 강관은 압입위치에 따라 7단계로 나누어 13개를 시공하였는데 터널천단부에 압입한 단계 1의 강관 내 지질상태 및 3단계 또 마지막 단계로 터널의 측벽하단부 심도인 7단계에 시공한 강관 내의 지질상태를 보인 것이다. 터널천단부의 지반상태는 풍화가 심한 편마암이고 터널하단으로 깊어질수록 풍화도는 낮아지고 강도는 커져 발파로 굴착하였다.

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Fig. 2.

Geological condition shown inside pipes

3. 터널단면과 보강설계

고속도로하부를 횡단하는 터널의 폭은 약 21 m, 높이는 약 13 m, 도로면에서 터널천단까지의 깊이는 약 7.5 m이다. Fig. 3은 터널단면과 보강설계도이다. 토피가 얕고 지상은 차량통행이 많은 고속도로이므로 터널의 역학적 안정을 유지하는 것이 중요하였다. 특히 터널시공 중 안정을 확보하는 것이 더 중요한데 토피에 비하여 터널의 폭이 넓어 터널 굴착 전에 터널주변을 보강하는 보조공법이 필요하였다. 본 터널에 적용한 보조공법은 NTR공법으로 터널굴착선에는 13개의 강관압입한 후 강관측부를 관통하여 인접 강관과 연결하고 철근콘크리트를 시공한다. 강관의 직경은 2.3 m이고 강판의 두께는 18 mm이다. 인접 강관 사이 연결부의 거리는 약 0.4~0.8 m이다. NTR공법으로 터널을 미리 보강하고 역학적인 안정성을 높이더라도 도로면의 침하를 최소화하기 위하여 터널천정부에 압입할 강관들과 도로면 사이의 지반은 대구경강관 다단그라우팅으로 보강하였다. 대구경강관의 직경은 114 mm, 설치간격은 0.8 m로 터널시점과 종점에서 25씩 터널종단방향으로 시공하였다. 고속도로 위를 횡단하는 육교의 안전을 위하여 육교의 기초부분도 소구경강관 그라우팅으로 보강하였다.

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Fig. 3.

Cross section and reinforcements around tunnel

4. 강관압입과 터널시공

NTR시공의 시작은 개착으로 시공한 지반벽면에서 강관압입 방향으로 약 1 m굴진하고 강관을 압입한다. 강관을 압입할 때는 유압잭으로 강관을 밀어 넣었다. 강관의 선단이 전방 굴진면에 닿으면 압입작업을 멈추고 강관 전방을 다시 굴착한다. 강관 내에서의 굴착작업은 주로 브레이커을 사용하여 파쇄하였으나 암반이 강할 때는 발파하기도 하였다. 강관의 길이는 3 m이었으므로 굴진과 압입작업은 3 m 굴착할 때마다 교대로 반복하여 시공하였다. Fig. 4(a)는 굴착 후 강관을 압입한 것이고 Fig. 4(b)는 유압잭으로 강관을 압입하는 작업을 보인 것이다. 터널의 시점에서 압입하기 시작한 강관이 터널 종점에 도달한 후에는 강관의 측부를 뚫어 인접한 강관과 굴착 연결하고 강관과 강관 사이에 철판을 용접한 후 강봉의 토압지지대를 기둥으로 설치하여 강관들 사이에 노출된 지반을 지지하였다. Fig. 4(c)는 강관과 강관사이를 굴착 연결하는 과정을 보인 것이고 여기서 강관측부 개구작업은 종방향으로 격간격으로 시공하여 결과적으로 두 단계로 나누어 시공하였다. Fig. 5는 강관을 압입한 위치와 순서를 보인 것이다.

이와 같이 완공될 터널의 외곽경계선을 따라 강관으로 내부가 보강된 작은 터널을 13개 굴착하고 강관끼리 횡단방향으로 연결한 후 그 내부를 콘크리트로 채워 라이닝을 시공하여 터널주변을 미리 보강한 것이다. 다음 작업으로 지중라이닝으로 선보강된 터널내부를 굴착하고 종방향으로 보강된 강관을 강지보로 받쳐 지지한다. 강관으로 둘러싸인 터널 내부는 상부와 하부로 나누어 굴착하였다.

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Fig. 4.

Sequential steel pipe jacking process

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Fig. 5.

Sequences of jacking steel pipes

5. 계측계획

서울외곽고속도로는 차량이 많이 통행하는 곳이므로 횡단하는 터널 직상부의 도로면 상에 지표침하핀을 설치하기도 계측하기도 어렵다. 따라서 지표침하핀은 평면상 터널이 횡단하는 도로의 양측 노견에만 각각 5개씩 설치하였다. 터널 시공 중 차량이 통행하는 도로의 안전을 확인하기 위하여 도로면의 침하를 계측하여야 하는데 지표침하핀을 대체할 계측방법이 필요하였다. 이를 위하여 지중에 경사계를 수평으로 설치하고 연직방향의 침하를 계측하였다. 지중수평경사계는 지하철 9호선에서도 사용한 사례가 있다(Kim, 2013a) 지중수평경사계를 터널시점에서 종점까지 약 65 m 구간에 설치하였다. 지중수평경사계를 설치하기 위해서는 수평으로 천공을 해야 하는데 길이 65 m의 시추공을 처짐이나 휘어짐 없이 수평을 천공할 수 없었다. 따라서 천공구간을 2개로 나누어 터널시점부에서 종점방향을 향하여 36 m를, 터널종점방향에서 시점방향을 향하여 33 m를 천공하고 2개의 수평경사계를 삽입 설치하였다. 지중수평경사계에서 침하를 감지하는 측점은 1 m 간격으로 설치하여 침하를 정밀하게 측정하였다. 지중침하계는 1단계에서 압입할 강관의 꼭지점에서 약 1.5 m 위에 설치하였다. Fig. 6은 계측기를 배치한 평면도이다. C로 표시한 삼각형은 지표침하핀을 나타내고 C3와 C8을 연결한 A선은 지중수평경사계를 표시한 것이다.

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Fig. 6.

Plan for measurement of road settlement

6. 계측결과 분석

6.1 분석방법과 절차

지표침하핀과 지중수평경사계는 대구경 강관다단그라우팅으로 도로면과 터널 사이의 지반을 보강한 후 또 강관을 압입을 시작하기 전에 미리 설치하여 강관압입과 터널 굴착 중 발생하는 지반의 총침하를 측정할 수 있도록 하였다. 강관압입과 터널 시공 중 측정한 지표침하값과 지중침하값을 모두 종합하여 3차원으로 최적화한 도로면의 침하를 계산하고 강관압입 단계와 터널굴착 단계별로 도로면 침하량과 침하형태를 분석하였다.

지표침하와 보정한 지중침하(Kim, 2013a) 등을 종합하여 3차원으로 최적화에 이용한 식은 다음과 같고 이를 Matlab(Matworks, 2016)으로 코딩하였다. 최적화에 적용한 방법은 Levenberg-Marquardt함수이었다. 아래의 식 (1)~(3)은 임의점(x, y, z)에서 침하와 수평변위를 표시한 것이고 x는 터널종단방향, y는 터널횡단방향, z는 터널중심에서 상향의 좌표를 표시한 것이다. S는 침하를, Hx는 터널종단방향의 수평변위, Hy는 터널횡단방향의 수평변위를 나타낸 것이다. 또 i는 침하곡선에서의 변곡점의 위치를 나타낸 것이고 Vs는 터널 단위길이당 횡단면 침하체적을, K는 침하폭 매개변수를, Xs, Xf는 각각 터널시점위치와 막장위치를, 식 (5)는 오차함수(error function)를 나타낸 것이다(New and Bowers,1994; Kim, 2013b; Kim, 2015).

$$S=\frac{V_s}{2Kz\sqrt[{}]{2\mathrm\pi}}exp\;\left(-\frac{y^2}{2K^2z^2}\right)\;\left[erf\;\left(\frac{x-X_f}{Kz\sqrt[{}]2}\right)-erf\;\left(\frac{x-X_s}{Kz\sqrt[{}]2}\right)\;\right]$$ (1)
$$Hx=\frac{V_s}{2\mathrm{πz}}\left[exp\;\left(-\frac{(x-X_s)^2+y^2}{2K^2z^2}\right)-\exp\;\left(-\frac{(x-X_f)^2+y^2}{2K^2z^2}\right)\right]$$ (2)
$$Hy=\frac{yS}z$$ (3)
$$i=Kz$$ (4)
$$erf(z)=\frac2{\sqrt{\mathrm\pi}}\int_0^ze^{-t^2}\;dt$$ (5)

강관의 압입이나 터널굴착에 따라 발생한 지반침하를 측정한 후 이를 최적화하여 3차원 침하면으로 분석하기 위하여 다음과 같은 과정을 적용하였다. 임의 단계의 강관압입이 종료되면 그 단계에 최적화한 침하를 계산하고 다음 단계의 강관압입 중 발생한 침하는 이전 단계에서 발생한 침하를 제외한 침하증분에 대하여 최적화 침하를 계산하였다. 최적화의 시작과정을 예로 들면 1단계 강관 압입작업이 종료되었을 때 측정한 침하로 1단계 강관압입에 의한 최적화를 마감한다. 이어서 다음 2단계 강관 압입작업이 종료되었을 때 측정한 침하는 1단계 강관압입 중 발생한 침하를 포함한 누적침하이므로 이 누적침하에서 1단계 강관압입에 따른 침하를 제거한 침하증분을 가지고 2단계 강관압입에 의한 침하를 최적화한 것이다. 같은 방법으로 각 단계의 강관압입 중 발생한 침하증분을 최적화하여 해당 단계의 강관압입 중 발생한 침하를 계산하였고 이를 누적하여 최적화된 최종침하를 구하였다.

6.2 계측치의 특성

도로면 침하를 Fig. 7과 같이 3차원으로 최적화하였다. 계측결과를 정밀하게 분석하기 위하여 터널시점에서 종점방향으로 0 m, 20 m, 40 m, 60 m 떨어진 횡단면상에서 침하곡선을 3차원 침하면으로 부터 추출하였으나 본 연구에서는 20 m 떨어진 터널 횡단면상의 침하를 각 시공단계별로 비교・분석하였다.

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Fig. 7.

Three dimensional subsidence surface

Fig. 8은 터널시점에서 20 m떨어진 횡단면상에서의 침하곡선으로 단계별로 강관을 압입할 때 발생한 침하증분과 이를 누적한 총침하를 보인 것이다. 단계별로 압입한 강관의 위치는 Fig. 5와 같다. 첫 번째 강관은 도로면으로 부터 심도 약 7.5 m에 압입하였고 이때 발생한 최대침하는 0.1 mm 이하였다. 도로면 침하형상은 터널의 횡단 중심축에 대하여 좌우 대칭의 모양을 보였다. 두 번째 단계로 첫 번째 단계에 압입한 강관의 좌우 양측에 순간격 약 0.8 m의 거리를 두고 강관을 압입하였다. 2단계에 추가된 2개의 강관압입에 의해 약 0.2~0.6 mm의 최대침하가 추가로 발생하였고 2개 강관에 의한 상호중첩과 1단계 강관압입 때 발생한 침하가 누적되면서 총침하곡선에 2개의 극소점이 나타났다. 2단계 강관 압입 후 터널횡단 상 대칭축에서의 침하는 약 0.7 mm이었다. 최대침하는 2단계에 압입한 강관 부근의 극소점에서 발생하였고 약 0.9 mm이었다. 이어서 3단계로 2개의 강관을 압입함에 따라 터널횡단상 약 0.9~1.6 mm의 추가침하가 발생하여 누적침하 중 최대는 약 2.3~2.9 mm로 증가하였고 2단계 강관압입 후와 같이 총침하곡선에는 2개의 극소점이 보인다. 4단계와 5단계 강관압입에 의해 터널횡단상 최대 약 2.2 mm의 추가침하가 각각 발생하여 최대침하는 각각 약 4.8 mm, 6.8 mm로 증가하였고 3단계와 같이 침하곡선은 2개의 극소점을 보였다. 일곱 단계 강관압입 중 4단계와 5단계 강관압입 때 추가된 침하량이 가장 컸다. 6단계 강관압입에 의해 터널횡단상 최대 약 0.5~0.55 mm의 추가침하가 발생하여 최대침하는 약 7.1~7.6 mm로 증가하였고 총침하곡선에는 극소점도 2개 보였다. 강관압입의 마지막 단계인 7단계에 침하가 약 0.1 mm 증가하여 최대침하는 약 7.2~7.7 mm로 6단계보다 약간 더 커지고 극소점도 유사하였다. 7단계까지 13개의 강관을 압입한 후 횡단면상에서 강관을 모두 연결하고 지중라이닝을 시공하였다. 8단계로 라이닝 내부 중 상반을 굴착하였는데 이 때 발생한 침하증분은 약 3.6 mm이고 최대침하는 약 9.8 mm이었다. 이어 9단계로 라이닝 내부 하반을 굴착할 때 약 0.67 mm까지 침하가 증가하였고 최대침하는 약 11.8 mm가 되었다. 지중라이닝 내부인 터널을 굴착하면서 강관압입 중 나타났던 침하곡선 상에 극소점들이 있으나 두 극소값의 침하 차이는 크지 않았다.

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Fig. 8.

Cross sectional subsidence curve after sequence of pipe jackings and tunnel excavations

Fig. 9는 터널 종단면상에서의 침하곡선으로 강관을 모두 압입한 7단계와 터널하반을 굴착한 후의 결과를 보인 것이다. Fig. 9(a)는 7단계 강관압입까지의 터널종단면상의 침하는 터널 길이방향의 중앙을 중심으로 터널시점 방향과 종점방향으로 대칭적이었다. 그러나 Fig. 9(b)와 같이 터널굴착 단계에서는 터널의 시점과 종점 양쪽에서 터널중앙 방향으로 굴진하는 과정에서 양방향의 굴진속도가 비대칭이었기 때문에 종단면상에서의 침하곡선도 비대칭으로 나타났다.

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Fig. 9.

Longitudinal subsidence curve after stage 7 of pipe jacking and stage 9 of tunnel excavation

다음으로 강관압입과 터널시공 단계별, 단계별로 압입한 강관사이의 거리 또 압입한 강관의 최저심도와 압입강관 사이의 거리 비에 따라 변하는 최대침하와 최대침하증가량의 관계를 분석하였다. Fig. 10은 Fig. 8을 다시 정리한 것으로 강관압입 7개 단계와 단계 8인 터널상반 및 단계 9인 터널하반 굴착 중 발생한 도로면의 총침하(s)와 각 단계에서의 최대침하증분(△s)을 요약하여 보인 것이다. 강관압입과 터널굴착이 진행됨에 따라 도로면의 침하는 지속적으로 증가하여 강관압입을 끝냈을 때 총침하는 약 7.7 mm이었고 터널을 완성하였을 때의 최종침하는 약 11.8 mm이었다. 각 시공단계에서 극소점으로 나타나는 침하위치가 시공단계마다 서로 다르기 때문에 총침하량은 각 시공단계에서 발생한 최대침하량을 합한 것과는 차이가 있었다. 강관압입과 터널시공에 따라 침하증가량도 변하였다. 시공단계에 따라 변화한 침하증분은 5단계 강관압입 때 까지는 커지다가 6, 7단계에서는 작아졌으나 터널상반을 굴착하는 단계 때 가장 컸고 터널하반을 굴착할 때는 다시 작아졌다. 강관시공 중 5~7단계는 터널의 측벽부에 압입된 것 들이다. 터널측벽부는 터널의 폭이 가장 넓어졌다가 다시 약간 좁아지는 구간으로 이 부분에 압입된 강관들은 거의 동일한 연직선 상에 배열되어 있다. 1단계에서는 강관을 한 개 압입하나 이후 2~7단계에는 강관을 두 개씩 압입하였다. 강관을 두개씩 압입하는 경우에 두 강관은 동일한 심도에서 수평방향으로 일정거리 이격되어 있고 2단계에서 6단계까지 시공함에 두 강관사이의 이격거리는 점점 늘어났다.

터널을 굴착하는 단계인 8 단계와 9단계에서 침하가 증가한 것은 굴착영역이 크기 때문이다. 직경 2.3 m의 강관을 압입할 때는 터널에 비하여 굴착 폭이 작으므로 응력교란 영역도 작고 변형도 작으나 터널의 폭 약 19 m는 강관의 직경보다 더 크기 때문에 터널굴착 중에 발생한 응력교란영역도 더 넓으므로 침하도 더 크게 증가하였다. 비록 압입된 강관을 이용하여 굴착될 터널주변을 라이닝으로 미리 보강하였더라도 굴착한 터널의 폭이 넓기 때문에 라이닝에 작용하는 하중도 커지므로 도로면 침하증가율도 커지고 침하도 크게 발생하였다.

따라서 동일한 계측자료이나 관점을 바꾸어 동일 단계에 압입한 두 강관사이의 거리와 침하증분의 관계를 분석하였다. 즉 강관을 단계별로 압입함에 따라 동일단계에 압입한 두 강관 사이의 수평거리(W)도 증가하는데 이에 따른 침하증분의 변화는 Fig. 11과 같다. 2단계에서 7단계까지 압입한 두 강관 사이의 거리는 순서대로 각각 6.13 m, 11.71 m, 16.24 m, 19.04 m, 20.01 m, 19.04 m이다. 터널 굴착예정선을 따라 강관을 배열하였으므로 강관을 한 개 압입한 1단계를 제외하면 2단계에서 6단계까지 동일 단계에 압입한 두 강관의 수평거리는 점점 멀어졌다. 동일 단계에 압입한 강관의 수평거리가 멀어짐에 따라 5단계까지 압입 배열한 두 강관사이의 거리도 넓어지고 침하증분도 1.6~2.2 mm로 점점 증가하였다. 그러나 6단계에 압입한 두 강관은 5단계에 압입한 강관보다 수평거리가 약 1 m로 증가하였으나 6단계 강관이 5단계 강관의 거의 직하부에 압입되어 5단계에 압입한 강관을 상향으로 떠받치는 역할을 한 결과 6단계 강관 압입 중 발생한 침하증가량은 약 0.55 mm로 직전 단계에서의 증가량 약 2.2 mm 보다 감소하였다. 6단계에 시공한 두 강관의 수평거리는 전체 강관압입 단계 중 최대이고 굴착 할 터널의 최대폭과 같다. 이어진 7단계는 강관압입의 마지막 단계이고 두 강관 사이의 거리는 전 단계인 6단계에 압입한 두 강관의 수평거리 보다 약 1 m 작아졌다. 7단계 강관압입에 의해 발생한 침하증가량은 약 0.1 mm로 전체 강관압입 단계 중 가장 작았다. 압입한 강관의 개수가 증가함에 따라 침하증분이 누적되면서 총침하는 증가하였다. 2단계부터 5단계까지는 동일 단계에 압입한 두 강관사이가 넓어지면서 침하증분이 커지고 6단계와 7단계에서는 침하증분이 작아졌다.

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Fig. 10.

Total and incremental subsidence at stages

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Fig. 11.

Relation between total and incremental subsidence and distance of pipes at the same stage

이어서 동일 단계에 압입한 두 강관사이의 거리 변화(W)와 지표로부터 강관까지의 깊이(d)에 따른 침하증분의 변화를 분석하였다. Fig. 12는 강관깊이(d)와 동일 단계에 압입한 두 강관 사이 거리(W)의 비(d/W)와 침하증분과의 관계를 보인 것이다. Fig. 12에서 d/W가 가장 큰 경우가 강관압입 1단계이고 이로부터 왼쪽으로 강관압입 단계가 커진 경우를 표시하고 있다.

한편 압입된 13개 강관에서 인접 강관 사이의 순간격은 약 0.5~0.8 m이다. 강관을 압입하기 전에 강관내부의 막장을 굴착할 때 선도관의 직경보다 다소 크게 굴착하여야 하고 암반의 절리분포에 따라 피할 수 없는 여굴이 발생하였다. 그 결과 강관을 압입하기 위해 굴착한 직경 2.3 m의 두 터널 사이에 남아있는 암주의 폭은 0.3 m이하로 시공 중 관찰되었다. 터널의 직경에 비하여 암주의 폭이 매우 좁기 때문에 암주는 이완된 상태이고 지지력도 거의 없을 것이다. 그러면 강관을 압입하기 위하여 강관내부를 굴착 할 때마다 이미 압입된 인접 강관주변은 서로 연결된 하나의 굴착공간으로 거동한다. 압입된 강관의 개수가 많아지면 서로 연결된 굴착공간의 폭도 넓어져 6단계에는 최대가 되었다. 그러면 서로 연결된 하나의 굴착공간의 폭은 동일 단계에 압입한 강관의 거리(W)와 동일하고, 최소깊이(d)는 첫 번째 강관의 깊이인 7.5 m가 된다. 즉 각각의 강관직경이 작을지라도 서로 인접하여 강관을 여러 개 압입한 후 횡단면 상에서 인접 강관사이를 굴착하여 서로 연결하면 폭이 넓은 터널과 같은 효과가 나타날 것이다.

Fig. 12에서 강관압입 단계에 따라 인접 강관과 연결된 굴착공간 폭 W가 커짐에 따라 침하증분은 강관압입 4단계 까지 증가하였다. 특히 강관압입 2단계를 지나면서 강관압입 5단계까지 침하증분이 가속적으로 증가하였다. 강관압입 2단계일 때 강관사이의 최대 굴착공간 폭 W는 약 6 m로 지표로부터 터널까지의 깊이 약 7.5 m와 거의 같다. 이 후 굴착공간 폭 W가 더 증가함에 따라, 즉 강관압입 단계가 더 진행됨에 따라, 침하증분은 가속적으로 증가하였다. 굴착공간 폭이 지표로 부터 심도 보다 더 커지면서 침하증분이 가속되었다. 굴착공간의 폭에 비하여 지표로부터 심도가 작아지면서 지표면의 침하는 터널의 천단침하와 같은 수준으로 증가하는 현상으로 지표면 침하증분이 커졌다(김상수, 1992) 그러나 강관압입 6단계와 7단계에서는 침하증분이 감소하였다. 6단계에 압입한 강관은 5단계에 압입된 강관의 하부에 있으면서 강관중심 사이의 수평거리는 약 0.5 m로 큰 차이가 없으므로 연직방향의 침하를 억제하면서 침하증분을 감소시키는 효과로 나타났다. 이어서 압입한 7단계 강관은 6단계의 강관보다 수평거리가 더 작아져 침하억제 효과가 더 크므로 침하증분은 더 감소하였다.

또 강관압입 단계가 1단계에서 7단계로 변하면서 지표에서 강관까지의 깊이가 깊어진다. 서로 떨어져 있는 굴착공간 사이에 상호 응력간섭이 없다면 지표로부터 심도가 가장 작은 1단계 강관압입 중에 발생한 지표침하증분이 심도가 더 깊어지는 이 후의 강관압입 단계에서 보다 더 클 것이다. 그런데 Fig. 12에서는 강관의 압입 심도가 깊어짐에도 침하증분이 가장 저심도인 1단계 강관압입 때 보다 더 큰 것은 이미 압입된 인접 강관주변이 서로 연결된 하나의 굴착공간으로 거동한 것을 보인 것이다. 결과적으로 강관압입에 따른 굴착공간의 폭이 넓어짐에 따라 도로면의 침하증분도 커지고 총침하도 커졌다.

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Fig. 12.

Relation incremental subsidence and depth over width of pipes coverage

7. 결 론

고속도로면으로 부터 심도는 약 7.5 m로 얕으나 너비가 약 21 m로 넓은 터널의 안정성을 확보하고 도로면의 침하를 최소화하기 위하여 NTR(New Tubular Roof)공법을 보조공법으로 이용하였다. NTR 보조공법은 터널 굴착예정선 둘레에 직경 2.3 m의 강관 13개를 종방향으로 압입하고 강관측벽을 횡방향으로 뚫어 서로 연결한 후 강관내부와 연결공간을 콘크리트로 채워 라이닝을 먼저 시공하고 라이닝 내부 지반을 굴착하여 터널을 완성하였다. 그런데 강관을 13개 단계별로 압입하는 과정은 13개의 작은 터널을 굴착하는 것이므로 각각의 강관을 압입할 때 발생하는 도로면 침하와 터널의 상반과 하반을 시공할 때 발생하는 도로면 침하의 특성을 시공단계별로 분석하였다. 결론은 다음과 같다.

1) 보조공법 시공단계에서 직경 2.3 m의 강관을 13개 압입하여 서로 연결하고 그 내부에 라이닝을 시공할 때까지 발생한 도로면 최대침하는 약 7.7 mm이었으나 라이닝 내부인 너비 약 21 m의 터널을 굴착할 때 약 4.2 mm의 추가침하가 발생한 결과 최대 총침하는 약 11.9 mm이었다.

2) 강관 13개는 여러 단계로 나누어 압입하였다. 1단계시공은 도로면에서 약 7.5 m 깊이에 강관 한 개를 압입하고 이 후 7단계까지는 첫 번째 강관을 중심으로 좌우대칭 위치의 터널 굴착예정선을 따라 강관을 두개씩 압입하였다. 서로 이격된 두 개의 강관을 압입할 때 마다 침하곡선에서 두 개의 극소점이 반복하여 나타났으나 극소점 간의 침하 차이는 약 0.5 mm로 작았고 터널을 굴착한 후에는 그 차이가 더 감소하고 좌우대칭의 침하곡선으로 나타났다.

3) 터널굴착 전 지중에서 콘크리트라이닝으로 선 보강하였지만 토피가 얇기 때문에 라이닝 내의 터널을 굴착할 때 추가로 발생한 도로면의 침하가 약 4.1 mm로 시공 중 침하증가율 최대를 보였다. 강관압입 중 침하증가가 가장 크게 발생한 단계는 터널의 폭이 가장 큰 곳에 강관을 압입할 때이고 이때 침하증가량은 약 2 mm이었다.

4) 단계별로 강관을 압입할 때 이미 압입된 인접 강관주변이 서로 연결된 하나의 굴착공간으로 거동하였다. 즉 강관이 서로 연결된 굴착공간이 넓어지면서 침하증분이 증가하였다. 굴착공간의 폭이 강관까지의 심도와 거의 같을 때는 침하증분이 약 0.6 mm이었으나 굴착공간 폭이 심도보다 약 1.5배 커지면서 침하증분은 약 2.2 mm까지 가속되면서 천반터널의 특징을 보였다.

Acknowledgements

본 논문은 우석대학교의 연구지원에 의함.

References

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