공학박사학위 논문 운영 중 터널확대 굴착시 지반거동 특성분석 및 프로텍터 설계 Ground Behavior Analysis and Protector Design during the Enlargement of a Tunnel in Operation 2011년 2월 인하대

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1 저작자표시-비영리-동일조건변경허락 2.0 대한민국 이용자는 아래의 조건을 따르는 경우에 한하여 자유롭게 이 저작물을 복제, 배포, 전송, 전시, 공연 및 방송할 수 있습니다. 이차적 저작물을 작성할 수 있습니다. 다음과 같은 조건을 따라야 합니다: 저작자표시. 귀하는 원저작자를 표시하여야 합니다. 비영리. 귀하는 이 저작물을 영리 목적으로 이용할 수 없습니다. 동일조건변경허락. 귀하가 이 저작물을 개작, 변형 또는 가공했을 경우 에는, 이 저작물과 동일한 이용허락조건하에서만 배포할 수 있습니다. 귀하는, 이 저작물의 재이용이나 배포의 경우, 이 저작물에 적용된 이용허락조건 을 명확하게 나타내어야 합니다. 저작권자로부터 별도의 허가를 받으면 이러한 조건들은 적용되지 않습니다. 저작권법에 따른 이용자의 권리는 위의 내용에 의하여 영향을 받지 않습니다. 이것은 이용허락규약(Legal Code)을 이해하기 쉽게 요약한 것입니다. Disclaimer

2 공학박사학위 논문 운영 중 터널확대 굴착시 지반거동 특성분석 및 프로텍터 설계 Ground Behavior Analysis and Protector Design during the Enlargement of a Tunnel in Operation 2011년 2월 인하대학교 대학원 토목공학과 백 기 현

3 공학박사학위 논문 운영 중 터널확대 굴착시 지반거동 특성분석 및 프로텍터 설계 Ground Behavior Analysis and Protector Design during the Enlargement of a Tunnel in Operation 2011년 2월 지도교수 윤 지 선 이 논문을 박사학위 논문으로 제출함 인하대학교 대학원 토목공학과 백 기 현

4 이 논문을 백기현의 박사학위논문으로 인정함. 2011년 2월

5 국 문 요 약 운영 중 터널확대 굴착시 지반거동 특성분석 및 프로텍터 설계 인 하 대 학 교 백 기 현 지도교수 : 윤 지 선 국내의 오래된 터널은 접속도로에 비해 차선 수가 작거나 폭이 좁아서 교 통량 증가에 따른 만성적인 정체현상이 나타나고 있으며, 라이닝 열화에 따른 구조적인 안정성 문제가 발생하는 곳도 있다. 이에 대한 대책으로 기존 터널 을 재시공하거나, 새로운 터널을 건설하는 등의 많은 투자가 필요한 실정이 다. 그러나 신규터널 부지확보가 힘든 도심지나, 우회노선이 어려운 지역에서 는 운영 중인 기존터널의 단면을 확대하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 운영 중인 터널의 확대 굴착시에 나타나는 주변 지반의 거 동 및 지보재의 특성을 분석하고, 통행 중인 차량의 보호를 위한 프로텍터의 최적 보호길이 산정 및 충격하중 등에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 터널확대 차로 수, 확대종류 및 지반물성 등을 변수로 하여 확대 굴착시 지반거동 및 기존터널 지보재의 영향 등을 분석하였으며, 합리적 인 프로텍터의 설계를 위한 보호범위 선정 및 충격하중식 등을 검증하였다. 연구결과로는 운영 중인 터널의 확대굴착에 대한 지반거동 분석을 통해 새 로운 터널종단 변형곡선식을 제안하였으며, 프로텍터 설계시의 필수 항목인 발파버력의 충격 하중식을 도출하고 합리적인 보호범위를 제시하였다. * 주요어 : 터널, 확대굴착, 종단변위곡선, 프로텍터, 충격하중, 발파하중 - i -

6 Abstract Ground Behavior Analysis and Protector Design during the Enlargement of a Tunnel in Operation Baek, Ki-Hyun Department of Civil Engineering Graduate School, Inha University Directed by Professor Yoon, Ji-Sun The old tunnels in domestic area have given rise to a chronic traffic jam because of a lack of traffic lines and narrow width. What it worse, some of them have structural safety problems due to lining deterioration. To solve such a problem, it should be necessary to reconstruct the old tunnels or to built new ones which unfortunately requires a lot of costs and time. Especially, it is hard for new tunnels to secure sites and detours in urban area. Such a difficulty has brought the need of widening of an old tunnel in operation. In this study, the behaviors of surrounding ground and supports during excavation of a tunnel in operation were investigated. In addition, the effect of impact load on a protector which is for vehicle protection passing by is analyzed to estimated the optimum protection length. To achieve the objectives, the effects of traffic line, type of enlargement and soil properties on the behaviors of tunnels and supports were investigated by menas of numerical analyses such as FEM(Finite Element Method). Throughout the analyses, the range of protection for protector design and the equation of impact load were proposed and verified. * Key Words : Tunnel, widening method, Longitudinal deformation profile, Protector, Shock loads, Blast loads - ii -

7 목 차 국문요약 ⅰ Abstract ⅱ 목 차 ⅲ 표 목 차 ⅴ 그림목차 ⅵ 제 1 장 서 론 연구배경 연구목적 및 내용 3 제 2 장 국내외 설계 시공 사례분석 설계 시공 사례 국내사례 국외사례 기존 기술의 문제점 44 제 3 장 운영 중 터널 확대시 지반 거동특성 분석 개요 수치해석을 통한 지반 거동특성 확대차선에 따른 지반 거동특성 확대종류에 따른 지반 거동특성 지반물성에 따른 지반 거동특성 터널 확대시 종단변형곡선 제안 터널 확대시 지보재 거동특성 확대시 기존터널 지보재에 미치는 영향 79 - iii -

8 3.3.2 경사 록볼트의 지보효과 82 제 4 장 운영 중 터널확대를 위한 프로텍터 설계 개요 프로텍터 설치범위 프로텍터 설계하중 발파시 충격하중 산정식 제안 및 수치해석적 검증 프로텍터 내부 통행 차량의 충돌하중 산정방안 프로텍터 충격하중 저감효과 110 제 5 장 연구결과 분석 및 고찰 112 제 6 장 결 론 118 참고문헌 iv -

9 표 목 차 표 2.1 터널 단면 확대 분류 9 표 2.2 터널 확대공법의 종류 및 특징(일본사례) 10 표 2.3 터널 확대공법 시공순서 11 표 2.4 터널 확대 발파시 진동 계측 결과 사례 22 표 2.5 발파진동의 회귀분석 결과 23 표 2.6 토노미에터널 확대시공 순서 26 표 2.7 확대공법별 굴착방식과 시공기계 사용 사례 34 표 2.8 지보구조 및 보조공법(일본사례) 39 표 3.1 확대 차선에 따른 굴착단면적 48 표 3.2 확대터널의 지보재 물성값 49 표 3.3 확대터널의 지보패턴 50 표 3.4 굴착면적과 침하량의 상관관계 53 표 3.5 확대시 숏크리트 주응력 분포도 55 표 3.6 확대종류에 따른 해석 케이스별 지반 물성값 57 표 3.7 지보재의 물성값 57 표 3.8 확대공법별 수치해석 모델링 58 표 3.9 터널 지반 물성값의 통계분석 결과 65 표 3.10 해석 케이스별 지반 물성값 65 표 3.11 노후터널의 라이닝 상태 79 표 3.12 지반의 물성값(국토해양부 도로설계편람, 2010) 83 표 3.13 해석 모델 선정 83 표 3.14 록볼트 축력 및 숏크리트 연직응력 분포 85 표 4.1 굴착방법별 하중조합 94 표 4.2 버력과 프로텍터의 물성값 102 표 4.3 낙하높이별 최대 충격하중과 부양력 104 표 4.4 도출된 산정식과 수치해석에 의한 충격하중 결과 v -

10 그 림 목 차 그림 2.1 국내 도로터널의 준공 연도별 연장현황(건설교통부, 2008) 4 그림 2.2 국내 철도터널의 준공 연도별 현황(건설교통부, 2008) 5 그림 2.3 5대 광역시의 준공연도별 터널 현황(건설교통부, 2008) 5 그림 2.4 재 개통한 서울 터널 6 그림 2.5 가평 터널 확대굴착 사례 7 그림 2.6 경기도 터널 신설굴착 사례 7 그림 2.7 영동고속도로 터널 우회로 설정 사례 7 그림 2.8 오쿠라 터널 시공순서 전경 12 그림 2.9 시공 세부 단면도 13 그림 2.10 프로텍터 운반 과정 13 그림 2.11 프로텍터 설치 완료 전경 13 그림 2.12 천단, 측벽부 굴착 및 라이닝 시공 14 그림 2.13 기존터널의 확대개념 16 그림 2.14 터널 확대 전 전경 16 그림 2.15 터널 확대 후 전경 16 그림 2.16 프로텍터 단면도 17 그림 2.17 프로텍터 조립 전경 18 그림 2.18 프로텍터 조립 검사 18 그림 2.19 프로텍터 조립완료 상태 18 그림 2.20 프로텍터 설치 18 그림 2.21 프로텍터 상부선진 굴착 19 그림 3.22 프로텍터 측벽부 굴착 19 그림 2.23 차량 높이 체크바 설치 20 그림 2.24 발파진동 계측 위치도 21 그림 2.25 발파진동의 예측 24 - vi -

11 그림 2.26 계측공 배치도(응력 및 내공변위) 26 그림 2.27 계측배치 단면 26 그림 2.28 확대 단계별 변위량 27 그림 2.29 기존터널 연장과 확대시공 연장 30 그림 2.30 기존터널과 확대터널의 내공 폭 31 그림 2.31 기존터널과 확대터널의 단면적 31 그림 2.32 확대터널 연장과 시공기간 32 그림 2.33 확대터널의 지반조건 32 그림 2.34 터널 확대 목적별 시공건수 33 그림 2.35 운영 터널의 교통규제 방식 34 그림 2.36 확대터널의 굴착방식 35 그림 2.37 터널 굴착시 프로텍터의 종류 36 그림 2.38 시공연장과 프로텍터 연장 36 그림 2.39 프로텍터의 제원 37 그림 2.40 확대터널의 지보구조 40 그림 2.41 록볼트를 주 보조공법으로 한 신설터널의 표준패턴 사례 42 그림 2.42 훠폴링을 주 보조공법으로 한 터널 확대굴착 43 그림 3.1 운영 중 터널 확대시 지반거동특성 분석항목 46 그림 3.2 시공단계 구성 47 그림 3.3 확대차로에 따른 굴착비의 변화 49 그림 3.4 차로별 터널제원 50 그림 3.5 해석영역 51 그림 3.6 터널 모델링 51 그림 3.7 확대터널의 천단침하 52 그림 3.8 기존터널의 천단침하 54 그림 3.9 기존터널 라이닝 영향범위 56 그림 3.10 확대종류에 따른 기존터널의 천단변위 59 - vii -

12 그림 3.11 확대종류에 따른 확대터널의 천단변위 60 그림 3.12 확대종류에 따른 지표침하 62 그림 3.13 확대종류에 따른 기존터널의 내공변위 63 그림 3.14 확대터널의 천단침하 67 그림 3.15 지반탄성계수에 따른 최대 천단침하량의 변화 67 그림 3.16 기존터널의 천단침하 69 그림 3.17 지반탄성계수에 따른 최대 천단침하량의 변화 69 그림 3.18 종단변형특성 개요도(이인모, 2004) 70 그림 3.19 최대 변위에 대한 각 지점별 변위의 비 72 그림 차로 3차로 확대 VS. 3차로 신규건설 시 종단변형특성 73 그림 차로 4차로 확대 VS. 4차로 신규건설 시 종단변형특성 74 그림 3.22 확대터널별 종단변형특성 75 그림 차로 3차로 확대시 제안된 종단변형곡선 검증 77 그림 차로 4차로 확대시 제안된 종단변형곡선 검증 77 그림 3.25 터널 확대별 천단침하 80 그림 3.26 터널 확대시 기존터널의 록볼트 축력변화 81 그림 3.27 터널 확대시 콘크리트라이닝 응력변화 82 그림 3.28 록볼트 축력 및 숏크리트 연직응력 84 그림 3.29 터널 내공변위 및 천단변위 86 그림 4.1 운영 중 터널 확대 개요도 88 그림 4.2 프로텍터 설계 시 핵심사항 90 그림 4.3 프로텍터 설치범위 산정 시 검토사항 91 그림 4.4 지반거동에 따른 프로텍터 설치범위 92 그림 4.5 터널 확대시 프로텍터에 작용하는 하중 95 그림 4.6 발파 버력 96 그림 4.7 반구형 탄성체의 충돌 97 그림 4.8 버력의 충돌 98 - viii -

13 그림 4.9 프로텍터 제원 102 그림 4.10 수치해석에 의한 높이별 충격하중 103 그림 4.11 낙하높이별 충격하중과 부양력의 비율 105 그림 4.12 도출된 산정식과 수치해석에 의한 충격하중 비교 107 그림 4.13 Olson 모델에서의 기호 109 그림 4.14 충격하중 저감을 위한 모래 포설 시 충격하중 111 그림 4.15 충격하중 저감을 위한 모래 포설 시 최대변위 ix -

14 제 1 장 서 론 1.1 연구배경 국내의 노후터널은 교통량의 증가, 통행차량의 대형화 등으로 만성적인 정 체현상이 나타나고 있으며 또한 라이닝의 열화에 따른 터널 구조물의 안정성 문제가 점차 발생하고 있다. 이러한 기존터널 차로의 확대 요구 및 터널 구조물의 열화에 대한 대처 방 법으로는 대부분 기존터널의 좌측 또는 우측으로 새로운 터널을 만들거나, 기 존터널에서 교통을 완전히 차단한 상태에서 확대 시공하는 방법들이 사용되 어왔다. 그러나 이러한 방법들은 새로운 용지를 매입해야 하고 차량통행을 금 지시키거나 우회로를 확보해야 한다. 특히 기존도로를 우회로로 이용하면 차선 부족에 따른 주변 교통의 정체 영향은 매우 클 것이며, 이것은 도로 이용자에게 큰 불편을 초래할 것이다. 이와 함께 신규 터널 갱구부 형성에 따른 대규모 자연파괴가 필연적으로 수 반되므로 각종 민원 발생과 이로 인한 공사기간 지연 및 공사비가 증가될 수 있다. 따라서 도심지 터널에서의 교통정체, 도로 구조의 노선변경 및 터널의 열화 등에 대응하기 위해서는 운영 중 터널 단면의 확대시공이 필요할 것이 다. 운영 중 터널 확대공법 은 기존터널 내부에 차량보호용 강재 프로텍터를 설치하고, 그 내부로 차량을 통행시키면서 외부에서는 기계 혹은 발파 굴착을 통하여 터널을 확대 시공하는 공법이다. 교통의 흐름을 유지하기 때문에 터널 공사로 인한 주변 교통정체가 발생되지 않으며 또한 우회로를 신설할 필요가 없다. 또한, 기존터널을 확대하는 것이므로 추가적인 부지의 매입비용이 낮아 져서 경제적으로 유리하며 터널 갱구부의 사면 조성에 따른 자연파괴가 없기 때문에 녹색시대의 흐름에 부합되는 환경 친화적인 터널 공법이다. 따라서 추 - 1 -

15 후 도심지 터널 확대시공에 최적의 공법이 될 것으로 예상할 수 있다. 해외에서는 20여 년 전부터 기존 도로 및 철도 터널의 확대시공 사례가 있으며, 특히 일본은 건설된 지 오래된 산악 및 해안도로 터널에서 차량의 대 형화, 교통량의 증대 및 콘크리트 라이닝의 열화 등에 의한 기능 저하로 터널 기능의 향상을 목적으로 40여 건의 터널 확대시공 실적이 있는 것으로 조사 되었다. 국내에서는 4 5년 전부터 운영 중 터널 확대에 대한 관심을 조금씩 가지 기 시작하였다. 서울특별시의 터널, 경기도의 터널 등 수 곳에 서 기존터널의 개보수 및 확대공사를 수행한 사례가 있으나, 이 시공사례는 차량을 완전히 차단한 채 이루어진 것으로서 실제 운영 중 터널의 확대시공 사례는 전무한 것으로 나타났다. 최근 한국도로공사는 영동고속도로 및 남해고속도로의 확장구간에서 운영 중인 터널의 확대시공 적용에 대하여 많은 관심을 나타내고 있으나 국내에서 는 관련 연구실적, 기술개발 및 설계 시공에 대하여 정립된 바가 없기 때문에 적용되지 못하고 있는 실정이다. 따라서 추후 국내 터널의 열화 및 교통량 증가에 따른 터널 확대수요에 대 응하고 교통정체 및 자연경관의 훼손을 최소화하는 한편 국내 건설 환경에 적합한 운영 중 터널확대 굴착 에 대한 공학적 연구 및 시공기술 개발이 필 요한 상황이다

16 1.2 연구목적 및 내용 본 연구는 운영 중 터널확대 시공 시 발생 가능한 지반의 거동특성, 기존 터널 지보재에 미치는 효과 및 차량보호를 위한 프로텍터 구조물에 미치는 충격하중 등의 영향을 수치해석 방법으로 분석하여 합리적인 설계를 수행 할 수 있는 방안을 제안하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 먼저, 국내외 터널 확대 설계 시공 사례를 통하여 기존터널 확 대시 각종 설계조건 및 요소기술을 검토 하였으며, 운영 중 터널의 확대 설 계 시공 시의 핵심 기술을 도출하고 관련된 프로세스를 파악하였다. 또한, 현재의 기술 수준을 분석하고 추후 개발되어야 할 소요기술들을 검토하였다. 터널 확대는 신규터널 건설과는 달리 그 내부에 이미 건설된 터널이 존재 한다. 따라서 확대터널 뿐만 아니라 기존터널의 거동특성도 함께 분석되어야 하며 응력의 해방과 이로 인한 하중전이 특성이 신규터널 건설과는 다를 것 으로 판단된다. 또한 확대차선이 동일하다 하더라도 확대종류에 따라 굴착조 건이 변경되므로 각 조건에 따른 거동특성분석이 필요할 것이다. 이를 위하여 확대 차선수, 확대종류 및 지반물성 등을 변수로 하여 터널 확대 굴착시 나타 나는 지반의 거동특성에 대하여 분석하였고, 기존터널이 건설된 후 확대되는 것을 고려하여 새로운 종단침하특성 곡선식을 제안하였다. 운영 중 터널 확대시 설치하는 프로텍터는 터널 확대공법의 가장 큰 특징 으로 작업자 및 통행 중인 차량을 보호하는 역할을 한다. 이 프로텍터에 대하 여 합리적인 설계를 위한 연구를 함께 수행하였다. 특히 발파식 굴착을 가정 하여 프로텍터에 작용하는 버력의 충돌하중을 산정하는 식을 제안하였고 이 를 수치해석으로 검증하였다. 최종적으로 본 공법의 경제성 확보를 위해 프로 텍터 설치범위 산정 및 프로텍터에 작용하는 하중의 저감방안에 대한 연구를 수행하였다

17 제 2 장 국내외 설계 시공 사례분석 2.1 설계 시공 사례 국내사례 (1) 국내터널 현황 국내의 근대식 터널은 1900년대 초반부터 건설되어 터널 확대의 주 대상이 될 도로터널 및 철도터널 현황은 다음과 같다. 그림 2.1에는 국내도로 터널의 준공 연도별 현황에 대하여 나타내었는데 NATM이 도입되기 이전인 재래식 공법으로 건설된 터널은 1980년 초반을 기준으로 약 5%에 이루고 있으며 시 간이 흐를수록 노후터널은 급격히 늘어날 것으로 예상된다. 그림 2.2에는 국 내 철도터널의 준공 연도별 현황을 나타내었는데 1980년대 초반 이전에 재래 식 공법으로 건설된 터널은 전체의 약 11%에 이르고 있어 도로터널과 마찬가 지로 확대가 필요한 터널은 증가할 것으로 판단된다. 그림 2.1 국내 도로터널의 준공 연도별 연장현황(건설교통부, 2008) - 4 -

18 그림 2.2 국내 철도터널의 준공 연도별 현황(건설교통부, 2008) 그림 2.3에는 서울을 비롯한 4대 광역시의 준공 연도별 터널 현황을 나타 내었다. 과거 1980년 초반 이전에 재래식 공법으로 건설된 터널은 약 30여개 정도이나 도시기반시설의 재생 및 확충 등에 따른 터널 내 분기부 설치, 기존 터널의 증축 등 운영 중 터널 확대 수요는 확대될 것으로 예상된다. 그림 2.3 5대 광역시의 준공연도별 터널 현황(건설교통부, 2008) - 5 -

19 (2) 기존터널의 확대시공 사례 국내의 경우 기존터널의 교통흐름을 유지한 상태에서 확대시공을 실시한 사례는 없으며, 서울 터널, 경기도 가평 터널 등에서 이루어졌다. 그 림 2.4와 그림 2.5는 과거 서울 터널과 가평의 터널에서 기존터널을 완전히 차단한 채 이루어진 확대시공 사례를 보여주고 있다. 그림 2.6에는 기 존 고속도로 터널의 교통정체 해소 방안으로 기존터널 옆에 신설터널을 굴착 하는 모습이다. 또한 최근 영동고속도로의 터널과 남해고속도로의 터널 등에서 우 회도로를 만들고 기존터널을 확대하려는 계획이 검토되었으며, 이중 영동고속 도로 터널은 1994년 일 방향 2차선 터널로 준공되었으나 교통정체 등으 로 차선을 확대할 필요가 있어 우회노선을 만들고 기존터널을 확대할 계획에 있으나 우회도로 인근 주민의 민원 등의 이유로 많은 어려움이 있는 것으로 알려졌다.(그림 2.7 참조) 그림 2.4 재 개통한 서울 터널 - 6 -

20 그림 2.5 가평 터널 확대굴착 사례 그림 2.6 경기도 터널 신설굴착 사례 그림 2.7 영동고속도로 터널 우회로 설정 사례 - 7 -

21 2.1.2 국외사례 (1) 터널 확대의 종류 및 방법 기존터널의 확대는 크기와 방향에 따라 크게 4가지 패턴으로 분류할 수 있다.(표 2.1 참조) 1) 하부부분 확대공법 기존터널의 폭원을 변경하지 않고 노반아래 굴착과 포장두께의 축소에 의 한 내공높이만을 확대한다. 비교적 비용은 저렴하지만 터널의 지지력확보와 배수공 이설 등의 문제가 있다. 2) 상부부분 확대공법 기존터널의 폭원을 변경하지 않고 상부 아치의 일부 또는 전면을 확대 굴 착하여 내공높이만을 확대한다. 작업공간이 협소하여 작업효율이 나쁘며 결과 적으로는 전단면 확대에 비하여 비용이 높게 되는 경우가 많다. 도로터널에서 는 시공사례가 없으며, 철도터널에서는 유럽 및 일본에서 전기 시설물 공사를 위한 사례가 있다. 3) 편측 확대공법 기존터널의 중심선을 이동하여 한쪽 방향으로 집중하여 작업공간을 크게 하고 효율적인 시공 작업이 가능하다. 단 도로선형 등의 제약조건을 받는 것 이외에 기존 콘크리트 라이닝의 건전도 및 접속부에 관한 구조 등이 중요한 요소로 된다. 4) 양측 확대공법 기존터널 양측으로 단면전체를 확대하는데 터널중심의 이동량이 크지 않은 경우에 적용한다. 시공사례가 가장 많은 시공패턴이다. 도로선형의 제약이 적 지만 작업공간이 협소하고 대형범용기계의 사용이 곤란한 경우가 일반적이다

22 표 2.1 터널 단면 확대 분류 확대 종류 하부부분 확대공법 상부부분 확대공법 편측 확대공법 양측 확대공법 개념도 표 2.2에는 최근 일본에서 시공된 다양한 터널 확대공법을 나타내었다. 연 암에서 극경암까지 적용가능하며 편측과 양측 확대 모두 적용할 수 있다. 또 한, 굴착방식은 대부분 기계식 굴착을 가정하고 있으나 Napoleon Hat Stage 공법은 발파 굴착을 대상으로 하고 있는 것으로 조사되었다

23 표 2.2 터널 확대공법의 종류 및 특징(일본사례) 공 법 명 공법분류 차로규제 유무 글착장비 굴착방식 프로텍터 구조 단면확대 방향 대상지반 대상연장 Hybrid TWS 공법 전용굴착기 문형 타입 1차로 규제 전용기 기계굴착 이동식 프로텍터 양측 연암 중경암 중 장 Napoleon Hat Stage 공법 전용굴착기, 전용 범용굴칙기겸 문형타입 2차로 확보 1) 전용기 범용기 발파굴착 이동식 프로텍터 양측 토사 경암 단 장 삼일월형 터널 단면 확대공법 반전용 굴착기 타입 1차로 규제 반전용기 기계굴착 이동식 프로텍터 편측 토사 중경암 단 장 Arch-cut 공법 측벽도갱 선행양측 확대공법 기존 라이닝을 이용한 non protector 확대공법 π-stage 공법 전용굴착기, 기존 라이닝 이용 타입 범용굴착기, 기존 라이닝이용 타입 2차로 확보 2) 전용기 기계굴착 2차로 확보 2) 범용기 기계굴착 2차로 확보 2) 범용기 기계굴착 1차로 규제 범용기 기계굴착 범용굴착기 이동식 작업대 타입 Pratt Stage 공법 2차로 확보 1) 범용기 기계굴착 기존 라이닝 이용 기존 라이닝 이용 기존 라이닝 이용 이동식 프로텍터 기존 라이닝 + 간이 프로텍터 양측 토사 연암 중 장 양측 토사 중경암 단 중 편측 토사 중경암 단 중 양측 토사 연암 단 중 양측 토사 연암 단 중 1) 2) 기존터널의 단면이 작은 경우는 현지 교통을 확보할 수 없는 경우가 있다. 일시적인 차로 규제가 있다. 기존터널의 단면에 관계없고 현지 교통을 확보할 수 있다. 일시적인 차로 규제가 있다

24 (2) 터널 확대의 순서 터널 확대 순서는 확대 방법에 따라 차이가 있지만 오쿠라 터널(일본)의 시공 사례를 보면 다음과 같은 순서로 진행되었다(표 2.3). 그림 2.8에는 시공 전경을 나타내었다. 표 2.3 터널 확대공법 시공순서 시공순서 시공 개요도 주요사항 1 기초 - 프로텍터 연결 기초부 시공 2 프로텍터 설치 - 강재 프로텍터 설치(L:12m, H:3.8m) - 야간 교통통제 후 설치(1seg./day) 3 사전보강 - 터널 확대에 따른 사전 보강작업 - 508mm 파이프 루프(pipe roof)공법 적용 - 라이닝 해체 4 굴착 - 상하반 분할 굴착 - 250mm H형강 강지보 설치 5 라이닝 설치 - 45cm 두께 콘크리트 라이닝 타설 6 프로텍터 제거 - 프로텍터 철거(2seg./day) 7 바닥포장 - 인버트 설치 후 포장

25 (a) 터널 확대 개요(측면) (b) 터널 확대 개요(단면) 1 프로텍터 제작 2 프로텍터 설치 3 사전보강 4 기존 라이닝 제거

26 1) 프로텍터 설치 우선 터널공사로 인한 차량의 안전한 통행을 위하여 강재 프로텍터가 설치 되었다. 프로텍터는 길이 12m, 높이 3.7m의 세그먼트 17개로 이루어졌다(그림 2.9). 프로텍터는 공사 전에 170m 전 구간에 대하여 미리 설치가 완료된다. 프로 텍터의 설치로 인한 교통 통제를 최소화하기 위해 밤 10시부터 다음날 새벽 5시까지 교통을 통제하고 하루에 프로텍터를 한 개씩 설치, 총 17일 동안 프 로텍터 설치를 완료하였다(그림 2.10, 2.11). 통행량이 이정도로 많은 터널에서 프로텍터의 설치는 최초의 사례이며, 프로텍터 설치 시 안전을 위하여 우천 시에는 미끄러짐 등의 방지를 위하여 공사를 일시 중지 하였다. 프로텍터 내 부에는 전기설비를 비롯하여 구급전화 등 기존터널 내부에 있던 설비가 모두 설치되어 차량의 통행에 불편이 없도록 하였다. 그림 2.9 시공 세부 단면도

27 2) 사전보강 및 기존 라이닝 해체 프로텍터 설치가 완료된 후, 굴착이 시작되기 전 터널 확대로 인한 붕괴의 위험을 방지하기 위해 사전 보강작업이 진행되었다. 본 공사가 진행되는 지반 은 연약지반이기 때문에 굴착 예정선 위쪽으로 파이프 루프(pipe roof)공법을 ( 508mm) 60m 구간에 시공하여 지반을 사전 보강하였다. 보강이 완료된 후 기존터널 라이닝 해체 작업이 시작되었으며, 발파 공법은 사용하지 않고 기계 식 굴착을 사용하였다. 3) 굴착 및 라이닝 시공 라이닝 해체 후 상하반 분할 굴착을 실시하였으며, 250mm H형강으로 강지 보를 설치하고 숏크리트를 20 30cm 타설하였다. 파이프 루프(pipe roof)공법 이 실시되지 않은 측면부에는 록볼트를 타설하였는데, 프로텍터 우측이 2.5m 밖에 여유 공간이 없는 좁은 여건으로 인해 작은 기계 장비를 제작하여 1m 길이의 강봉 6개를 이어 총 6m 길이의 록볼트를 설치하였다. 굴착에 8개월이 소요되었으며, 45cm 두께의 콘크리트 라이닝을 타설하였다(그림 2.18). (a)천단부 굴착 (b)라이닝 시공 완료 그림 2.12 천단, 측벽부 굴착 및 라이닝 시공

28 4) 프로텍터 철거 및 포장공 터널 내부 공사가 완료된 후 1일 2개씩 프로텍터를 철거하였으며, 터널 내 부 일부 차로를 통제하며 인버트 콘크리트 시공을 실시하였다. 인버트 콘크리 트는 원래 아치형으로 설치해야 하지만 차량통행을 위해 편평한 인버트를 타 설하는 대신 콘크리트의 두께를 두껍게 하였다. 마지막 포장을 끝으로 총 2년 4개월의 터널 확대공사가 끝이 났으며, 이로써 170m 구간의 가속차로가 완성 되어 터널 구간의 정체를 완화할 수 있게 되었다. (3) 기존터널의 확대시공 사례 향후 국내에서 발생할 터널 확대시공의 설계 시 참고로 하기 위하여 다양 한 조건하에서의 터널 확대 공사의 계측, 설계, 시공, 프로텍터 조립에 대한 사례를 소개하고자 한다. 1) Hudagou터널 확대공사(일본, 간선도로) 가. 터널 확대 개요 1 발주자 : 치바현 2 공기 : 2003년 10월 15일 2005년 3월 10일 3 공사내용 : 터널연장 : L=146m(기존터널 L=136m) 내공단면적 : A=54.5m 2 프로텍터 : L=168m 터널 시공법 - 천단교호병진 숏벤치컷 공법 - 기계굴착방식, 트럭운반방식(버력처리) 그림 2.13는 기존터널의 확대 개념을 나타냈으며 그림 2.14, 그림 2.15에는 확대 전후의 터널 모습을 나타내었다

29 그림 2.13 기존터널의 확대개념 그림 2.14 터널 확대 전 전경 그림 2.15 터널 확대 후 전경 나. 프로텍터의 구조 프로텍터의 내공치수는 교통 규제 폭을 고려하고 긴급차량 통행이 가능하 도록 폭 2.72m, 높이 2.80m로 설정하였다. 프로텍터의 구조는 터널 굴착시의 버력의 낙하나 시공기계의 접촉 등을 고려하여 암괴가 높이 2.0m로부터 떨어 질 경우의 충격을 이겨낼 수 있는 구조로 설계 하였다(그림 2.16)

30 그림 2.16 프로텍터 단면도 다. 프로텍터 설치 기존터널이 협소하기 때문에 설치 작업을 터널 내부에서 할 수 없어 공장 제작 후 갱외의 가설장에서 조립하고 덤프트럭으로 갱내에 반입하였다. 1 프로텍터의 기초공 프로텍터 설치 시 각부를 고정시켜 안정화시키기 위해 프로텍터의 반입에 선행하여 터널 종단방향으로 H형강을 이용하여 기초를 하였다. 시공은 야간에 통행금지 조치 후 실시 하였고 협소한 기존터널 내에 통행차로를 확보해야 하기 때문에 좌우 한쪽씩 번갈아가며 시공하였다. 제한된 작업 공간 및 시간으로 인하여 굴착부터 설치까지의 소요시간은 2 시간 정도였다. 2 프로텍터의 제작 갱외가설 야드에서 프로텍터 가조립 작업의 효율화를 꾀하기 위해 공장에 서 프로텍터를 천정판 1피스, 측벽 2피스의 총 3피스로 분할하여 제작하고 이를 가설 야적장으로 반입하였다. 프로텍터 제작은 28블록(L=6m/블록)에 1 개월이 소요되었다. 3 프로텍터의 갱외 가조립 프로텍터 설치의 갱내작업을 가능한 피하기 위해 가설 작업장 내에서 프로 텍터의 가조립을 하였다. 가조립은 1블록 6m 단위로 행하고 1일당의 프로텍

31 터 설치블록 수를 고려하여 3블록의 조립이 가능한 조립 야드를 확보하였다. 4 프로텍터의 운반 및 설치 프로텍터의 갱내운반 및 설치시에는 특수 재키를 장착한 11ton 덤프트럭 으로 갱외에서 가조립한 프로텍터를 갱내로 운반하고 설치하였다(그림 ). 가설 작업장부터 갱내까지 운반로는 중량물의 원활한 주행이 되도록 가설포장을 하였다. 본 시공방법에 의해 프로텍터 설치시간을 단축할 수 있었 으며 효율적인 시공이 가능하였다. 그림 2.17 프로텍터 조립 전경 그림 2.18 프로텍터 조립 검사 그림 2.19 프로텍터 조립완료 상태 그림 2.20 프로텍터 설치

32 5 프로텍터의 지수처리 프로텍터 하부와 지반간의 틈은 확대단면의 각부보강 및 프로텍터의 활동 방지를 위해 에어모르타르를 타설하였고, 프로텍터의 조인트부에 용접 및 지 수테이프 등으로 전 구간에 걸쳐 지수처리를 하였다. 이로 인해 록볼트 등의 시공 시에 천공수가 프로텍터 내부(일반통행차로)에 누수 없이 시공할 수 있 었다. 6 프로텍터의 시공 사이클 프로텍터는 21:00 5:00까지의 야간 통행 금지시에 1일 최대 4블록의 설치 가 가능하며 모든 블록의 설치에 10일이 소요되었다. 준비공부터 지수처리까 지의 총 소요기간은 합하여 2.5개월이 소요되었다. 라. 터널 굴착 확대굴착은 기존터널을 운영하면서 시공되기 때문에, 발파굴착을 할 수 없 어 대형 브레이커에 의한 기계 굴착을 수행하였다. 이 방법은 우선 프로텍터 의 위쪽을 선행해서 굴착하고 양측벽을 굴착하는 천단 선진 공법으로 진행하 였다(그림 ). 굴착 속도는 1개월에 약 20m 정도 굴진하였으며, 도로의 운영에 지장을 초래 하는 일 없이 연장 168m를 8개월에 걸쳐 완료하였다. 그림 2.21 프로텍터 상부선진 굴착 그림 3.22 프로텍터 측벽부 굴착

33 5) 통행차량의 안전대책 터널 확대시에는 프로텍터 내부를 통하여 차량흐름이 유지되기 때문에 운 행차량의 안전대책이 매우 중요하였다. 당 현장은 높이 제한을 경고하는 체크 바(check bar)를 터널의 기점측과 종점측에 설치하였다(그림 2.23). 그러나 체 크바를 통과한 차량도 주행반동으로 프로텍터와의 접촉사고가 일어나는 경우 가 있었다. 그림 2.23 차량 높이 체크바 설치 2) Isai 터널 확대 공사(일본, 발파에 의한 터널 확대) 가. 터널 확대 개요 Isai터널은 연장 416m, 폭 4.1m로서 터널내에서 교차통행이 불가능하여 연 장 401m, 폭 8.0m로 확장한 사례이다. 확대시공은 주변에 광역임도가 있어 기 존 교통을 우회시키고 발파에 의해 확대하여 2004년 공사를 완료하였다. 터널 지반은 중생대 및 그 이전의 화강섬록암이 주체이며 풍화 및 균열이 발달하 였고 일축압축강도는 MPa 정도이다. 터널 확대는 그림 2.24의 개념도 와 같이 기존터널을 중앙부에 두고 양측을 확대하는 방식을 취하였다

34 나. 발파진동의 측정 발파진동은 확대터널 굴착면에서 약 20m, 40m, 80m 떨어진 3개소에 측정 하였다. 이때 측정위치를 고정하고 있기 때문에 측정지점까지의 거리는 굴착 이 이루어짐에 따라 점점 짧아지게 된다. 측정은 터널 축방향(X), 수평종단방 향(Y), 연직방향(Z)의 3 방향 변위속도이다. 최소 측정거리를 비석 및 풍속으 로 인한 케이블 등의 손상을 막기 위해 굴착면에서 20m 이격된 지점으로 설 정하였지만 실제 발파시에는 5m 정도의 위치에서도 측정 가능하였다. 발파진 동의 측정위치와 방향을 그림 2.24에 나타내었다. 계측은 3회 발파에 대하여 실시하였다. 그림 2.24 발파진동 계측 위치도 다. 발파진동의 검토 발파진동의 계측결과 일례를 표 2.4에 나타내었다. 보통의 신설터널에서는 굴착면이 한 개의 자유면이기 때문에 심빼기에 많은 폭약을 사용하고 저항도 크기 때문에 발파진동이 커지지만, 확대를 위한 발파에서는 장약량이 적고 굴 착면에 이미 자유면(기존터널)이 있어 발파진동은 표와 같이 크지 않은 것으 로 나타났다. 발파진동의 예측식은 일반적으로 식 (2.1)과 같이 표현되는 경우 가 많다

35 혹은 log log log log (2.1) 여기서, V : 발파진동속도(cm/sec=kine) K : 발파나 지반의 조건 등에 의한 계수(40 1,000) W : 제발약량(kg) D : 폭파점부터의 거리(m) α : 폭약량에 대한 지수(0.5 1) β : 거리감쇄지수(-1-2) 표 2.4 터널 확대 발파시 진동 계측 결과 사례 측선좌측 측선우측 측점1 측점2 측점3 측점2 진동속도 V(kine=cm/s) 진동속도 V(kine=cm/s) 진동속도 V(kine=cm/s) 진동속도 V(kine=cm/s) 뇌관 단수 거리(m) 화약사 용량 (kg) X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z 순발 DS DS DS DS DS DS

36 발파진동속도의 계측과 회귀분석에 의해 구해진 계수 K, α, β를 표 2.5에 나타내었고 회귀 그래프는 그림 2.25에서 보여주고 있다. 표 2.5 발파진동의 회귀분석 결과 X Y Z 전체 K α β 회귀분석결과로부터 발파나 지반의 조건 등에 의한 계수 K는 일반적인 값 보다도 작고 발생하는 진동도 작은 것을 알 수 있다. 또한, 거리감쇄 지수 β 는 지금까지 사용되어온 의 범위에 있지만 연직방향(Z방향)의 감쇄 가 다른 2방향보다 크고 발생하는 진동도 작았다. 한편, 화약량에 대한 지수 α는 일반적인 값보다도 작고 진동속도에의 영향은 거의 없었다. 이것은 화약 량이 적으며 지반이나 발파에 의한 편차에 비하여 영향이 작고 명료한 차이 가 없기 때문으로 판단된다. 또한, 터널 축방향(X방향)의 K와 α가 다른 2방 향에 비하여 작았다. 이것은 진동의 방향이 장약공의 방향과 일치하기 때문에 발생하는 진동이 작고 장약량의 영향도 작아지는 것으로 판단된다. 회귀분석 그래프로부터 보통의 범위(수 m이상)에서는 수평횡단방향(Y방향) 의 진동이 컸으며 이것은 발파가 터널 중심을 향하여 이루어지기 때문에 기 존터널의 벽면에 직각방향의 진동이 커지기 때문으로 판단된다. 새롭게 관측된 값의 95%를 포함하는(이의 진동속도를 넘을 확률이 5%) 범 위의 상한값을 그림 2.25에 나타내었다. 한편, 콘크리트에 크랙을 발생시키는 발파진동속도는 지금까지의 실험으로 보아 30 70cm/sec로 평가되었다. 이 한 계값보다 굴착면 후방 3 5m의 범위에서는 콘크리트에 크랙이 발생할 가능성 이 있다. 그러나 크랙이 발생하여도 경미하고 기존터널의 안정을 해치지 않는 다면 이 후에 굴착되므로 발파에 의한 영향은 없을 것으로 판단된다

37 그림 2.25 발파진동의 예측 라. 발파진동이 기존터널에 미치는 영향 이번 발파진동의 계측 및 검토결과는 다음과 같다. 1 발파 및 지반조건 등에 의한 계수(K값)가 작고 발생하는 발파진동도 작 다 2 확대터널에서는 기존터널이 자유면이 되어 순발과 단발의 차이가 거의 없다. 3 장약량이 작기 때문에 지반이나 발파조건 등에 의한 편차가 작아지고 장약량이 발파진동에 미치는 영향은 명확하지 않다. 4 거리감쇄 지수는 이며 특히 연직방향의 감쇄가 크다 5 발파에 의한 진동이 기존 라이닝 콘크리트에 미치는 영향은 작고 크랙

38 이 발생하여도 굴착면에서 3 5m의 좁은 범위이며 기존터널이 불안정 하게 되는 큰 손상을 받는 범위는 더욱 작다고 판단되었다. 이상 발파에 의해 발생하는 진동은 작고 기존 라이닝이 순차적으로 제거되 는 확대터널에서는 거의 문제가 되지 않는다고 생각한다. 단 라이닝 콘크리트 의 열화 등에 의해 이미 어떤 손상이 있는 경우에는 보다 넓은 범위에 영향 을 미칠 수도 있다고 판단된다. 3) Tonomie터널 확대공사(일본, 기계식 확대 굴착시의 계측사례) 가. 지형 및 지질 가나가와현(일) 하코네에 위치하고 있으며 화산활동으로 생성된 1,000m내 외의 산들과 중앙화구들로 이루어졌다. 지층은 화산의 일차퇴적물로 이루어졌 으며 상부는 화산력응회암층이며 하부는 응회각력암층으로 이루어졌고 토노 미네 터널(철도터널) 구간은 상부의 화산력응회암층을 관통하고 있었다. 나. 확대계획 확대구간 : 25m 내공단면 : 20m 2 50m 2 굴착공법 : 상부반단면 선진공법 공법 : NATM 공사기간 : 다. 시공순서 확대터널의 시공순서는 아래 표 2.6과 같이 1 기존터널의 프로텍터 설치, 2 천단굴착+지보공, 3 상반라이닝 콘크리트, 4 상반굴착+지보공+하반 라이 닝 콘크리트, 5 프로텍터 철거 및 해체의 순으로 이루어졌다

39 표 2.6 토노미에(Tonomie)터널 확대시공 순서 1프로텍터 설비 2상반굴착공 3상반 라이닝 콘크리트 4하반굴착 및 측벽콘크리트 5프로텍터 철거 라. 계측계획 그림 2.26와 그림 2.27에 확대구간의 계측기 배치도를 나타내었다. 계측 구 간 30m에서의 맵핑은 매 굴착면에서 실시하며, 내공변위는 5개소, 응력은 2개 소에서 측정하였다. 그림 2.26 계측공 배치도(응력 및 내공변위) 그림 2.27 계측배치 단면 마. 계측결과 그림 2.28에는 터널 확대와 동시에 계측된 기존터널 천단부의 수평변위를 나타내었다. 굴착면 전방에서는 인장의 변위가 발생하고 있으며 후방에서는 압축의 변위를 나타내고 전체적으로 10mm 이내의 범위에서 발생하고 있었다

40 (a) 확대 단계별 변위량(B) (b) 확대 단계별 변위량(C) (c) 확대 단계별 변위량(D) 그림 2.28 확대 단계별 변위량 4) Kachigann터널 확대공사(일본, 보수공사를 위한 확대시공 사례) 가. 터널 확대 개요 공사명 : Kachigan터널 보수공사 (L=120m) 프로텍터 공 : 144m(6m/기 24기) 본 공사의 특징을 요약하면 다음과 같다. 1 일반차량의 통행을 확보하기 위해 프로텍터(내공단면 : 높이 3.95m, 폭

41 4.00m)를 이용하여 주야 한쪽 상호통행으로 시공한다. 2 여름휴가 시즌에는 하기공사제어기간이 설정되어 있기 때문에 그때까지 전면교통을 개방하여야 한다. 3 프로텍터를 이용한 작업이기 때문에 협소한 공간에서의 터널공사가 된 다. 나. 지반개요 터널부의 지질은 주로 이암이며 전체적으로 균열이 발달된 풍화암의 양상 을 보이고 있다. 보링조사에서는 화산회질 세층(두께 50cm, 부서지기 쉬움)이 나타나고 있으며 세사층의 분포도 예상된다. 갱구부는 애추가 두껍게 퇴적되 어 있는 것이 특징이며 특히 갱구부근에는 3m에 이른다. 시공중 단층 용수 등 의 영향은 거의 없을 것으로 예상되며 비교적 균질한 암반으로 판단되어 애 추층이 퇴적되어 있는 갱구부를 제외하고 굴착상의 문제점은 적을 것으로 판 정되었다. 다. 시공순서 보통의 터널시공순서는 [굴착 인버트 라이닝]으로 진행되나 당 공사에서 는 [굴착 라이닝 인버트]의 순서로 진행되었다. 그 이유는 굴착 및 라이닝 에는 프로텍터가 필요하지만 인버트 공사에서는 불필요하다. 그러므로 작업효 율을 고려하여 프로텍터를 연속적으로 사용할 수 있는 순서로 하였으며 이하 에 각 작업의 상세를 나타내었다. 1 프로텍터의 설치 프로텍터(13톤/기)는 주간에 조립을 하고 야간의 전면 통행금지시 갱내에 설치하였다. 프로텍터의 설치 후 기존터널과 프로텍터 사이를 경량기포모르타 르로 충전하고 터널 굴착시 중장비가 프로텍터 상부를 주행할 때 흔들림을 방지하였다. 유압잭으로 상하좌우 움직이는 작업대를 탑재한 전용대차를 만들 고 프로텍터를 설치하였다. 2 굴착

42 상하반의 분할위치는 보통은 SL라인이지만 이번에는 프로텍터가 제약조건 으로 되어 프로텍터의 천단으로 한다. 이렇게 함으로써 하반은 4.4m가 된다. 이 높이의 지보공의 설치는 횡폭이 협소한 시공구간에서는 매우 위험하다. 따 라서 하반을 통상의 SL라인에서 2분할하여 시공하였다. 굴착면 진행은 상반보 다 40 50m 늦게 하반위의 굴착, 상 하반 굴착완료 후 하반 하부굴착의 순 서로 행하였다. 하반의 협소한 쪽의 버력은 프로텍터 위로 올려 넓은 쪽으로 배출하였다. 3 라이닝 라이닝에 앞서 바닥콘크리트를 타설하였다. 라이닝 갱문의 시공완료 후 프 로텍터의 철거를 하였다. 설치와 마찬가지로 철거도 야간(22:00 5:00) 전면통 행금지 시에 갱내로부터 반출하고 주간에 갱외에서 해체하였다. 4 인버트 일반차량의 통행을 확보해가면서 시공하기 때문에 한쪽씩의 시공이 된다. 인버트 타설 되메움 횡단배수 포장의 순으로 양쪽을 실시한다(중앙배수는 후반의 시공에서 설치하였다). 한쪽을 완성한 후 반대쪽을 시공 할 때에 흙막 이 가시설을 시공하였다. 가시설은 인버트에 설치하였고 강 판(t=22mm)을 이용하였다. 가시설의 철거는 후반의 인버트 설치 완료시 H강 을 절단하여 강판을 제거하였다. 라. 공정관리 전술한바와 같이 여름휴가 시즌에는 하절기 공사 규제기간이 설정되어 있 기 때문에 그때까지 전면교통을 개방하여야 하므로 공정관리를 통한 공기대 책이 필수적이었다. 공기단축 대책은 이하와 같다. 1 프로텍터의 설치 철거 회수를 1회에 한다. 2 갱문공은 조립식형틀을 이용하여 라이닝과 동시에 시공한다. 3 인버트 포장과 동시에 흙막이 가시설을 시공한다

43 (4) 터널 확대 사례 분석 앞서 상세히 설명한 4건의 사례뿐만 아니라 일본의 경우 터널 확대사례가 약 40여건에 이른다. 이 중에는 폭 혹은 높이만을 확대하는 경우도 있고, 일 정구간만 확대하는 경우도 있으나 모두 확대로 포함하여 터널제원, 확대사유, 굴착방법 등 확대와 관련된 주요 인자들에 대하여 분석을 실시하였다. 1) 터널 제원 그림 2.29 그림 2.33에 터널의 연장, 시공연장, 내공 폭, 단면적, 확대율(확 대터널의 내공폭/기존터널의 내공폭)에 대한 각각의 관계를 나타내었다. 그림 2.29를 보면 터널연장 1,000m 이상의 확대공사 실적도 6건이나 있지 만 이는 터널 내 분기부 확대 등 터널의 일부를 확대한 것이며, 주로 수 십m 에서 300m 미만이 짧은 터널을 대상으로 하고 있음을 알 수 있다. 그림 2.29 기존터널 연장과 확대시공 연장 그림 을 보면 기존터널의 폭은 5 10m인 경우가 많으며 이를 배로 확장하는 경우가 많았으며 이것은 일본의 도로 특성상 과거 편 도 1차로 터널을 편도 2차로로 확장하는 경우가 많았기 때문으로 판단된다

44 그림 2.30 기존터널과 확대터널의 내공 폭 그림 2.32에는 터널 확대 연장과 시공기간을 나타내었다. 운영 중 터널 확 대는 교통통제, 지형적 여건 등으로 신설터널의 굴착보다 많은 시간이 소요되 는 것으로 나타났다

45 그림 2.32 확대터널 연장과 시공기간 그림 2.33에는 터널 확대가 이루어진 29개소의 지반분류를 나타내었다. 전 체의 약65%인 19건이 토사층, 연암층에서 굴착이 이루어졌지만 중경암 이상 의 지반에서도 35%인 10건이 이루어져 지반강도에 관계없이 적용될 수 있음 을 보여주고 있다

46 2) 터널 확대의 목적 그림 2.34에 운영 중 터널 확대공사의 목적별 분류를 나타내었다. 공사목적 으로는 교통 정체해소가 가장 많은 14건이었고 그 다음으로 선형개량, 인도설 치, 분기합류부의 시공 순이었으며, 기존터널 내 대피소의 신설에 의한 부분 확대 사례도 1건 있었다. 그림 2.34 터널 확대 목적별 시공건수 3) 교통규제방식 그림 2.35에는 터널 확대시 교통규제방식을 나타내었다. 교통규제방식은 교 호통행이 15건으로 가장 많고 다음으로 시간규제를 행한 교호통행이 9건이었 다. 한편, 교통규제를 하지 않고 터널을 굴착한 경우가 4건 있었다. 이 4건 가 운데 3건은 분기 합류부의 시공, 램프부의 합류차로의 추가 등 공사개소의 내공폭이 비교적 큰 경우이다

47 그림 2.35 운영 터널의 교통규제 방식 4) 굴착방식 표 2.7에는 확대공법별 굴착방식과 시공기계를 정리하였다. 그림 2.36의 28 개소의 터널 확대에 대한 굴착방식을 표 2.9와 비교해 보면 로드헤더 및 자유 단면형상기와 같은 기계 굴착이 전체의 65%를 차지하고 있으며, 발파와 기계 굴착을 병행한 경우가 21%(6건)이지만 이는 대부분 기계굴착을 하고 발파를 일부 병용한 경우이다. 순수한 발파에 의한 굴착을 행한 경우는 전체의 1건으 로 대부분 기계굴착으로 시공하고 있음을 알 수 있다. 표 2.7 확대공법별 굴착방식과 시공기계 사용 사례 확대공법 굴착방식 시공기계 양측 확대공법 기계굴착 범용굴착기 전용굴착기 전체 확대 발파굴착 범용 전용굴착기 편측 확대공법 기계굴착 범용굴착기 반전용 굴착기 부분 확대 하부 확대공법 기계굴착 범용굴착기

48 그림 2.36 확대터널의 굴착방식 5) 프로텍터의 구조 및 제원 그림 2.37 그림 2.39에는 터널 확대시 안전 대책과 사용된 프로텍터의 규격을 나타내었다. 그림 2.37을 보면 안전의 확보를 위해 프로텍터를 이용한 공사가 23건으 로 가장 많았고 다음으로 기존터널의 라이닝을 프로텍터로 이용한 사례가 5 건이 있었다. 프로텍터의 재질은 강재를 사용하였다

49 그림 2.37 터널 굴착시 프로텍터의 종류 그림 2.38을 보면 프로텍터의 연장은 시공연장과 같거나 약간 긴 경우가 많았다. 이는 터널 전 구간에 걸쳐 프로텍터가 설치되었음을 의미하는 것이 다. 또한, 터널연장이 300m 이내로 짧은 것을 알 수 있다

50 프로텍터의 높이는 약 4m가 가장 많고, 폭은 약3m부터 약8m로 편차가 크지만 4m정도가 가장 많았다.(그림 2.39). 그림 2.39 프로텍터의 제원 6) 터널 확대의 지보시스템 및 보조공법 표 2.10에는 수집한 터널 확대 자료 중 터널정보, 지반정보, 지보정보가 명 확히 기재된 15개소의 지보구조 및 보조공법을 정리하여 나타내었다. 가. 지보시스템 표 2.10의 확대터널은 시공연장이 비교적 짧고 토피고도 50m 이하에서 시 공된 경우가 많이 있으며 다양한 암종의 지반에서 수행된 것을 알 수 있다. 각 현장의 지반 물성값은 명시되어 있지 않지만 단편적으로 소개된 문헌과 암종 분포상 상당히 풍화가 진행된 지반인 것으로 추정할 수 있다. 이때 지보시스템은 신설터널과 마찬가지로 숏크리트, 록볼트, 강지보공이 주가 됨을 알 수 있다. 특히 록볼트는 확대터널에서도 주지보재로서의 역할이 크며, 시공은 좁은 공간에서 작업이 이루어지므로 경사볼트를 채용하고 있는

51 곳도 있으며 길이가 짧은 것을 연결하여 시공하는 경우도 있다. 지반이 견고 한 경우에는 강지보를 생략하는 경우도 있으며, 숏크리트는 15 30cm까지 타 설한 현장이 많다. 즉 기존터널의 확대시에도 신설터널의 지보시스템과 유사하며 단지 좁은 공간에서 작업이 이루어지기 때문에 기존공법의 시공성을 향상시키는 노력과 적절한 작업 프로세스를 구축하는 것이 중요함을 알 수 있다. 그림 2.40에는 확대시공 사례 30개소의 지보구조를 나타내었다. 확대시의 지보구조는 신설터널에서 이용하는 표준지보패턴(일본토목학회 터널표준시방 서)을 적용하고 있는 경우가 15건으로 가장 많고 이외에 현장 상황에 맞게 지 보구조를 변경적용하고 있는 경우도 9건 있었다

52 표 2.8 지보구조 및 보조공법(일본사례) 터널명 연장 (m) 최대 토피고 (m) 신설 단면적 (m2) A 터널 B 터널 C 터널 암종 시공 지보상태 보조공법 화산각력암, 화산쇄설암 중생대 변성대의 심한풍화 화강암(마사토화 됨) NATM(상부선진) 표준지보 지반개량공(천단부) 재래공법(중단도갱, 상반선진) 숏크리트 t=20cm, 강지보 H150 녹색편암 NATM(상부선진) 표준지보, 측벽부만 록볼트 시공 훠폴링(부분적으로 우레탄 주입) D 터널 제3기 퇴적암인 이암 NATM(상부선진) 표준지보, 단 록볼트는 수평으로 한쪽에 2본 설치 훠폴링 E 터널 응회질사암, 역암의 호층 F 터널 애추퇴적암, 응회암 NATM(-) G 터널 H 터널 I 터널 J 터널 K 터널 제3기 퇴적암, 사암(qu=10MPa) 안산암질응회각력암( qu=13.5mpa) 안산암력(qu=60 80M Pa) 제3기 사암, 이암의 호층(qu=40MPa) 제3기 신생대 세류사암 제3기 신생대의 응회암(qu= M Pa) NATM(3분할시공) 표준지보, 패턴볼트(인력시공+연결볼트) 갱구부 훠폴링 재래공법(상반선진, 링컷) NATM(상반선진) NATM(측벽도갱선진) NATM(측벽도갱선진) NATM(상반선진) 표준지보, 록볼트는 천단부 L=3.0m, 40 의 경사타설 표준지보(재래지보 때문에 볼트 없음), 1.0m) 표준지보, 숏크리트 t=15 20cm, 록볼트(패턴볼트)L=4.0m(인력시공+연결볼트) 표준지보, 강지보(H200), 숏크리트 t=25cm 강지보 없음, 숏크리트와 록볼트만으로 지보 L 터널 사암 NATM(-) 지보불명확, 인력시공+레그에 의한 연결볼트 M 터널 N 터널 점판암을 기반암으로 하며 상부에 화산역층, 용결응회암, 단구퇴적물 NATM(상반선진) O 터널 1, 사암 이암호층, 셰일 NATM(상반선진) 강지보(H200), 숏크리트 t=30cm 보강볼트 화강섬록암 NATM(상반선진) 숏크리트 t=15 20cm, 록볼트 1.5m) 숏크리트 t=25cm, 록볼트 L=4.0m, 서쪽은 지반개량으로 록볼트 생략 선행볼트(천단부) 특별히 없음 선행볼트(천단부) 측벽도갱선진, 전구간 훠폴링 측벽도갱선진 전구간 훠폴링 분기부에 록볼트 보강 주입식훠폴링

53 그림 2.40 확대터널의 지보구조 수집된 30개소 터널 중 터널정보, 지반정보, 지보정보가 명확히 기재된 15 개소의 지보구조 및 보조공법을 정리하면 다음과 같다. 1 지반이 연약한 경우는 시공연장에 관계없이 훠폴링을 실시하고 있는 경 우가 많았다. 2 지반의 연경에 관계없이 상하반 분할시공의 예가 많았다. 3 강지보공은 1.0m의 사용예가 많다. 이것은 설계표준으로 서 갱구부의 표준지보패턴을 따르고 있는 것으로 판단된다. 4 지반이 견고한 경우는 강지보공을 설치하지 않는 경우도 있었다. 5 록볼트에 관해서는 각 시공조건에 따라 사양을 변경하여 적용하고 있 다. 또한, 크게 분류하여 아래와 같이 시공됨을 알 수 있다. - 패턴볼트를 기본으로 하는 경우(표준패턴) 자천공 볼트 L=4m를 레그 드릴로 시공, 1m 4본을 연결시공 - 훠폴링을 기본으로 하는 경우

54 상반 훠폴링만 시공 상반 훠폴링+록볼트(변칙배열, 측벽부 록볼트 생략)한 사례 - 상반 SL부분에서 수평으로 L=4m를 한쪽에 2본 시공 - 상반 완료 후 하반 시공 전에 설치 나. 보조공법 확대터널의 보조공법은 훠폴링과 록볼트가 주로 사용되고 있으며, 극히 연 약한 지반에서는 신설터널과 마찬가지로 측벽 혹은 상부에서 선진도갱 공법 이 이루어지는 경우가 많다. 이외에는 신설터널과 비슷하나 표 2.8의 F, H터 널은 프로텍터를 설치하기 전에 기존터널의 라이닝에서 배면 지반쪽으로 록 볼트를 타설해서 선행보강을 해 놓은 상태에서 확대한 것이 특징이다. 또한, G터널의 경우처럼 특별한 보강 없이 주변을 확대하는 경우도 있다. 각 터널 의 지반조건, 보강공법 및 보조공법의 주요 제원은 아래와 같다. 1 록볼트를 주 보조공법으로 사용한 시공사례 그림 2.41에는 록볼트를 주 보조공법으로 사용한 확대터널의 지보패턴을 나타내었다. 확대터널의 제원은 다음과 같다. 기존터널 시공년도 : 확대터널 시공년도 : 숏크리트 : t=10cm, 20cm 록볼트 : L 3.0m 8본/단면 보조공법 : 배면주입 모르타르, 록볼트 L CTC 1.5m

55 그림 2.41 록볼트를 주 보조공법으로 한 신설터널의 표준패턴 사례 2 훠폴링을 주 보조공법으로 사용한 시공사례 그림 2.42에는 훠폴링을 주 보조공법으로 사용한 확대터널의 지보패턴을 나타내었다. 확대터널의 제원은 다음과 같다. 기존터널 시공년도 : 1939 확대터널 시공년도 : 지보공 : 숏크리트 : t=25cm 록볼트 : L 4.0m 4본/단면, CRC 1.0m 보조공법 : 훠폴링 L 17본/단면, CRC 1.0m

56 그림 2.42 훠폴링을 주 보조공법으로 한 터널 확대굴착

57 2.2 기존 기술의 문제점 국내외 사례조사 결과 교통의 흐름을 유지하기 위해 강재프로텍터를 설치 하고 내부로는 차량의 통행을 허용하고 외곽부를 소요의 단면으로 확대굴착 하는 것으로 나타났다. 즉, 본 연구에서의 운영 중 터널 확대공법은 이 강재 프로텍터에 의해 기존의 교통 차단형 터널 확대나 신설터널 건설과는 설계 시공 시와는 다른 여러 가지 특징을 가지게 되며 이로 인해 다음과 같이 몇 가지 사항에 대한 연구가 선행되어야 한다. 첫째로 기존터널이 건설된 후 그 외곽부를 굴착하는 것이므로 터널 굴착 시 지반의 거동이 신규터널과는 다른 특성을 보일 것으로 예상된다. 특히 확 대의 종류나 확대차선에 따른 거동특성을 정량적으로 분석할 필요가 있을 것 으로 판단된다. 또한, 확대 굴착 시 기존터널의 지보재에 미치는 영향과 발생 할 수 있는 거동에 대한 예측이 선행되어야 할 것이다. 두 번째로 기존터널의 내부에 터널의 건축한계와 같은 프로텍터를 설치하 기 때문에 외곽부 작업공간이 다른 방법들에 비해 협소하게 되므로 주요지보 재 및 보조공법은 좁은 공간에서 이루어져야 한다. 이를 해결하기 위해 록볼 트를 경사로 설치하거나 몇 개의 세그먼트로 나누어 설치시 연결하는 연결볼 트의 형태로 적용되는 경우가 많다. 하지만 록볼트는 축력을 받는 부재이므로 이를 경사로 타설하면 보강력이 작아지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 경 사록볼트 타설 시 타설각도별 보강효과에 대한 정량적인 분석이 필요하다. 세 번째로 프로텍터의 설계하중이다. 프로텍터는 내부 차량을 보호하고 외 곽부의 굴착작업이 가능하게 해주는 장치이므로 확대 굴착 시 어떤 경우에도 안정성이 확보되어야 한다. 이를 위해서는 우선 프로텍터에 작용할 수 있는 하중을 산정하고 구조적으로 안전하도록 설계해야 한다. 프로텍터에 작용하는 하중으로는 버력이 쌓여서 생기는 상재하중, 굴착장비에 의한 장비하중, 기타 하중 및 발파시 버력의 충격하중이 있다. 상재하중이나 장비하중 및 기타하중 은 산정하는 방법이 크게 어렵지 않고 용이하나 버력의 충격하중은 산정법이 정량화되어 있지 않으므로 이를 평가할 수 있는 방법의 개발이 필요하다. 국 외 시공사례를 보면 기계식 굴착이 대부분을 이루었으나 국내의 경우 소형장

58 비의 수급이 용이하지 않고 NATM에 대한 경험과 노하우를 매우 많이 보유하 고 있으므로 발파에 의한 굴착방법이 경제성이나 안정성 측면에서 매우 유리 할 것으로 판단된다. 따라서 충격하중에 대한 평가가 매우 중요할 것이다. 또 한, 충격하중은 버력의 중량과 관계되는 부분이므로 버력의 크기가 프로텍터 충격하중 산정에 적용된 크기를 넘지 않도록 발파설계에 적용하여야 할 것이 다. 네 번째로 프로텍터의 설치길이 즉, 보호범위를 합리적으로 산정하는 것이 다. 국내의 경우 일본과는 다르게 터널의 연장이 대부분 수 km에 이르므로 이를 모두 강재 프로텍터로 보호하면 경제성이 떨어지게 된다. 이를 해결하기 위해서는 보호가 필요한 부분만 보호하고 다음 굴착 시 프로텍터를 이동하는 즉, 이동식 프로텍터를 적용하여야 할 것으로 판단된다. 따라서 굴착면 전후 방에 대한 명확한 지반의 거동특성 및 확대 굴착으로 인해 기존터널의 지보 재가 안정을 확보하고 있는가를 파악하여 보호가 필요한 범위를 합리적으로 산정하여야 한다

59 제 3 장 운영 중 터널 확대시 지반 거동특성 분석 3.1 개요 터널 확대는 신규터널 건설과는 달리 그 내부에 이미 건설된 터널이 존재 한다. 따라서 확대터널 뿐만 아니라 기존터널의 거동특성도 함께 분석되어야 하며 응력의 해방과 이로 인한 하중전이 특성이 신규터널 건설과는 다를 것 으로 판단된다. 또한, 확대차선이 동일하다 하더라도 확대종류에 따라 굴착조 건이 변경되므로 각 조건에 따른 거동특성분석이 필요하다. 본 장에서는 3차원 유한요소해석을 통하여 터널 확대시 지반의 거동특성을 분석하였다. 우선 확대차로 및 확대종류에 따른 지반의 거동특성을 분석하여 변위측면에서 유리한 확대종류가 무엇인지 파악하였으며 지반변위가 크게 발 생하는 확대종류를 선택하여 지반의 물성변화에 따른 거동특성 분석을 실시 하였다. 다음으로 확대 굴착시 기존터널의 지보재가 어떤 거동을 보이는지 분 석하였으며 협소공간에서 사용되는 경사 록볼트의 보강효과에 대하여 분석하 였다(그림 3.1). 그림 3.1 운영 중 터널 확대시 지반거동특성 분석항목

60 3차원 유한요소 해석에 사용된 프로그램은 MIDAS GTS이며 지반의 구성모델 은 탄소성해석을 위해 Mohr-Coulomb을 사용하였다. 굴착단계별 거동특성을 파 악하기 위해 시공단계해석을 수행하였으며 시공단계 구성은 그림 3.2와 같다. 그림 3.2 시공단계 구성

61 3.2 수치해석을 통한 지반 거동특성 확대차선에 따른 지반 거동특성 (1) 해석조건 및 모델링 본 해석은 기존의 터널을 양측 확대시공 시 1차로를 2차로, 3차로, 4차로로 확대하는 경우와 2차로를 3차로, 4차로로 확대하는 경우의 지반 거동특성을 분석하기 위하여 수행되었다. 표 3.1에 확대차선에 따른 굴착단면적을 나타내 었으며 그림 3.3에 나타내었다. 표 3.1 확대 차선에 따른 굴착단면적 구 분 굴착단면적(m 2 ) 1차로 또는 2차로 대비 굴착비(%) 1차로(기존터널) 차로 2차로 차로 3차로 차로 4차로 차로(기존터널) 차로 3차로 차로 4차로

62 그림 3.3 확대차로에 따른 굴착비의 변화 그림 3.3에서 굴착면적비는 기존에 건설된 터널의 단면적에 대한 확대터널 건설 시 굴착되는 면적의 비를 나타낸 것이다. 그림에서 보면 1차로를 3차로 이상으로 확대하는 경우 굴착면적이 1차로 단면적에 비해 3배 이상 증가하는 것을 알 수 있다. 해석에 적용된 지반 및 지보재 물성값을 표 3.2에 나타내었으며 터널의 제 원과 지보패턴은 그림 3.4와 표 3.3에 각각 나타내었다. 표 3.2 확대터널의 지보재 물성값 구분 단위중량 (kn/m 3 ) 점착력 (MPa) 마찰각 ( ) 탄성계수 (GPa) 포아송비 지반 연성 숏크리트 강성 숏크리트 록볼트

63 그림 3.4 차로별 터널제원 표 3.3 확대터널의 지보패턴 구 분 단 위 1차로 2차로 3차로 4차로 굴진장(전단면굴착) m 설치개수 ea 3 14~15 16~17 22~23 록볼트 설치길이 m 종방향 CTC m 횡방향 CTC m 상부만 숏크리트 두께 m 터널 확대는 그림 3.4와 같이 양측 확대로 가정하였다. 터널은 심도 60m 에 위치한다고 가정하였으며 지반은 연암으로 가정하였다. 지반 경계가 해석 결과에 미치는 영향을 최소화하기 위해 해석영역을 충분히 크게 하였으며 굴 착 길이는 80m, 1회 굴진장은 1m로 하였다. 그림 3.5에 해석영역을 나타내었 으며 그림 3.6에 모델링한 터널을 나타내었다

64 그림 3.5 해석영역 그림 3.6 터널 모델링

65 (2) 결과검토 1) 천단침하 그림 3.7에 확대된 터널의 천단침하 변화를 나타내었다. 그림 3.7에서 확대 터널의 천단침하를 보면 확대 차로가 증가할수록 천단침하가 증가하였으며 기존터널의 단면이 작을수록 즉, 굴착면적이 클수록 증가하였다. 표 3.4에 이 를 나타내었다. 그림 3.7 확대터널의 천단침하 표 3.4를 보면 확대터널의 천단침하는 굴착단면적이 증가할수록 증가하는 것을 알 수 있으며 굴착단면적과 거의 직선비례관계를 보이는 것으로 보아 기존터널과 확대터널의 굴착비가 커질수록 응력해방이 크다는 것을 알 수 있 었다. 그림 3.7에서 기존터널을 확대하는 경우와 새롭게 건설하는 경우의 천단침 하를 보면 같은 차로의 터널 건설시 확대에 의한 천단침하가 작게 발생하는 데 이것은 기존터널 확대의 경우 응력 재분배가 다시 이루어진 안정된 상태 로 굴착 면적이 작기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 같은 차로의 터널을 건 설하더라도 확대에 의한 터널 건설이 변위 측면에서 유리할 것으로 판단된다

66 표 3.4 굴착면적과 침하량의 상관관계 구분 굴착 단면적 (m2) 침하량 (mm) 상관그래프 확대 (1 3) 확대 (2 3) 신설 3차로 확대 (1 4) 확대 (2 4) 신설 4차로 그림 3.8에 확대에 따른 기존터널의 천단침하를 도시하였다. 확대터널의 천 단침하와 유사하게 기존터널의 차로가 동일한 경우 확대터널의 차로가 클수 록 기존터널의 천단침하는 증가하는 것으로 나타났다. 이는 확대터널의 차로 가 클수록 응력해방이 크기 때문에 굴착면 전방의 기존차선에서 분담하는 하 중이 증가하기 때문으로 판단된다. 하지만 동일한 차선으로 확대하는 경우에 는 기존터널의 단면이 클수록 천단침하가 증가하는 것으로 나타났으며 확대 터널과는 반대의 경향을 나타내고 있다. 이는 기존터널의 차로가 작을수록 굴 착단면적이 증가하여 응력의 해방이 더 크게 발생하지만 굴착면 전방에서 해 방된 응력을 지지하는 지반은 기존터널의 차로가 작을수록 크기 때문인 것으 로 판단된다. 즉, 해방된 응력의 차이보다 지지하는 응력의 차이가 더 크기 때문에 이러한 현상이 나타나는 것으로 판단된다. 천단침하는 굴착면에서 멀어질수록 일정한 값으로 수렴되었다. 기존터널과 확대터널 모두 0 10m이내에서 급격히 변한 후 10 20m에서 완만히 변화하 다가 20m이상에서는 모두 수렴되었다. 따라서 이동식 프로텍터를 이용하여 기존터널을 보호하면 굴착면 전방 0 20m 사이를 보호해야 할 것으로 판단된

67 다. 이는 石 村 和 明 (2005)가 4개소의 확대터널 계측 결과를 종합한 결론에서 단 면 확대에 의한 기존터널에의 영향범위는 최대 1.5D 2D 정도로 분석한 결과 와 유사한 것으로 나타났다. 그림 3.8 기존터널의 천단침하 2) 숏크리트 휨응력 표 3.5에는 확대시 숏크리트에 작용하는 주응력의 변화를 알아보기 위해 기존의 1차로와 2차로 터널을 확대할 때 나타나는 주응력 분포도를 나타내었 다. 여기서 보면 확대터널의 차로가 증가할수록 응력은 굴착면 방향으로 집중 되는 것을 볼 수 있으며 2차로보다는 1차로 터널을 확대할 때 이러한 현상이 더 크게 나타났다. 이는 전술한 바와 같이 기존터널의 단면이 클수록 횡방향 보다는 종방향 아칭현상이 크기 때문으로 판단된다. 또한, 확대에 의해 기존 터널의 숏크리트에 미치는 영향 범위는 천단변위가 수렴되기 전인 굴착면으 로부터 0 20m이내 임을 알 수 있으며 이 영역에 대하여 프로텍터로 보호해 야할 것으로 판단된다

68 표 3.5 확대시 숏크리트 주응력 분포도 기존 터널 1차로 2차로 굴착 전 2차로 확대 - 3차로 확대 4차로 확대 蒲 田 活 久 (2000)는 수치해석을 통해 터널 확대가 이루어지는 경우 기존터널 라이닝에는 굴착면 전방으로는 0.5D, 굴착면 후방으로는 2D 정도에서 응력이 증가한다고 보고하였는데 이를 그림으로 나타내면 그림 3.9와 같다

69 그림 3.9 기존터널 라이닝 영향범위 확대종류에 따른 지반 거동특성 앞에서 확대차선에 따른 지반 거동특성을 분석해 보았다. 여기서는 확대종 류에 따른 지반 거동특성을 분석하였으며 이를 위해 모든 조건을 동일하게 한 상태에서 확대종류만 변화시켰다. 또한, 물성에 따른 변화도 분석하기 위 해 탄성계수와 점착력을 변화시켜 해석하였다. (1) 해석조건 및 모델링 확대의 종류는 크게 하부부분, 상부부분, 편측, 양측 확대로 분류할 수 있 다. 국내의 경우 기존의 산악터널로 시공된 곳은 연암 이상의 암반이 예상되 므로 본 연구에서는 연암지반의 강도특성을 4가지로 분류 후 수치해석을 통 해 기존의 1차로 터널을 3차로 터널로 편측 및 양측으로 확대시 터널의 거동 특성을 분석하였다. 탄성계수와 점착력에 따라 다음 표 3.6의 4가지 경우에 대하여 해석을 수 행하였다

70 표 3.6 확대종류에 따른 해석 케이스별 지반 물성값 구분 탄성계수 (GPa) 포아송비 ( ) 단위중량 (kn/m 3 ) 점착력 (MPa) 마찰각 ( ) Case Case Case Case 터널은 1차로에서 3차로로 확대되는 것으로 하였으며 터널의 지보는 록볼 트와 숏크리트만을 고려하였다. 해석에 사용된 터널의 단면 및 지보재의 물성 값은 도로터널 표준단면을 사용하였다(표 3.7 참조). 표 3.7 지보재의 물성값 구 분 연성 숏크리트 강성 숏크리트 탄성계수 (GPa) 포아송비 ( ) 단위중량 (kn/m 3 ) 비 고 두께 1차로: 8cm 차로: 12cm 록볼트 길이 1차로: 4m 3차로: 5m - 설치개수 1차로: 2m/ 6ea 3차로: 1.2m/18ea 해석영역은 지반의 크기에 따른 영향을 최소화하기 위해 3차로 터널의 외 곽으로부터 상 하 좌 우 동일하게 3차로 터널 등가직경(12.5m)의 4배로 하 였다. 터널의 굴착은 연암인 것을 고려하여 전단면 굴착으로 하였으며 1회 굴 진장은 1m로 하였다. 표 3.8에 각 확대공법별 생성한 지반과 터널의 메쉬를 나타냈다

71 표 3.8 확대공법별 수치해석 모델링 양측 확대공법 편측 확대공법 지반 터널 지반 터널 (2) 결과분석 1) 천단침하 확대시 지반의 강도에 따른 기존터널의 천단변위 경향을 표 3.10에 나타내 었다. 아래 그림에서 알 수 있듯이 기존터널의 천단변위는 지반의 점착력보다 탄성계수에 따라 크게 변하였으며 양측 확대보다는 편측 확대에서 다소 크게 산정되었다. 하지만 변위가 수렴하는 지점은 지반의 강도 및 확대공법과 관계 없이 굴착면으로부터 약 15m 즉 3차로 터널 직경 기준으로 1.25D 지점이다. 그림 3.11에 확대종류에 따른 확대터널의 천단변위를 나타내었다. 확대에 따른 확대터널 자체의 천단변위 경향은 기존터널의 경향과 유사하게 나타났 다. 점착력보다는 탄성계수에 따라 크게 변하였으며 양측 확대보다는 편측 확 대에서 크게 산정되었다. 변위가 수렴되는 지점은 약 12 15m 사이로 지반의 강도 및 확대공법과 상관없이 유사한 지점에서 수렴되었다

72 (a) 양측 확대 (b) 편측 확대 그림 3.10 확대종류에 따른 기존터널의 천단변위

73 (a) 양측 확대 (b) 편측 확대 그림 3.11 확대종류에 따른 확대터널의 천단변위

74 2) 지표침하 지표침하는 지반의 강도가 같을 경우 확대공법에 관계없이 거의 일치하였 다. 확대에 따른 지표침하를 그림 3.12에 나타내었다. 3) 내공변위 확대시 기존터널에서 발생하는 내공변위를 분석한 결과 편측 확대에서 다 소 크게 산정되었다. 그림 3.13을 보면 (-)변위가 발생하였는데 이는 터널을 확대하면서 굴착된 부분의 단면이 축소되고 응력의 재분배가 일어나면서 기 존터널의 단면이 다소 확대되었기 때문으로 판단된다. 내공의 확대는 양측 확대보다 편측 확대에서 더 크게 나타났다. 즉 굴착에 의한 굴착면면으로의 응력집중이 편측 확대에서 더 크게 일어났다. 이상의 결과를 종합해 보면 다음과 같다. 1 기존 1차로 터널을 2, 3, 4차로 터널로 확대하는 경우 천단변위는 신규 터널 환산직경의 최대 2D 부근에서 수렴하는 것을 알 수 있으며, 이는 기존 시공 사례와 유사한 것으로 나타났다. 2 기존터널의 록볼트 축력 변화로부터 기존터널의 약 2D에 신규터널이 근접하면 축력 변화가 발생하는 것으로 나타났다. 3 기존터널의 콘크리트 라이닝 천단부 압축응력의 변화는 록볼트 축력의 변화와 유사하게 신규 터널의 굴착면이 후방 2D로 접근하면 변화가 시 작되어 1D에서 가장 급격히 변하는 것으로 나타났다

75 (a) 양측 확대 (b) 편측 확대 그림 3.12 확대종류에 따른 지표침하

76 (a) 양측 확대 (b) 편측 확대 그림 3.13 확대종류에 따른 기존터널의 내공변위

77 3.2.3 지반물성에 따른 지반 거동특성 확대차선과 확대종류에 따른 지반거동을 살펴본 결과 양측보다는 편측에서 변위가 더 크게 발생하는 것으로 나타났다. 즉 굴착단면적이 같은 경우에도 터 널의 기하학적인 위치에 따라 거동특성이 변하는 것을 알 수 있었다. 본 장에 서는 확대종류를 편측확대로 고정하고 확대차선의 조건도 동일하게 유지한 상 태에서 지반의 물성만 변화시켜 확대터널과 기존터널의 거동특성을 분석하였 다. (1) 해석조건 및 모델링 터널의 길이는 120m이며 2차로에서 4차로로 확대하는 경우를 가정하였다. 4차로 터널의 환산직경을 D라고 하였을 때 터널 좌우로는 3D, 하부로는 2D, 상부는 2D를 해석영역으로 설정하였다. 적용 지보패턴, 지보재 물성 및 터널의 제원은 앞서 해석한 것과 동일하며 보수적인 결과를 얻기 위해 전단면 굴착을 하였다. 지반의 물성치는 최근 터널 설계 26건에 적용된 설계정수를 수집하여 통계 분석을 실시하였으며 그 결과를 토대로 해석 모델을 산정하였다. 따라서 본 해 석에서는 지반의 모암에 의한 특성은 반영하지 않았으며 불연속면과 지하수 등 암반의 상태에 따른 특성만 반영하였다. 통계분석결과를 다음 표 3.13에 나 타내었다. 표 3.9에서 알 수 있듯이 탄성계수와 점착력의 경우 변화의 범위가 크며 단 위중량, 포아송비 및 마찰각은 적용값의 변화가 매우 적음을 알 수 있다. 변화 가 큰 탄성계수와 점착력의 첨도를 보면 2.6에 근접한 값으로 정규분포에 가깝 다고 할 수 있으며 이는 특정값을 주로 사용하는 것을 나타낸다. 결국 같은 등 급의 지반일 경우 설계정수들이 어느 정도 정해져 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과와 터널의 거동특성에 미치는 영향을 고려하여 다음 표 3.10 와 같이 총 12개의 해석 모델을 결정하였다. 표 3.10를 보면 포아송비, 단위중 량, 점착력 및 마찰각은 최대값과 최소값에 대하여 해석을 실시하였으며 해석 시 해당 변수 이외의 값들은 최빈값을 사용하였다. 탄성계수의 경우 터널의 거 동에 크게 영향을 주므로 최소값, 1분위수, 최빈값(case 7과 동일), 3분위수 및 최대값에 대하여 해석하였다

78 표 3.9 터널 지반 물성값의 통계분석 결과 구분 단위중량 (kn/m 3 ) 점착력 (MPa) 마찰각 ( ) 탄성계수 (MPa) 포아송비 평균 , 중앙값 , 최빈값 , 표준 편차 , 분산 E 첨도 왜도 범위 , 최소값 최대값 , 관측수 표 3.10 해석케이스별 지반 물성값 해석케이스 단위중량 (kn/m 3 ) 점착력 (MPa) 마찰각 ( ) 탄성계수 (MPa) 포아송비 포아송비 단위중량 점착력 마찰각 탄성계수 CASE , CASE , CASE , CASE , CASE , CASE , CASE , CASE , CASE , CASE , CASE , CASE

79 (2) 결과분석 그림 3.14에 확대터널의 천단침하를 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 Case 1 8에서 탄성계수가 5,000MPa로 동일할 때 다른 물성값의 변화에 관계 없이 천단침하는 거의 유사한 것으로 나타났다. 즉, 터널의 천단침하는 다른 물성값에 의한 영향은 거의 없고 탄성계수에 크게 영향을 받는 것을 알 수 있 다. 또한, 탄성계수가 5,000MPa이하일 경우에는 변화의 폭이 매우 크고 그 이 상에서는 크지 않은 것으로 나타났다. 그림 3.15에는 지반 탄성계수에 따른 최종 천단침하량을 도시하였다

80 그림 3.14 확대터널의 천단침하 그림 3.15 지반탄성계수에 따른 최대 천단침하량의 변화

81 그림 3.15에서도 알 수 있듯이 탄성계수가 5,000MPa 이하일 경우에는 최대 천단침하량의 변화가 매우 클 것으로 판단되며 그 이상에서는 완만한 변화를 보일 것으로 판단된다. 지반의 탄성계수와 최대 천단침하량은 R 2 =0.998로 거듭 제곱의 식으로 매우 잘 근사하는 것을 알 수 있으며 근사식은 식 (3.1)과 같다. 따라서 확대 조건이 동일한 경우 지반의 탄성계수에 따른 최대 천단침하량을 용이하게 파악할 수 있을 것으로 판단된다. (3.1) 여기서, : 최종 천단침하량(mm) : 지반의 탄성계수(MPa) 그림 3.16에는 터널 확대시 기존터널의 천단침하를 나타내었으며 그림 3.17 에는 최대 천단침하량과 탄성계수와의 관계를 나타내었다. 기존터널의 경우에 도 확대터널과 유사하게 천단 침하특성은 다른 지반 물성보다는 탄성계수에 따라 크게 변하는 것을 알 수 있었으며 탄성계수와 상관관계가 양호함을 알 수 있다

82 그림 3.16 기존터널의 천단침하 그림 3.17 지반탄성계수에 따른 최대 천단침하량의 변화

83 이상의 결과를 종합해 보면 다음과 같다. 1 터널 확대시 터널의 변위는 지반의 탄성계수에 크게 영향을 받으며 탄 성계수가 5,000MPa이하에서는 변화의 폭이 크게 나타났다. 2 회귀분석 결과 터널의 최대 천단침하량은 지반의 탄성계수와 다음 식과 같이 거듭제곱의 관계를 보이며 상관계수는 R 2 =0.998으로 매우 잘 근사 함을 알 수 있다 터널 확대시 종단변형곡선 제안 (1) 개요 종단변형곡선은 터널 굴착면을 중심을 터널종방향으로 전 후방에 대한 터 널 중심으로의 변위를 도시한 것이다. 종단변형곡선은 터널 굴착 시 하중분담 율을 산정하거나 지반반응곡선(Ground Reaction Curve, GRC)과 지보재특성곡 선(Support Characteristic Curve, SCC)과 더불어 지보재의 설치시기 및 지반과 지보재의 상호작용을 이해하는데 매우 중요하다. 종단변형특성에 대한 개략을 그림 3.18에 나타내었다. 그림 3.18 종단변형특성 개요도(이인모, 2004)

84 본 절에서는 위에서 수행된 확대차로, 확대종류 및 지반의 물성에 따른 수 치해석결과를 종합분석하여 터널확대특성을 고려할 수 있는 종단변형곡선 (Longitudinal Deformation Profile, LDP)을 제안하고자 한다. (2) 종단변형곡선 제안 Carranza and Fairhust(2000)는 Chen 등이 대만의 수력발전소 공동(cavern) 시공시의 실측자료를 바탕으로 회귀분석한 결과 다음과 같은 터널종단변형 곡 선식을 제안하였다. exp (3.2) 여기서, : 굴착면으로 부터의 거리(후방은 +, 전방은 - ) : 터널 임의의 지점 에서 중심방향의 변위 : 중심방향 최대 수렴변위 : 원형터널의 반지름 이두화 등(2002)는 여러 지반을 대상으로 수치해석한 결과를 토대로 지반의 물성과 관계없는 다음과 같은 터널종단변형 곡선식을 제안하였다. exp (3.3) 기존에 제안된 터널종단변형 곡선식을 살펴보면 최대변위에 대한 임의의 지 점 에서 중심방향 변위의 비 즉, 터널굴착 시 해방된 응력에 대해 굴착면 전 후방에서 거리에 따른 분담율은 지반의 물성과는 무관하며 오직 터널의 크기와 상관관계가 있음을 알 수 있다. 터널의 종단변형에 대한 이러한 특성은 다음 그림 3.19를 보면 알 수 있는데 이것은 3.2.3절의 2차로 터널을 4차로 터

85 널로 확대시 지반물성에 따른 수치해석결과를 이용하여 각 케이스별 최대 변 위에 대한 각 지점별 변위의 비를 도시한 것이다. 그림 3.19 최대 변위에 대한 각 지점별 변위의 비 위의 그림에서 알 수 있듯이 최대 천단침하에 대한 각 지점별 천단침하의 비는 지반의 특성과 관계없이 거의 유사한 것으로 나타났다. 즉 터널의 굴착에 따라 해방된 응력이 터널 종방향으로 재분배될 때 지반의 물성과 관계없이 길 이방향으로 일정한 비율로 분배됨을 의미한다. 결과를 종합해보면 터널의 종단 변형특성 중 내공 변위비는 굴착되는 터널의 크기에 대한 함수이며 기존에 제 안되었던 식으로부터 다음과 같이 일반화할 수 있다

86 exp (3.4) 여기서, : 굴착면으로 부터의 거리(후방은 +, 전방은 - ) : 터널 임의의 지점 에서 중심방향의 변위 : 중심방향 최대 수렴변위 : 원형터널의 반지름 : 회귀상수 하지만 식 (3.4)는 신규로 건설되는 터널의 반경만 고려하기 때문에 터널이 건설된 상태에서 즉, 기존터널이 건설되어 있는 상태에서 터널을 확대하는 경 우를 고려할 수 없는 한계가 있다. 이는 3.2.1절의 확대차로별 수치해석결과를 살펴보면 알 수 있다. 그림 3.20과 3.21에 2차로를 3차로와 4차로로 확대하는 경우와 신규로 3차로와 4차로 건설할 때 종방향 내공변위의 비를 도시하였다. 그림 차로 3차로 확대 VS. 3차로 신규건설 시 종단변형특성

87 그림 차로 4차로 확대 VS. 4차로 신규건설 시 종단변형특성 식 (3.4)에 의하면 차로가 같다면 동일한 종단변형특성을 보여야 하는데 그 림 3.20과 3.21을 보면 동일한 차로일지라도 확대터널과 신규터널의 종방향변 형특성이 다른 것을 알 수 있다. 특히 굴착면 전방에서 더 큰 차이를 보이는데 그 이유는 확대터널의 경우 기존터널이 건설되어 있어 해방된 응력을 지지할 수 있는 지반의 신규터널에 비해 작기 때문으로 판단된다. 그림 3.22에는 확대터널에 대해서만 종단변형특성을 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 확대터널의 경우 굴착면을 기준으로 전 후방의 특성이 다른 것 으로 나타났으며 굴착면 전방의 경우 기존터널의 차로가 동일하면 굴착면과의 거리에 따라 내공변위비의 변화는 유사한 경향을 보인다. 그러나 굴착면 후방 의 경우 기존터널의 차로가 동일하더라도 다른 경향을 보이며 확대터널의 차 로가 동일한 경우에도 기존터널의 차로에 따라 다른 경향을 나타낸다. 굴착면 적이 작을수록 경사가 급한 경향을 보이고 있다. 따라서 터널 확대시 지반의

88 종단변형특성은 굴착면 전 후방을 분리하여 파악하여야 하며 굴착면 전방의 경우에는 기존터널의 특성이 지배적이므로 이를 고려하여야 하며 굴착면 후방 의 경우 기존터널과 확대터널의 상대적인 차이인 굴착면적에 대한 고려를 하 여야 할 것으로 판단된다. 따라서 굴착면적을 등가의 원형터널 직경으로 환산 하면 이를 쉽게 고려할 수 있을 것이다. 즉 기존의 터널 직경(R) 대신에 등가 의 원형터널 직경( )을 적용하면 보다 정확한 종단변형특성을 알 수 있을 것이다. 그림 3.22 확대터널별 종단변형특성 이상의 결과를 토대로 다음과 같이 확대터널의 종단변형곡선의 일반식을 제 시하였다

89 인 경우(굴착면 후방의 경우) exp (3.5) 인 경우(굴착면 전방의 경우) exp (3.6) 여기서, : 굴착면으로 부터의 거리(후방은 +, 전방은 - ) : 터널 임의의 지점 에서 중심방향의 변위 : 중심방향 최대 수렴변위 : 확대터널의 반경 : 기존터널의 반경 : 회귀상수 즉, 식(3.5)은 굴착면 후방에서 굴착면적에 따라 변하는 종단변형특성을 고 려하기 위하여 굴착면적을 등가의 원형터널 반경으로 나타낸 것이며 식 (3.6)은 굴착면 전방에서 종단변형특성은 기존터널 크기에 지배되는 특성을 나타낸 것 이다. 제안된 종단변형곡선식의 회귀상수를 구하기 위하여 3.2.1절의 확대차로 별 수치해석결과를 모두 이용하여 회귀분석을 실시하였다. 확대차로별 수치해 석결과를 이용한 이유는 제안식이 기존터널과 확대터널의 상대적인 차이를 반 영하기 때문에 여러 가지 경우의 조합이 필요하였기 때문이다. 회귀분석결과 상관계수 =0.991이며 회귀상수 =0.958, =-1.171이다. 2차로 터널을 3차로, 4차로 터널로 확대하는 경우에 대해 수치해석결과와 제안식에 의해 산정된 결과 및 Carranza and Fairhust(2000)와 이두화(2002) 등 의 제안식에 의한 결과를 비교하여 도시하였다(그림 ). 그림에서 볼 수 있듯이 제안된 식은 터널확대 특성을 고려할 수 있으므로 Carranza and Fairhust(2000)와 이두화(2002) 등의 제안식에 비해 터널 확대시 터널종단변형특 성을 잘 표현할 수 있음을 알 수 있다

90 그림 차로 3차로 확대시 제안된 종단변형곡선 검증 그림 차로 4차로 확대시 제안된 종단변형곡선 검증

91 이상의 결과를 종합하면 다음과 같다. 1 확대터널과 기존터널의 최대 천단침하량에 대한 지점별 천단 침하량의 비 즉, 터널 종방향에 따른 응력의 재분배율은 지반의 물성과 상관성이 거의 없는 것으로 나타났으며 굴착 터널의 크기에 따라 변하는 것으로 나타났다. 2 기존에 제안된 종단변형곡선식에 의하면 차선이 동일하면 동일한 종단 변형특성을 보여야 하는데 동일한 차선이라도 확대터널과 신규터널의 종방향 변형특성이 다르며 특히 굴착면전방에서 차이가 나는데 확대터 널이 신규터널에 비해 굴착에 의한 영향 범위가 크게 나타났다. 그 이 유는 확대터널의 경우 기존터널이 건설되어 있어 해방된 응력을 지지할 수 있는 지반의 신규터널에 비해 작기 때문으로 판단된다. 3 터널 확대시 지반의 종단변형특성은 굴착면 전 후방을 분리하여 파악 하여야 하며 굴착면 전방의 경우에는 기존터널의 특성이 지배적이므로 이를 고려하여야 한다. 굴착면 후방의 경우 기존터널과 확대터널의 상 대적인 차이인 굴착면적에 대한 고려를 하여야 할 것으로 판단되며 식 (3.5), 식(3.6)과 같이 확대터널의 종단변형곡선의 일반식을 제시하였다. 4 수치해석결과를 이용하여 회귀분석한 결과 상관계수 =0.991이며 회귀 상수 =0.958, =-1.171으로 상관성이 크게 나타남을 알 수 있다. 5 제안식을 검증하기 위해 수치해석결과와 기존에 Carranza and Fairhust(2000)와 이두화(2002) 등이 제안한 식과 결과를 비교하였다. 그 결과 제안식은 터널확대의 특성을 반영함으로서 기존에 제안된 식에 비 해 수치해석결과와 가장 잘 일치하는 것으로 나타났다. 6 따라서 지반의 최대변위 예측식을 개발한다면 제안식을 이용하여 지반 의 변위 및 거동특성을 용이하게 파악할 수 있을 것으로 판단된다

92 3.3 터널 확대시 지보재 거동특성 확대시 기존터널 지보재에 미치는 영향 (1) 모델링 본 절에서는 확대 굴착시 기존터널의 지보시스템의 응력 변화를 검토해 보 았다. 터널, 지보시스템 제원 및 모델링 방법은 3.2.1절과 동일하게 적용하였 다. 확대가 필요한 터널은 대부분 NATM 이전의 터널로 예상되지만 기존터널 의 라이닝 콘크리트에 관한 물성값 등의 제원에 관하여서는 많은 의문이 남 아 있다. 본 검토에서는 라이닝 물성값 산정을 위해 한국건설기술연구원(2006) 에서 조사한 노후터널의 각종 물성값을 참고로 하였다. 그러나 표 3.11에 제 시한 바와 같이 동일 터널에서도 큰 편차를 보이고 있어서 중간값인 13MPa을 이용하였다. 라이닝의 모델링 방법에 관하여서는 많은 논란이 있지만 본 검토 에서는 단순화를 위해 굴착보다 1 굴진면 뒤에서 타설하여 연성(4,900MPa), 강성(16,660MPa)을 거치는 것으로 설정하였다. 기존 노후터널의 경우 록볼트 가 없는 경우가 많지만 본 해석에서는 분석을 위해 중앙부 및 좌우 스프링 라인에 각 1개씩 총 3개의 록볼트가 시공된 것으로 가정하였다. 표 3.11 노후터널의 라이닝 상태 터 널 코어시험편 일축압축강도(MPa) 형 식 지 보 Min. Max. R 마제형 콘크리트라이닝 R2 - - 마제형 콘크리트라이닝 R 마제형 콘크리트라이닝 R 마제형 콘크리트라이닝 R 마제형 콘크리트라이닝 R 마제형 콘크리트라이닝 R 마제형 콘크리트라이닝 R 마제형 ASSM S R/C Box - S 마제형 NATM T 마제형 NATM

93 (2) 결과분석 그림 3.25에는 기존터널 1차로를 2, 3, 4차로로 확대하는 경우의 천단변위 를 나타내었다. 1차로를 2차로로 확대하는 경우는 굴착면 후방 약 2.0D에서 수렴하며, 3차로로 확대하는 경우는 후방 약 2.5D에서 수렴하고 4차로로 확대 하는 경우는 후방 약 3.5D 부근에서 수렴하는 것을 알 수 있다(여기서, D는 1 차로 터널의 환산직경) 이를 확대하는 신규터널의 환산직경으로 분석하면 약 1.3D에서 1.5D의 범위에 해당된다. 이를 기존터널의 시공사례( 石 村 利 明, 2005) 와 비교해 보면 신규터널 후방 약 2D 부근에서 천단변위가 수렴하는 경향과 유사하다. 또한, 굴착면 전방의 침하도 신규터널 직경 D로 환산하면 약 2D 이 내에서는 수렴하는 것을 알 수 있다. 그림 3.25 터널 확대별 천단침하 그림 3.26에 1차로 터널을 2, 3, 4차로 터널로 확대 굴착하는 경우 1차로 터널의 천단부에 설치한 계측용 록볼트에 작용하는 축력을 도시하였다. 신규 터널이 차로별로 각각 2D, 0.5D, 1.5D에 근접하면 록볼트에 의미 있는 변화가

94 일어나기 시작하는데 이를 신규터널의 직경으로 환산하면 각각 1.3D, 0.5D, 0.6D에 해당된다. 또한, 축력은 공통적으로 굴착면에 근접할수록 압축력이 증 가하고 있는데 특히 기존터널의 1D 후방까지 신규터널 굴착면이 근접하면 축 력 변화가 큰 것을 알 수 있다. 이로 보아 기존터널의 외곽부 확대 굴착에 따 른 영향범위는 최대 2D(기존터널 환산직경)인 것으로 판단할 수 있으며 이는 기존 시공사례( 石 村 利 明, 2005)의 결과와 유사한 것으로 나타났다. 그림 3.26 터널 확대시 기존터널의 록볼트 축력변화 그림 3.27에는 기존 1차로 터널을 2, 3, 4차로로 확대 굴착하는 경우 신설터 널의 굴착면이 분석굴착면에 접근함에 따른 기존터널의 콘크리트 라이닝의 천단부에 증가되는 압축응력의 변화를 나타내었다. 응력의 변화를 살펴보면 록볼트 축력의 변화와 유사하게 차로에 관계없이 신규 터널의 굴착면이 후방 2D로 접근하면 변화가 시작되어 1D에서 가장 급격히 변하는 것으로 나타났

95 다. 차로별 변화량을 살펴보면 차로가 클 경우 가장 큰 변화를 보였다. 이것 은 굴착된 지반이 부담하던 응력을 좌우, 전방 지반이 부담하는 아칭효과로서 4차로의 경우에 굴착량이 가장 많아 아칭효과가 가장 크게 나타나기 때문인 것으로 사료된다. 그림 3.27 터널 확대시 콘크리트라이닝 응력변화 경사 록볼트의 지보효과 NATM에서 록볼트는 굴착방향에 연직하여 정해진 개수와 길이로 설치하며 이의 효과로는 암괴의 탈락방지, 빔형성, 아치형성, 지반개량 등의 효과가 있 는 것으로 알려졌으며 숏크리트와 함께 터널의 기본적인 지보재를 구성한다. 이때 록볼트는 굴착방향에 연직하여 굴진장마다 설치하게 되는데 장소가 협 소하거나 시공여건상 4 5m의 볼트 삽입이 어려운 곳은 짧은 볼트를 연결하 여 사용하거나 경사지게 타설하는 경우가 있다. 특히 해외에서 일부 시공실적 이 있는 운영 중 터널 확대의 경우는 기존터널의 대부분을 프로텍터가 차지 하고 있기 때문에 굴착방향에 연직하여 록볼트를 타설 할 수 없어 경사지게

96 타설하는 경우가 발생하고 있다. 여기서는 수치해석을 통해 록볼트를 연직방향으로 설치하는 경우와 설치각 도가 있는 경우의 지보효과 및 지보재 거동을 분석하였다. (1) 모델링 지반은 연암으로 가정하였으며 연암의 물성값은 도로설계편람(2010) 터널 편의 국내 터널 시공실적에 의한 암반의 대표 물성값을 사용하였다. 적용된 연암의 물성을 표 3.12에 나타내었다. 표 3.12 지반의 물성값(국토해양부 도로설계편람, 2010) 단위중량 (kn/m 3 ) 점착력 (MPa) 마찰각 ( ) 탄성계수 (MPa) 포아송비 K o 록볼트의 설치 각도에 따른 지반 및 지보재의 거동을 분석하기 위하여 록 볼트의 설치길이는 4m, 설치간격은 2m로 고정하고 설치각도(θ)를 30, 40, 60, 75, 90 로 변화시켜 해석을 수행하였다(표 3.13 참조). 표 3.13 해석 모델 선정 구분 θ = 30 θ = 45 θ = 60 모델링 구분 θ = 75 θ = 90 전체 종단 모델링

97 각 해석 case별 지반의 거동분석은 굴착면 후방 20m(약 2.0D) 떨어진 지점 에서 스프링라인의 수평내공변위와 천단침하를 분석하였으며, 지보재의 거동 분석은 후방 19m 위치에 설치된 록볼트 축력 변화와 후방 18 20m 타설된 숏크리트의 연직응력을 분석하였다. (2) 결과분석 1) 록볼트 축력 및 숏크리트 연직응력 록볼트의 설치각도에 따른 지보재의 거동을 분석하기 위해 록볼트의 축력 과 숏크리트의 연직응력 변화를 살펴보았다. 그림 3.28(a)의 록볼트의 축력은 설치각도별 굴착면 후방 19m 지점에 설치된 록볼트에 발생되는 최대 축력을 도시한 것이며, 그림 3.28(b)의 숏크리트 연직응력은 굴착면 후방 18 20m 사 이에 타설된 숏크리트 천단의 연직응력을 록볼트 설치각도별로 도시한 것이 다. 록볼트의 설치각도에 따른 축력의 변화를 살펴보면 수직(90 )설치 되었을 경우 가장 큰 축력을 보이며 75 변곡점으로 75 까지는 완만히 변하다가 75 이 하에서는 급하게 변화하는 경향을 나타내었다. 또한, 설치각도가 30 일 경우 에는 록볼트 전체의 축력이 압축력(-)을 보이는 것으로 나타났다. (a) 록볼트 축력 (b) 숏크리트 연직응력 그림 3.28 록볼트 축력 및 숏크리트 연직응력

98 숏크리트의 연직응력은 록볼트와 반대의 경향을 보이는데 이는 록볼트가 1 차적으로 지반의 변형을 억제하고 숏크리트가 2차적으로 억제를 하기 때문으 로 생각된다(표 3.14). 표 3.14 록볼트 축력 및 숏크리트 연직응력 분포 축력 분포도 연직응력 분포도 θ = 30 θ = 45 θ = 60 θ = 75 θ =

99 2) 내공변위 및 천단침하 그림 3.29는 굴착면 후방 20m 지점에서의 내공변위와 천단침하를 도시한 것이다. 그림에서 알 수 있듯이 내공변위와 천단침하는 비슷한 양상을 보이고 있다. 록볼트를 수직 설치하였을 때 지반변형이 가장 적게 발생하였으며 설치 각도가 낮을수록 변형이 커지는 경향을 보이고 있다. 하지만 변화정도는 매우 미소하며 이는 본 연구에서 가정된 2차로가 굴착면적이 작고 암반의 물성값 이 크기 때문인 것으로 판단된다. (a) 내공변위 (b) 천단침하 그림 3.29 터널 내공변위 및 천단변위 본 절에서는 협소공간에서 록볼트의 수직설치가 어려워 경사로 설치하면 지반의 거동을 분석하기 위해서 모든 변수들은 고정하고 록볼트의 설치각도 만 변화시켜 일련의 수치해석을 수행하였으며 해석결과를 분석한 결과 다음 과 같다. 1 록볼트의 설치각도에 따른 축력의 변화를 살펴보면 수직(90 ) 설치되 었을 경우 가장 큰 축력을 보이며 75 를 변곡점으로 75 까지는 완만 히 변하다가 75 이하에서는 급하게 변화하는 경향을 나타내었다. 또한, 설치각도가 30 일 경우에는 록볼트 전체의 축력이 압축력(-)을 보이는 것으로 나타났다

100 2 따라서 록볼트가 인장부재임을 고려할 때 30 로 설치하면 록볼트의 기 능을 기대하기 어려울 것으로 판단된다. 3 숏크리트의 연직응력은 록볼트와 반대의 경향을 보이는데 이는 록볼트 가 1차적으로 지반의 변형을 억제하고 숏크리트가 2차적으로 억제를 하 기 때문으로 판단된다. 4 터널의 내공변위와 천단변위를 살펴본 결과 록볼트를 수직 설치하였을 때 지반변형이 가장 적게 발생하였으며 설치각도가 작을수록 변형이 커 지는 경향을 보이고 있다. 하지만 변화정도는 매우 미소하며 이는 숏크 리트에 발생되는 연직응력을 볼 때 본 연구에서 설정된 암반의 물성값 이 높고 굴착량이 적어 암반의 변형자체가 적기 때문인 것으로 판단된 다. 5 따라서 추후 암반의 물성, 록볼트 설치 길이 및 설치 간격, 차선을 고려 한 연구가 필요할 것으로 판단된다

101 제 4 장 운영 중 터널확대를 위한 프로텍터 설계 4.1 개요 교통의 흐름을 유지하면서 터널을 확대하기 위해서는 굴착에 의한 버력이 나 장비로부터 차량을 보호하고 작업자의 안전을 위해 그림 4.1과 같이 내부 에 프로텍터를 설치하게 된다. 그림 4.1 운영 중 터널 확대 개요도 프로텍터는 운영 중 터널 확대공법의 가장 큰 특징으로 작업자 및 운행차 량을 보호하는 역할을 한다. 그러나 앞 장의 국외 사례분석에서 알 수 있듯이 프로텍터는 대부분 강재로 제작, 운반, 조립 및 설치되어 그 비용이 매우 크 기 때문에 프로텍터는 안전성뿐만 아니라 경제성 또한 확보하여야 한다. 프로텍터의 설계는 일반 구조설계와 그 방법은 동일하다. 우선 단면의 설 계에서는 가해지는 하중을 구하고 부재에 발생하는 응력을 계산하여 재료의 허용응력을 만족하는 지를 검토하고 이 결과를 토대로 단면의 축소 및 확대, 부재의 배치 등을 변경하여 기준에 만족하도록 설계하는 것이다. 즉, 프로텍 터 설계에서의 핵심은 그림 4.2와 같이 공사 중 프로텍터에 가해지는 하중에 대한 분석과 프로텍터가 보호해야할 범위를 산출하는 것이다. 앞 장의 국외 설계 시공 사례에서 보면 기존터널 전체를 프로텍터로 보호

102 하고 기계굴착을 통해 터널을 확대하고 있으며, 대상터널의 연장은 보통 100m 이내가 주를 이루고 있음을 알 수 있다. 이 경우에는 기존터널 전체를 보호하므로 프로텍터의 설치범위를 산정할 필요가 없다. 하지만 국내의 경우 터널 연장이 수 km가 되는 경우 이를 모두 보호하는 것은 합리적이지 못할 것이다. 따라서 본 공법을 국내에 적용하면 기존터널 전체를 보호하는 것이 아니라 굴착면 전후 보호가 필요한 범위를 합리적으로 산출하여 필요한 부분 만 보호하고 다음 굴착 시 프로텍터를 이동하는 방식을 택해야 경제성을 확 보할 수 있을 것이다. 또한, 국내의 경우 발파굴착에 대한 연구와 경험이 많 기 때문에 기계굴착보다는 발파굴착이 공사기간 및 비용면에서 유리할 것으 로 판단되며 발파시에는 차량을 통행시킬 수 없으므로 교통흐름을 분석하여 적정 발파시간을 산정하여야 한다. 본 장에서는 그림 4.2와 같이 프로텍터의 설치범위 맟 설계하중에 관한 연 구를 수행하였으며 최종적으로 연구결과를 조합하여 프로텍터 설계 프로세스 를 제안하였다

103 그림 4.2 프로텍터 설계 시 핵심사항

104 4.2 프로텍터 설치범위 전술한 바와 같이 국내의 경우 터널 전체를 프로텍터로 보호하면 경제성 을 확보할 수 없으므로 프로텍터 설치범위를 정량적으로 산정하여야 한다. 따 라서 프로텍터의 설치범위에 대한 연구는 터널 확대시 발생될 수 있는 불안 정한 부분을 찾아내는 것이라 할 수 있다. 기존터널은 굴착 후 수 십년 이상 경과되었으므로 대부분 역학적으로 안정 된 상태를 보이고 있다. 그러나 기존터널의 외곽부를 굴착하게 되면 안정된 지반이 변형을 일으킬 수 있고 이는 기존터널의 라이닝과 지보재 또한 역학 적 불평형 상태가 될 수 있다. 그러므로 프로텍터는 그림 4.3에 나타낸 바와 같이 확대 굴착으로 인한 응력 전이로 인해 발생되는 굴착면 전후 지반의 변 위가 수렴되는 지점과 기존터널 지보재의 응력이 허용응력을 초과한 부분 중 큰 범위를 보호하여야 한다. 그림 4.3 프로텍터 설치범위 산정 시 검토사항

105 결국 프로텍터의 설치 범위는 굴착으로 인한 터널의 거동특성과 관련된다. 국내 노후터널의 경우 2차로인 경우가 많으므로 이를 4차로로 확대하는 경우 를 가정해 보자. 앞 장에서 2차로를 4차로로 확대시 12 경우의 지반 물성에 대하여 지반거동특성을 분석한 바와 같이 터널 변형특성은 다음의 식으로 예 측가능하다. 인 경우(굴착면 후방의 경우) exp (4.1) 인 경우(굴착면 전방의 경우) exp (4.2) 여기서, : 굴착면으로 부터의 거리(후방은 +, 전방은 - ) : 터널 임의의 지점 에서 중심방향의 변위 : 중심방향 최대 수렴변위 : 확대터널의 반경 : 기존터널의 반경 : 회귀상수 식 (4.1)을 이용하여 2차로에서 4차로 확대시 지반의 거동특성을 그래프로 나타내면 그림 4.4와 같다. 그림 4.4에서 알 수 있듯이 터널 확대시 굴착면 전 후 20m(2D) 구간에서 변위가 수렴하며 모든 해석에서 터널 지보재의 허용 응 력을 초과하는 현상은 발생하지 않았다. 따라서 굴착면 전후 20m(2D)부분을 프로텍터로 보호해야 할 것으로 판단된다

106 그림 4.4 지반거동에 따른 프로텍터 설치범위

107 4.3 프로텍터 설계하중 터널 확대시 교통류를 보존하기 위해서는 굴착 시 발생되는 낙석으로부터 차량을 보호해야 하며 이를 위해 터널 내부에 프로텍터를 설치한 후 기존터 널을 확대 굴착하게 된다. 프로텍터에 작용하는 하중은 지반의 굴착방법에 따라 다르며 터널 확대시 굴착방법은 크게 기계굴착과 발파굴착으로 분류된다. 그림 4.5에는 굴착 시 프로텍터에 작용할 수 있는 하중에 대하여 나타내었다. 기계굴착 시에는 굴착 장비 하중과 굴착된 버력에 의한 상재 하중 및 자유낙하에 의한 충격하중 그 리고 내부차량에 의한 충돌하중이 작용할 수 있으며 하중의 최대값은 이러한 하중들이 동시에 작용하는 것이다. 발파시에는 차량을 통행시킬 수 없고 어떠 한 작업도 이루어지지 않으므로 발파된 버력의 충격하중만이 작용할 것이고 발파 후에는 버력의 상재하중과 버력처리 장비의 하중 그리고 차량이 통행하 므로 차량충돌하중이 발생할 수 있다. 결과적으로 프로텍터에 작용하는 하중 은 버력의 상재하중, 충격하중, 장비하중 그리고 차량의 충돌하중이며 굴착방 법 및 상황에 따라 이러한 하중들을 조합하여 프로텍터를 설계해야 할 것이 다. 이를 다음 표 4.1에 나타내었다. 표 4.1 굴착방법별 하중조합 굴착방법 프로텍터에 작용하는 하중 버력상재하중 버력충격하중 장비하중 차량충돌하중 비고 기계굴착 O O O O O : 고려 발파 굴착 발파 전 O O 발파 O 발파 후 O O O 최대값 사용 표 4.1에서 기계굴착 시 버력의 충격하중은 버력의 자유낙하에 의한 충격 하중이며 발파시 버력의 충격하중은 자유낙하뿐만 아니라 발파에 의한 가스

108 압과 충격압이 더해진 하중의 조합으로 나타난다. 발파시에는 시점에 따라 3 단계로 나눌 수 있으며 이 중 최대값으로 프로텍터를 설계해야한다. 하지만 발파시 버력이 프로텍터에 가하는 충격하중에 대하여서는 정립된 산정식이나 연구된 바가 없기 때문에 이에 대한 연구가 필요하며 차량의 충 돌하중을 고려할 수 있는 방안에 대하여서도 연구되어야 한다. 따라서 본 장에서는 발파시 버력의 낙하로 인한 충격하중을 정량적으로 산 정할 수 있는 산정식을 제안하였으며 수치해석적으로 검증하였다. 또한, 충격 하중이 매우 크게 작용하므로 이를 저감하여야 할 것으로 판단되었으며 프로 텍터 상부에 충격 저감재를 설치하였을 경우 충격저감재의 물성에 따른 하중 특성을 평가하였다. 또한, 차량의 충돌하중을 고려할 수 있는 방안에 대하여 연구하였다. 그림 4.5 터널 확대시 프로텍터에 작용하는 하중

109 4.3.1 발파시 충격하중 산정식 제안 및 수치해석적 검증 (1) 발파시 충격하중 산정식 제안 발파에 의해 프로텍터에 가해지는 충격하중은 발파 시 발생되는 충격파와 가스압을 받은 버력이 그림 4.6와 같이 높이 H에서 낙하할 때 프로텍터에 가 하는 하중으로 볼 수 있다. 이때 버력의 높이는 순차적 발파로 인해 점점 높 아질 것으로 판단된다. 하지만 발파 지연시차가 매우 짧고 기존에 발파된 버 력과의 충돌로 인한 부서짐과 마찰 등 여러 요인에 의해 충격하중이 저감되 므로 프로텍터에 가해지는 하중은 최초 발파시 발생되는 버력에 의한 하중이 가장 클 것이다. 또한, 버력의 강성은 강재프로텍터에 비해 작으므로 충돌 시 부서짐, 마찰저항 및 공기저항에 의해 하중이 저감될 수 있으나 본 연구에서 는 이의 영향을 고려하지 않았다. 즉, 발파시 충격압과 가스압 및 버력의 위 치에 의한 충돌 하중이 모두 프로텍터에 가해지며 버력 및 프로텍터는 탄성 체로 가정하였다. 그림 4.6 발파 버력 Hertz는 그림 4.7과 같이 반지름이 인 탄성 구체가 탄성 평면위에 놓여있 을 때 힘 F (kn)를 가하면 접촉점 O에서 발생되는 변위 y(m)는 다음 식 (4.2) 과 같다(Johnson, 1985)

110 그림 4.7 반구형 탄성체의 충돌 [가정조건] 1 발생되는 변위는 매우 작으며 탄성 범위 내에 있다. 2 접촉면의 원의 반지름은 접촉하는 구체의 반지름에 비해 매우 작다. 3 접촉면에서는 마찰이 발생하지 않는다. 4 접촉면은 연속적이다. (4.2) 여기서, : 충돌하중(kN) : 충돌시 발생하는 변위 (m) : 접촉 구체의 반경(m), : 구체와 평면의 탄성계수( ), : 구체와 평면의 Poisson's ratio 그림 4.8과 같이 버력의 질량을 (ton)이라고 하고 충돌 시 속도를 이라 고 하면 뉴톤의 가속도법칙에 의해 충격하중 는 버력의 질량과 가속도 즉,

111 버력의 속도변화의 곱과 같으며 이를 식으로 표현하면 다음과 같다. 그림 4.8 버력의 충돌 (4.3) 또한 속도 ( sec)은 일 때 접촉점 O에서 국부적 압축에 의해 발생 되는 변위 (m)의 시간적인 변화와 같으며 이를 다시 시간에 대하여 미분하 면 가속도를 구할 수 있다. (4.4) 식 (4.2)을 식 (4.4)에 대입하고 변위 에 대하여 정리하면 다음과 같다. (4.5)

112 여기서 으로 치환하여 정리하면 다음과 같다. (4.6) 위의 식 (4.6)의 양변에 를 곱하고 까지 적분하면 (4.7) 이를 변형하면 다음과 같다. (4.8) 따라서 (4.9) 여기서, 일 때 이므로 최종적으로 다음 식을 얻을 수 있다. (4.10) 의 최대값은 일 때 발생하므로

113 이를 식 (4.10)에 대입하면 최대 변위값을 얻을 수 있다. m ax (4.11) 최대 변위에서 최대 충격하중이 발생하므로 식 (4.11)을 식(4.2)에 대입하여 정리하면 최대 충격하중은 다음과 같다. m ax (4.12) 낙하높이를 라 하면 충격 시 속도 이며 버력을 반지름 인 구형으로 가정하면 버력의 중량 혹은 (여기서, 은 버 력의 단위중량( )이므로,, 을 와 로 대체하면 최종적으로 최 대 충격하중식은 다음과 같다. m ax (4.13) 발파시 버력은 충격압과 가스압에 의해 초기 속도를 가지게 되며 이를 에 너지보존법칙에 의해 등가의 낙하높이로 환산하면 다음과 같다. (4.14) 여기서, : 발파시 충격압에 의한 버력의 환산 높이 (4.15)

114 여기서, : 발파시 가스압에 의한 버력의 환산 높이 따라서 버력의 초기높이가 일 때 버력의 낙하에 의한 충격하중은 최종 적으로 다음과 같다. 1 기계식 굴착시 버력의 자유낙하에 의한 충격하중 m ax (4.16) 2 발파에 의해 충격압과 가스압을 받은 버력 충격하중 m ax (4.17) 보통규모의 정상발파에서 비산하는 암편의 초기속도는 10 30m/sec로 추정 되므로(대한토지개발공사연구처, 1993) 이를 식 (4.17)에 적용하면 발파 버력의 충격하중을 산정할 수 있다. (2) 발파 충격하중의 수치해석적 검증 앞에서 발파 및 기계굴착 시 버력의 낙하에 의해 프로텍터에 작용하는 충 격하중 산정식을 도출하였다. 도출된 충격하중 산정식을 살펴보면 충격하중은 버력과 프로텍터의 탄성특성과 중량 및 높이의 함수임을 알 수 있으며 발파 에 의한 충격압과 가스압 또한 높이로 환산할 수 있다. 따라서 도출된 산정식 을 검증하기 위해 버력의 낙하높이를 변화시키며 수치해석결과와 산정식에 의한 충격하중을 비교하였다. 버력의 물성은 연암으로 가정하였으며 수치해석은 자유낙하를 모사할 수 있는 범용 유한요소 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다. 수치해석에 의한 충

115 격하중은 버력이 프로텍터에 충돌할 때 발생되는 프로텍터의 반력을 모두 합 하여 산출하였다. 프로텍터의 제원을 그림 4.9에 나타내었으며 적용된 물성은 표 4.2에 나타내었다. 그림 4.9 프로텍터 제원 표 4.2 버력과 프로텍터의 물성값 구 분 버 력 프로텍터 단위중량( ) 탄성계수( ) 1, ,000 포아송비 기 타 크기: 자중:

116 해석케이스는 총 8개이며 낙하높이를 2.5m, 5m, 7.5m, 10m, 12.5m, 25m, 35m로 변화시켰다. 또한, 해석의 편의를 위해 각 높이에 따른 충돌 시 속도를 버력에 적용시켜 해석을 수행하였다. 1) 결과검토 1 수치해석결과에 의한 충격하중 각 높이별 프로텍터에 작용하는 충격하중의 해석 결과를 다음 그림 4.10에 나타내었다. 그림 4.10 수치해석에 의한 높이별 충격하중 그림 4.10에서 최대 충격하중(+값)은 극히 짧은 시간에 발현되며 낙하 높이 에 비례하여 증가함을 알 수 있다. 여기서, -값은 프로텍터가 부양하려는 힘

117 으로 충돌에 의해 프로텍터가 진동하기 때문으로 판단된다. 최대 충격하중과 부양력은 낙하높이에 따라 증가하는데 낙하높이 따른 최 대 충격하중과 부양력의 비율을 다음 그림 4.11에 나타내었다. 표 4.3 낙하높이별 최대 충격하중과 부양력 낙하높이 (m) 최대 충격하중 (kn) 최대 부양력 (kn) 충격하중/부양력 (%)

118 그림 4.11 낙하높이별 충격하중과 부양력의 비율 그림 4.11에서 보면 최대충격하중과 최대 부양력의 비율은 초기에는 급격 히 증가하나 높이가 증가할수록 일정한 값으로 수렴되었으며 본 해석에서는 85% 내에서 수렴하였다. 최대 부양력은 낙하높이 35m일 때 kN이며 이 는 표 4.3에서 프로텍터의 자중인 kN을 초과하는 것으로 나타났다. 본 해석에서는 프로텍터의 길이를 12m로 하였으나 일반적으로 터널 확대시 수백 m에 걸쳐 프로텍터를 설치하므로 프로텍터의 자중에 의해 부양력은 상쇄작용 에 의해 문제가 되지 않을 것으로 판단되나 조립식 프로텍터의 경우 이음부 의 안전성을 검토해야 할 것으로 판단된다. 버력이 프로텍터에 충돌하면 큰 충격하중에 의해 프로텍터 내부에 큰 소음 이 발생될 것으로 예상되며 이는 차량 운전자의 안전을 저해하는 시키는 것 은 물론 충격하중과 비례하며 프로텍터의 단면이 커지므로 안전성과 경제성 을 확보하기 위해서는 프로텍터 상부에 충격하중 저감 방안을 수립해야 할 것으로 판단된다

119 었다. 2 도출된 산정식과 수치해석에 의한 충격하중의 비교 도출된 산정식과 수치해석에 의한 충격하중을 표 4.4과 그림 4.12에 나타내 표 4.4 도출된 산정식과 수치해석에 의한 충격하중 결과 낙하높이 (m) 산정식에 의한 충격하중 (kn) 수치해석에 의한 충격하중 (kn) 수치해석/산정식 (%)

120 그림 4.12 도출된 산정식과 수치해석에 의한 충격하중 비교 표 4.3와 그림 4.12에서 알 수 있듯이 도출된 산정식과 수치해석에 의한 충 격하중은 낙하높이가 증가함에 따라 값의 차이가 커지는 경향을 보이고 있으 나 낙하높이 35m에서 최대 83.7% 정도 수준이다 프로텍터 내부 통행 차량의 충돌하중 산정방안 내부 차량의 충돌에 의해 프로텍터에 가해지는 하중을 산정하기 위해 국내 외 기준을 살펴보았다. 관련 기준은 도로 방호벽과 관련된 것으로 프로텍터에 서의 충돌과 유사한 조건이므로 적용이 가능할 것으로 판단된다. 도로교설계기준(2005)에는 차량 방호울타리 설계는 도로안전시설 설치 및 관리 지침(차량방호 안전시설 편, 2001)에 준하여 실시하도록 명시하고 있으며 강성울타리의 경우 식 (4.18)에 의해 충돌하중을 산정할 있다. 프로텍터의 경

121 우 강재이므로 강성울타리로 가정할 수 있다. 노면상 1 m 높이에 교축을 따라 다음과 같은 횡방향 선하중이 작용. 여기 에서 는 차량의 충돌 속도(km/hr)로서 도로의 설계 속도로 볼 수 있다. (4.18) 도로안전시설 설치 및 관리지침(2001)에서는 강성 방호울타리의 설계하중 은 직선구간에서 방호울타리 상단에 1 ton/m, 곡률반경 의 곡선부에 대하여서는 2 ton/m 크기의 횡방향 선하중을 적용하는 것으로 하였다. 하지만 국내의 기준에서는 자체의 질량이나 충돌각을 고려하지 못하고 있 으므로 단점을 보완하기위해 미국의 NCHRP Report 86(1970)에 제시된 Olson 모델도 사용가능하다고 명시하고 있다. 차량 충돌하중 산정 시 자주 인용되는 식 (4.18)와 같은 Olson 모델이 제시 되어 있다. sin max sin cos (4.19) 여기에서, max : 최대 충돌하중, : 충돌 전의 차량 속도, : 차량 앞면으로부터 무게중심까지의 거리, : 차량 폭, : 충돌각도, : 방호울타리의 횡방향 변위, : 차량 중량

122 그림 4.13 Olson 모델에서의 기호 이상의 결과를 종합하면 국내의 기준에서는 차량의 중량이나 충돌 각에 대 한 고려 없이 일률적인 충돌하중을 산정하기 때문에 Olson 모델을 사용하여 산정하는 것이 합리적일 것으로 판단된다

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