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1 한국지반공학회논문집제 30 권 4 호 2014 년 4 월 pp. 21 ~ 34 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY Vol.30, No.4, April 2014 pp. 21 ~ 34 ISSN (Print) ISSN X (Online) 터널열화로인한콘크리트라이닝의거동에관한연구 A Study on the Concrete Lining Behavior due to Tunnel Deterioration 한영철 1 Han, Young-Chul 정상섬 2 Jeong, Sang-Seom Abstract This paper studies the time-dependent behaviors of tunnel and surrounding ground due to tunnel deterioration. In the first part, the literature on deterioration characteristics of tunnels was reviewed. In the second part, a numerical analysis was performed to investigate the behavior of concrete lining on the typical section of Korean high-speed rail tunnel (weathered rock) after determination of input variables related to deterioration impact. The result shows that the settlement at the crown of tunnel and surface ground increased up to 7.0% and 30.2% of the total settlements during construction stage, respectively, and the internal convergence reduction of 9.0 mm for concrete linings was generated within 30 years after completion of tunnel construction. Also the loosening height increased up to 2.55 times of tunnel height within 50 years, which is higher than that of Terzaghi s recommendation on ultimate state. Due to this process of extending zones, it is found that additional loads were applied to concrete lining with the axial stress about 3.20~3.66 MPa, which accelerates tunnel deterioration. Finally the quantitative design approach to evaluate time-dependent behavior of lining and surrounding ground due to tunnel deterioration was proposed. 요 지 본연구는터널열화특성과이와관련된각종문헌및사례조사를통하여비교분석하고정량적인해석을위한영향인자를도출하여입력변수를결정하고국내고속철도터널의대표단면 ( 풍화암 ) 에대하여수치해석을실시하였다. 해석결과는공용후 30년경과시열화로인하여천단침하량은 7.0%, 지표침하량은 30.2% 이증가하고내공변위는 9.0mm가수축한이후점차수렴되는경향을보였다. 또한이완하중고는공사완료후 50년경과시터널고의 2.55배까지증가하여극한상태에서의 Terzaghi의제안값보다상당히큰값을나타내었으며, 이러한소성영역의확장으로인하여터널라이닝에 3.20~3.66MPa의축응력이추가로작용하게되는경향을확인하였다. 따라서이로부터설계에반영할수있는정량적인예측기법을제안하였다. Keywords : Deterioration, Design life, Concrete lining, Creep, Hyperbolic law, Ground degradation 1 정회원, 연세대학교토목공학과박사후연구원 (Member, Ph.D. Research Associate, Dept. of Civil Engrg., Yonsei Univ.) 2 정회원, 연세대학교토목공학과교수 (Member, Prof., Dept. of Civil Engrg., Yonsei Univ., Tel: , Fax: , soj9081@yonsei.ac.kr, Corresponding author, 교신저자 ) * 본논문에대한토의를원하는회원은 2014년 10월 31일까지그내용을학회로보내주시기바랍니다. 저자의검토내용과함께논문집에게재하여드립니다. Copyright 2014 by the Korean Geotechnical Society This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 터널열화로인한콘크리트라이닝의거동에관한연구 21

2 1. 서론 1980년초국내도입된 NATM 터널은주변지반과 1차지보공 (shotcrete, rockbolt, steel rib, spiles 등 ) 및 2차라이닝 (secondary lining) 의이중 (double shell) 복합구조체로구성되며, 2차 ( 콘크리트 ) 라이닝은지하수차단과 1차지보공및 2차라이닝의분리를목적으로설치되는방수막 (waterproofing membrane) 의보호, 차량의통행에따른시계및미관확보등의목적으로 Final(concrete) lining, Permanent lining, Inner liner로도불리우고있다. 이러한터널구조물은시간이경과함에따라터널복합구조체에각종열화가진행되고노후화되어내구성의저하가발생하며내구수명및사용연한을감소시키는결과를초래하게된다. 따라서터널은공용후운영기간동안의열화로인한장기적인역학적인거동분석은매우중요하다할수있다. 이와관련하여국내에서는터널구조체의내용연수에대한명확한기준이다소미흡한실정이나외국의기준을준용한다면 90~150년을기준으로하고있다. 각종문헌 (Seo, 2002; Choo et al., 2011; KISTEC, 1997) 및각종터널안전진단보고서 (KISTEC, 2003) 에의하면 NATM공법으로시공된터널이과거건설된재래식 (ASSM) 터널보다상대적으로균열및변상이많고불량한상태를보이고있으며, 특히터널의구조적인안정성에위해가되는종단균열이다수발생하고있는것으로보고되고있다. 그사유로서 1차지보공의주지보재인 shotcrete의도입으로터널의변위가수렴된이후에 2차라이닝을설치하여라이닝의두께를최소화할수있었으나, 장기적으로는터널의열화에대하여상대적으로취약한상태일것으로추정할수있다. 최근에는 1차지보공을일시적 / 임시적인지보공 (temporary support) 으로간주하고이완하중을전하중으로하여 2차라이닝을설계하고있으나, 장기적인터널주변지반의열화 에대해서는아직반영하지않고있다. 현재터널의열화와관련하여 2차라이닝및 shotcrete 에대한연구가주를이루고상당히진척된상태이나, 주변지반에대한열화관련연구는미진한상태로서최근에들어국제적으로도 2차라이닝의내구성과병행하 여점차심도있고활발한연구가진행되고있다. 한편 2 차라이닝의경우에는강도저하가큰문제를야기치 않으며정기적인보수등유지관리가가능하나, 방수막 배면의 1 차지보공및지반에대한보수및보강은곤란 한실정이므로세부적인연구가절실한실정에있다. 터 널의장기적인안정성에대하여주요열화과정의영향을 평가하는방안으로지반및지보공의역학적인특성을저 하시키거나또는시간의존성을고려하는 rheological 모 델을사용한해석이가능하다. 본연구에서는터널의열화의특성과이와관련된각종문헌및사례조사를통하여비교분석하고정량적인해석을위한영향인자를도출하여입력변수를결정하였다. 또한터널주변지반의조건및지하수의물리 화학 적특성등은지역적으로각각상이하므로표준화하여 구분적용하기에는무리가있으므로, 국내에서적용하고 있는수도권고속철도터널대표단면 (PD-5: weathered rock) 에국한하여수치해석을실시하고열화에따른터 널의역학적인거동에대한연구를수행하였다. 2. 터널의내구수명및사용연한 (Design life and serviceability) 터널설계기준으로서내구수명및사용연한의규정 은 Table 1 과같이국가마다다소차이가있으며국내의 경우는합리적인개념의정립이필요한실정이다. Table 1에서보는바와같이전세계적으로도로및철도터널 의내구수명을 90 년이상으로규정하고있다. 단, 노르 웨이의경우에는주로산악터널로서지하수의영향이 Table 1. Recommendation of design life and serviceability Country Design life (years) Code/ Regulation France 100 French Association of Tunnels and Underground Spaces(AFRTS) USA The Federal Highway Administration (FHWA) 100 California High-Speed Rail Authority (CHSRA) U.K 120 Bureau of Transportation Statistics (BTS), BS5400 Germany 100 German Tunnelling Committee (DAUB) Swiss 90 Swiss Tunnelling Society (STS)-SIA Norway 50 Norwegian Tunnelling Society (NFF) 22 한국지반공학회논문집제 30 권제 4 호

3 거의없고비교적균질한암반으로구성되어있어 2 차 라이닝을설치하지않고 1 차지보공으로만시공되는단 일라이닝 (single shell) 구조를고려하여내구수명을규 정하였으므로이중복합체 (double shell) 구조의터널과 는다소차이가있다. 3. 터널의열화특성 3.1 열화에따른하중전이 터널복합구조체 ( 지반, shotcrete 및라이닝 ) 의열화 가진행함에따라주변지반의거동및지보공에작용하 는하중을 CCM(Convergence-confinement method) 의형 식으로지반특성곡선 (Ground characteristic curve, GCC) 과지보반응선 (support reaction line, SRL) 으로나타내 면 Fig. 1과같다. Fig. 1에서보는바와같이공용후초기상태인평형 상태의점 (ST eq) 에서시간이경과함에따라터널주변지 반및지보공에열화가발생하므로변위 ( ) 가증가하 며지보공이받는하중 ( ) 이증가하여장기하중단계 의점 (LT eq) 으로하중전이가발생하는것을나타내고 있다. 3.2 터널의열화원인 장기적으로터널운영과정중에발생하는터널복합 Fig. 1. Ground characteristic curve (GCC) and support reaction line (SRL) in a convergence-confinement Method (Sandrone and Labiouse, 2010) 구조체의열화현상에대한원인으로는물리적 (Physical processes), 화학적 (chemical processes) 및기타요인 (Other actions) 으로대별할수있다 (Sandrone and Labiouse, 2010). 물리적요인은 ageing 혹은 creep효과와같이시간이경과함에따라특성의변화가발생하는현상이며강성도의저하혹은변형률증가를일으키며, 화학적요인은풍화 (weathering) 나주변환경 ( 지하수, 대기오염등 ) 에따른화학적변화로서강도및역학적특성을감소시키며, 특히 shotcrete나라이닝의두께를감소시킨다. 또한기타요인으로서는동결, 화재등이있다. 과거에는열화가발생하는과정을 creep으로간주하여이론적인해석방안이주를이루었으나엄밀한의미에서지하수등의주변환경에따른화학적열화과정과다소차이가있으며, creep의발생은공사기간을포함하여초기에수렴되므로장기적으로발생하는추가변위는열화에따른거동이라추정할수있다 (Jiang et al., 2007). 한편터널복합구조체로서지반, shotcrete 및 2차라이닝에대하여각각열화원인별로발생하는일련의변화과정은다소차이가있다. 특히 German guideline DS 853(Deutsche Bahn AG, 2007) 에따르면지하수의침투는터널이지반전체의배수통로가되어주변지반에열화가발생한다고규정하고있다. 따라서터널주변지반의열화는터널굴착으로인하여주변지반에이완 ( 소성 ) 영역이발생하고장기적으로지하수로인한미립자의이동및유해화학적물질의침투등환경적인여건에따라주변지반의역학적특성의변화와강도저하 (degradation) 가발생하여점진적으로터널에추가변위가진행된다. 이에따라이완영역이확대되어 2차라이닝에추가하중이작용하게되어균열이발생하거나, 심할경우에는라이닝의파괴로인한붕괴에까지이르게된다 (CETu, 2011). 한편터널주변지반과지하수와의화학적상호작용 (chemical interaction) 은지반의강도를감소시키며 (Hagros, 2007), 특히그라우팅으로보강된지반이나 shale 혹은 gypsiferous materials 등과같은퇴적암 (sedimentary rocks) 은물에취약하여 leaching이나화학적작용에민감하다할수있다. 1차지보공 (shotcrete, rockbolt, steel rib, forepoling 등 ) 중주지보재인 shotcrete는시간이경과함에따라지하수침투로인한영향을받으며화학적성분의변화 (sulphates corrosion, calcium leaching 등 ) 로역학적특성의저하가발생한다. 즉 shotcrete는열화로인하여강도가저하되 터널열화로인한콘크리트라이닝의거동에관한연구 23

4 어지지력을상실하고터널주변의소성영역이확장되어터널라이닝에추가하중이작용하게되며, 최근의경향은 shotcrete는영구지보재가아닌임시지보재로간주하고있다. 콘크리트라이닝의경우는일반콘크리트구조물과같이노출면이나지하수면하에서열화가진행되며균열부를통하여열화가확장된다 (Grobbelaar, 1994). 일반적으로콘크리트의특성상터널운영초기에는강도가증가하게되나장기적으로는열화로인한노후화가빠르게진행된다. 지역에따라각각다양한열화요인이있으며, 주로지하수의영향이주된원인이라할수있다. 한편라이닝배면의방수막설치여부에따라열화진행속도에상당한차이가있다. 방수막이없거나혹은파손등으로충분한차수효과를기대할수없는경우에는라이닝내측 외측부에열화가발생하게되며, 특히외측부의지하수로인한용탈 (leaching) 로인하여내부로유출되는침출수는라이닝의역학적특성을크게감소시킨다. 또한라이닝외측에방수막이설치되는경우에는주로내측부만이열화가진행되며일반적으로두께의감소의원인이되며주로동상방지용염화칼슘에의한부식 (de-icing salts corrosion) 이나배기가스등으로인한탄산화 (ordinary surface carbonation) 가원인이라할수있다. 특히방수막을설치하는경우에는배수재로지하수침투가집중되어 shotcrete의열화가더빠르게진행될수있다 (Sandrone & Labiouse, 2010). 장기적인관점에서 shotcrete와병행하여사용되는각종지보재 (rock bolts, anchors, wire mesh 및 steel ribs 등 ) 는부식에취약하며, 또한시공과정및 shotcrete의추가변위등으로발생되는균열로인하여완벽히보호할수는없다. 4. 기존문헌조사및분석 4.1 Ageing(creep) 효과과거에는여러연구자들에의해터널주변지반의 ageing 효과를다양한 rheological(time effects) 모델을기초로하여연구하였다. 이러한효과를고려한터널주변지반의장기적인거동에대한이론은주로 Power law 및 Hyperbolic Law를이용하였으며 (Phienwej et al., 2007), 지반의구성모델 (constitutive model) 로서는 Maxwell 및 Kelvin-Voigt (Panet, 1979), Bingham(Berest and Nguyen Minh, 1983), Rousset(Rousset, 1990) 등이있다 (Sandrone & Labiouse, 2010). Ladanyi(1980) 는지반의구성모델 (constitutive model) 로서응력과무관한시간의함수로가정하여 non-linear viscoelastic model을이용하여 creep 거동에적용하였다. 이후여러학자들에의해 visco-elastic와 visco-plastic behaviour에대한연구가진행되었다 (Cristescu, 1985, 1994; Boidy, 2002; Nguyen Minh and Pouya, 1992). 또한 elastic visco-plastic behaviour(rousset, 1990; Fritz, 1984) 및 Elastic-plastic with strain softening(rousset, 1990; Barla, 2000) 가소개되었다 (Sandrone and Labious, 2010). 일반적으로 ageing은터널굴착후에시간이경과함 에따라발생하는 creep 과관련되며주로변형률에대한 모델 (Constantinescu and Cristescu, 1983) 로서축차응력 의함수이며, 변위속도및변형형태에밀접한관계가있 다. 이러한변형률의변화는다양한지반의종류에따라 각각의특성을달리한다. 이와같이과거 creep 과관련 된모델들은주로재래식터널을대상으로하고 1960 년 대에본격적으로사용된 shotcrete 의특성및열화에대 해서는고려하지않고있다. 4.2 터널주변지반의열화특성 Hyperbolic law(rate theory of creep) Ladanyi(1974) 에의하면화학적인풍화로인하여주 변지반의강도특성이장기적으로초기치의 30% 까지 감소하며, 쌍곡선법 (hyperbolic law) 으로임의시간의역 학적특성을구할수있는식 (1) 을제안하였다 (Sandrone and Labious, 2010). (1) 여기서, : 입력변수 (friction angle and cohesion c) 의초기치 : 최종단계의입력변수로서초기치 ( ) 의 30% 로가정 T t : 지반의풍화진전도와관련된시간상수 ( 일반적으로 1.0 사용 ) : 터널시공완료후임의시간 한편상기식에서강도특성 ( ) 의저하뿐만아니 24 한국지반공학회논문집제 30 권제 4 호

5 라탄성계수 (E) 도최종단계로서 40% 까지저하토록제안하였다 Hypothetical creep prediction Lenz 등 (2010) 은오스트리아의알프스를관통하는 Bosruck 도로터널 (NATM) 에서 27년간수집된자료를기준하여팽창성지반 (anhydratic shales) 의장기적인역학적인특성변화로서시간에따른 Creep 계수의분포로부터열화로인한지반특성의변화를식 (2) 와같이시간 (t) 이경과함에따라감소되는지반의탄성계수 로나타내었다 강도열화모델 ; 시간의존성강도저하를고려한해석 Nakagawa 등 (2004), Kawata 등 (2005) 및 Jiang 등 (2007) 에의하면터널굴착에따른주변지반의소성영 역은시간의존성인지반의열화 (degradation) 로인하여 영역이확대되고이러한이완영역은라이닝에추가하 중으로작용하며, Sato(1984) 가제안한파괴시간 - 응력비 의관계곡선 (Fig. 3) 으로부터식 (4) 와같은시간의존성 열화로인한산정식을이용하여라이닝의거동을분석 하였다. 단, 시간의존성강도저하는점착력 (c) 만을대 상으로하였다. (2) (R 1.0) (4) 여기서 는 creep 계수로서현장측정값으로부터역계산 (feed-back calculation) 하여식 (3) 의 hypothetical creep prediction curve로부터결정하였다. (3) 이로부터 Lenz 등 (2010) 은 Bosruck 2 nd Tube( 도로터널 ) 라이닝의두께를결정하는데있어 Fig. 2와같이 CCM에의한해석에상기식을적용하였다. Fig. 2에서터널시공완료후 (t=0) 라이닝에작용하는응력이 100 년후에는 4배이상증가하여라이닝의두께를당초 0.36m에서 1.12m로변경한사례를나타내고있다. 여기서, : Mohr-Coulomb(MC) 의파괴포락선접근도 ( 응력계수 ) λ : 강도저하속도 ( 경험치 ) Jiang 등 (2007) 은고제3기층의셰일과응회각력암층이분포하고있는 Nagasaki Tawarazaka 도로터널 ( 재래식터널 ) 에서장기간의지반조사로부터구한강도정수 (c) 의경시변화를고려하고터널내공변위의계측자료에대하여상기식 ( 강도열화모델 ) 과 creep 모델 (viscoelastic) 이용한수치해석을실시하여 Fig. 4와같이비교분석하였다. Fig. 4에서보는바와같이 creep 모델은초기에큰변위가증가하고이후에는수렴경향 Fig. 2. Results of the convergence confinement method to illustrate stress increase due to creep strain (Lenz et al., 2010) 터널열화로인한콘크리트라이닝의거동에관한연구 25

6 Fig. 3. Relationship between stress ratio and time (Jiang, et al., 2005) Fig. 5. Ground degradation model by Mohr s circle (Matsunaga, 2008) Fig. 4. Comparison of monitoring data and results of analysis (Jiang, et al., 2007) 을나타내고있으나, 강도열화모델은실측치와유사한거동을나타내고있다. 즉, 강도열화모델은시간이지남에따라지반강도가저하해가는반면, creep 모델은지반강도는경시적인변화가반영되지않기때문이다 (Jiang, 2005). 이후 Guan 등 (2008) 은이와유사한방법으로내부마찰각 ( ) 에대한시간의존성열화관계식을추가한 New Burger-deterioration rheological model을제안하여실제터널현장인 Ureshino Tunnel Line I( 재래식터널 ) 에서측정된계측결과와 FLAC을이용한수치해석으로비교분석하였다. Fig. 6. Strength (c) reduction curve (Matsunaga, 2008) 으로보강방안에대한검토를수행하였다. 검토대상은재래식터널인 Rokujurigoe 터널 (JR Tadami line) 이며지반상태는신제3 기퇴적암 ( 이암, 응회암 ) 으로서팽창성광물인 Montmorillonite를함유하고있어물에상당히취약한지반으로형성되고있으며, 실제현장에서의측정변위에대하여강도정수 (c) 의경시변화로환산하여 Fig. 6과같이열화에따른지반의전단강도분포를입력치로이용하였다. 단, 내부마찰각 ( ) 은변화가없는것으로가정하였다 지반열화모델에의한열화예측기법 ; Matsunaga (2008) Matsunaga(2008) 는 MC의항복기준을이용한지반 열화모델을사용하여 Fig. 5와같이초기응력상태 (peak strength) 의전단강도정수 ( ) 에서잔류응력상 태 (residual strength) 의강도정수 ( ) 로감소한다 는가정하에탄소성모델을사용하여유한차분법 (FDM) 지반강도저하모델 (Ground strength reduction model) Matsunaga(2008) 와 Yashiro 등 (2009) 은노후화된 A 터널 ( 재래식터널 ) 에대하여 Fig. 7과같이약 24년간측 정된내공변위계측자료와지반조사자료로부터전단 강도 (c) 와의관계를재현해석하여식 (5) 와같이지반 의열화에따른전단강도 ( ) 의근사곡선 (log 함수 ) 을 26 한국지반공학회논문집제 30 권제 4 호

7 Fig. 7. Results of Feedback analysis (Matsunaga, 2008) 결정하고탄소성모델을사용하여유한차분법 (FDM) 으로보강방안에대한검토를수행하였다. 터널의지반조건은유문암내지유문암질응회암으로열수변질을받아점토화되어있어열화에매우취약한상태이다. (5) 여기서, ; 지반의초기전단강도 A; 계수 t ; 경과시간 반응으로 shotcrete에직접적인손상이발생하여지지력은점차저하된다. 즉고결된조립구조가점차분리되어지지력을잃게되면 ground arch를형성한지반은응력의재분배가발생하여 2차라이닝에추가하중이작용하게된다. 특히 shotcrete와병행하여사용된보조재 (rock bolts, wire mesh, ribs, spiles 등 ) 는부식에충분이보호가될수없으며, 특히공사과정중혹은완료후추가발생하는변위로인하여 shotcrete에균열이발생하므로부식을방지할수는없다. 따라서터널의내용연수기간동안에초기의 shotcrete 의역할및지지력을기대할수는없기때문에일반적으로수치해석상에 shotcrete는일시적 / 임시적인지보공으로서장기적으로는단순히자갈등의조립지반으로간주할수있다 (Sandrone and Labiouse, 2010). 또한 shotcrete의강성과강도특성을고려하면낮은강도를갖는암반 (Gray Rock Philosophy; Hurt, 2002) 으로간주하여탄소성체로모델화하여열화에따른거동은탄성계수및압축강도를저하시켜수치해석을할수있다. Carde and Francois(1997) 및 Nguyen(2005) 은실내시험을통하여열화로인한역학적인특성의감소 ( ) 는열화된면적 ( ) 과초기단면 ( ) 의비에직접적으로비례한다고하여식 (6) 과같이제안하였다. 4.3 Shotcrete 의열화특성 국내에 NATM 터널의도입으로 shotcrete가사용된지 30여년경과된시점에장기적인내구성및거동에대한연구가다소미진한실정이다. 따라서 shotcrete의열화특성에대하여원인및효과에대하여명확히파악할필요가있다. 지하수나지표수의침투가있는경우물리, 화학적인 (6) 또한 Nguyen(2005) 에의하면콘크리트라이닝의 Young s Modulus(E) 와압축강도 (f c) 는열화에따라식 (7) 및 식 (8) 과같이저감된다고제안하였다. Fig. 8. Lifetime of sprayed concrete under a hydraulic gradient for 10 cm thick Blindtarmen test samples (Hagelia, 2011) 터널열화로인한콘크리트라이닝의거동에관한연구 27

8 (7) (8) 여기서, 및 는각각초기 Young s Modulus 및압축강도 는저감계수로서각각 0.66 및 0.76의값을사용 ( 보통콘크리트기준 ) 한편 Hagelia(2011) 의연구에의하면 black(alum) shale 지반에서도로사면및터널구간에서장기간에걸쳐조사된 shotcrete의부식 ( 열화 ) 현황과 shotcrete의화학적 열화에대한연구를목적으로 Blindtarmen test site 에서 장기간에걸쳐 (1952~1982) 화학적반응에대한시험을 시행한결과로부터 Fig. 8 과같이물리적, 화학적열화로 인한 shotcrete 부식두께의경시변화는최대 10cm/30 년 으로완전분해가발생하는것을확인하였다. 4.4 라이닝의열화특성 콘크리트라이닝은장기적으로유해한환경조건 ( 대 기의노출, 지하수의영향및균열을통한침출수유출 등 ) 에따라열화가발생하며 (Grobbelaar 1994), 방수막 이설치되는경우에는라이닝내측부가열화에대한취 약부가된다. 그러나방수막에결함이있는경우에는라 이닝의내 외측부가지하수침투로인한침출수에의해 물리, 화학적열화가발생하여 (sulphates corrosion, calcium leaching 등 ) 라이닝의역학적특성이저하되게된다. 황산염침식 (sulfate attack) 은시멘트중의소석회 (Ca(OH 2)) 및알루민산삼석회 (tricalcium aluminate) 와반응하여 Ettringite(hydrous calcium aluminium sulfate mineral) 를형 성하고현저하게팽창하여콘크리트를파괴한다 (KISTEC, 2003). 동해방지를위한염화칼슘 ( 주로 chlorides solutions, CaCl 2 및 NaCl) 살포는주된 Calcium leaching의원인이 라할수있다. 그러나지역적으로혹은살포량에따라 장기적인부식두께가상이하므로정확히판단하기어 렵다. 단지공용후 30년경과된 Cantons of Vaud and Ticino의터널조사결과로부터측벽은약 50mm, 천단 은 30mm 정도의두께가영향을받았다는기록이있다 (Sandrone and Labious, 2010). 또한배기가스 (CO 2) 의영향으로탄산화가진행되기도하며국내에서도재래식도로터널 (70년경과 ) 에대한정밀안전진단조사결과로부터탄산화 (Ordinary surface carbonation) 로인한영향이최대 59mm(Jung 등, 2007) 두께로발생한기록이있다. 콘크리트의열화는장기간에걸쳐화학반응이진행되며그반응과정과생성물은골재중의알칼리량이나염화물량, 환경조건등에따라영향을받는다. 화학반응은실제몇가지원인이복합하여발생하며화학반응부산물에의하여콘크리트재료가팽창하고공극및균열이발생하게된다. 이러한물리적, 화학적열화로인하여발생하는손상범위및두께는 shotcrete의산정식 ( 식 (7)~(10)) 과유사하게적용할수있다. 특히라이닝배면에방수막이없거나결함이있을경우에도지하수침투로인한콘크리트라이닝의물리, 화학적열화에대하여동일하게역학적인특성을나타낼수있다. 한편 Yokozeki 등 (2004) 에의하면 34년~104년경과된구조물들의상태를관측한결과 Calcium leaching에의한부식된두께가 100년간최대 100mm가발생한기록이있으며, 스위스 Flonzaley 터널 (Sandrone and Labious, 2010) 에서개통후 30년경과된콘크리트라이닝시료를채취하여시험한결과초기일축압축강도가 45MPa 에서 39MPa로저하된것을확인한자료로부터열화진행두께 ( ) 의산정식 (Mainguy and Coussy, 2000) 을식 (9) 와같이제안하였다. (m) (9) 여기서, 열화진행속도 a는재료의특성상수로서물 / 시멘트비 (w/c) 에따라결정되며, w/c=0.5인경우에 a=5.2e-4 ( ) 의값을나타낸다. 5. 열화에따른터널거동해석터널의복합구조체 ( 지반, shotcrete 및 2차라이닝 ) 에대하여열화에대한예측기법은아직도명확한해법이없으나각종문헌및계측자료로부터매개변수를도출하고각종이론및경험식을토대로하여열화에따른경시변화에대한추이를판단할수있다. 따라서본연구에서는수도권고속철도터널표준단면 (Type PD-5: weathered rock) 에대하여국내에서실용 28 한국지반공학회논문집제 30 권제 4 호

9 적으로사용되고있는유한차분법 (FDM) 프로그램인 FLAC 2D(Ver. 7) 를이용하여열화따른터널의거동해 석을수행하였으며, 지반재료의거동은 Mohr-Coulomb (MC) 파괴기준을따르는 Eastic-perfectly-plastic 구성모 델로하고, shotcrete 및 2 차라이닝은 Linear elastic 구성 모델을적용하였다. 5.1 해석단면및초기입력물성치 Fig. 9. Typical section of analysis 본연구에서해석단면은수도권고속철도터널표준단면 (PD-5: weathered rock) 의폭 13.54m, 높이 10.16m 로하고 (Fig. 9) 표준지보패턴은상하부반단면굴착단면을적용하였다. 지반조건은풍화암의단일지반으로하고토피는대심도로서터널고의 8배로하였다. 또한열화가진행되는터널주변지반의영역은소성 ( 이완 ) 영역의발달과병행하여지하수위및지하수유출로인한화학적열화가진행되므로 (Jiang 등, 2007; German guideline DS 853, 2007; CETu, 2004), Terzaghi(1946) 의극한상태의이완영역을대상으로하여터널측벽하부에서 및터널상부는터널고의 3.0배로가정하여 Fig. 10과같이 grid & mesh 를작성하여해석을수행하였다. 또한본해석을위한지반및지보재료에대한초기입력물성치는 철도터널라이닝설계합리화방안연구 (KICT, 2012) 를참조하여 Table 2~Table 4와같이결정하였다. 5.2 열화에따른해석입력치의결정 Fig. 10. Grid & Mesh Generation 본연구의열화에따른터널거동해석을위하여기존 문헌조사및분석 ( 제 4 장 ) 에서제시된예측기법을종합 분석하였으며, 이로부터열화에따른지반의탄성계수 Table 2. Input data for ground in construction stage Unit Weight Cohesion Internal friction Young's modulus Poisson ratio Type (kn/m 2 ) c (kn/m 2 ) ø( ) Es, D (MPa) W.R Table 3. Input data for shotcrete and lining in construction stage Unit Weight Thickness Young's modulus 2nd Moment Inertia Materials Type (kn/m 2 ) thk (m) Es, D (MPa) EI (MPa m 2 /m) Soft(green) E E-01 Shotcrete Hard E E+00 Lining Concrete E E+02 Table 4. Input data for rockbolt Young's modulus Area Yield Force Bond Strength Bond Stiffness Materials Type Es, D (MPa) m 2 kn/m kn/m 2 kn/m 2 Rock bolt D E E E+07 터널열화로인한콘크리트라이닝의거동에관한연구 29

10 (E) 및강도정수 ( ), shotcrete 및 2차라이닝에대한탄성계수 (E) 에대하여각각의해석입력치를결정하였으며, 경시변화의오차범위가커서평균값을적용하였다 주변지반의열화 1) 변형계수 ( 탄성계수 ); E(t) 열화에따른지반의변형계수 (E) 의저감예측기법은 Sandrone and Labious(2010) 이제안한 Ladanyi(1974) 및 Sulem(1994) 의쌍곡선법 (Hyporbolic law) 의식 (1) 를적용하고최종단계의변형계수 (E LT) 의값을 40% 로하였다. 또한 A9 Bosruck Tunnel(Lenz 등, 2010) 및 Niagara water tunnel(marcher, 2011) 의실측자료에대하여식 (2) 과식 (3) 으로부터시간에따른변형계수 (E(t)) 의저감곡선을구하였으며, 이들의평균값의분포를 Fig. 11 에나타내었다. 2) 강도정수 ( 점착력 ) : c(t) 열화에따른지반의점착력 (c) 의저감예측기법은 Sandrone and Labious(2010) 이제안한 Ladanyi(1974) 의 쌍곡선법 (Hyporbolic law) 의식 (1) 을적용하여최종단계의점착력 (c LT ) 의값을잔류강도 (residual strength) 개념으로 30% 로하고, Sato(1984) 및 Usman(2011) 이제안한최종점착력 (c LT) 의값은 0% 으로하여각각의저감곡선을구하였다. 또한 Matsunaga(2008) 가제안한근사곡선 (logarithmic curve) 의식 (5) 를이용하여공용후 100년이경과된 Tunnel A, JR Rokujurigoe tunnel, 17개노후터널의계측자료및 Guan(2008) 의 5년간의측정자료로부터시간에따른점착력 (c) 의저감곡선을구하여, 이들의평균값의분포를 Fig. 12에나타내었다. 3) 강도정수 ( 내부마찰각 ): 열화에따른지반의내부마찰각 ( ) 의저감예측기법은 Sandrone and Labious(2010) 이제안한 Ladanyi (1974) 의쌍곡선법 (hyporbolic law) 의식 (1) 을적용하여최종단계의내부마찰각 ( ) 의값을잔류강도 (residual strength) 개념으로 30% 로하고, 준공후 100년이경과되어노후화된 Tunnel A, 17개노후터널의계측자료및 Guan(2008) 의 5년간의측정자료로부터시간에따른점착력 (c(t)) 의저감곡선을구하였으며, 이들의평균값의분포를 Fig. 13에나타내었다. Fig. 11. Decrease of deformation modulus (E) with time due to degradation for ground Shotcrete의열화열화에따른 Shotcrete의탄성계수 (E s ) 의저감예측기법은 Hagelia(2011) 의연구로서극한적인환경에서열화로인한부식두께의진행속도가 10cm/30년이므로 Nguyen(2005) 의식 (7) 에서경시변화 (A d (t)) 를 t 로하여탄성계수 (E s (t)) 의저감곡선을구하여 Fig. 14에나타내었다. Fig. 12. Reduction curves of cohesion (c) with time for Ground Fig. 13. Reduction curves of internal friction angle ( ) with time for Ground 30 한국지반공학회논문집제 30 권제 4 호

11 5.2.3 콘크리트라이닝의열화 ; E L(t) 2차라이닝의열화는배면의방수막설치여부에따라차이가있으나, 본연구에서는방수막에결함이있는상태를기준으로검토하였다. 따라서열화에따른라이닝콘크리트의탄성계수 (E L) 의저감예측은 Yokozeki 등 (2004) 이제안한 100mm/100년을기준으로열화면적의경시변화 (A d (t)) 를 0.001t로하고 shotcrete와동일한방법으로탄성계수의값 ( ) 을구하고, 또한 Flonzaley tunnel(sandrone and Labious, 2010) 의 30년경과된시료의일축압축강도 (f c) 가 45MPa에서 39MPa로저하된자료로부터 Mainguy 등 (2000) 이제안한식 (9) 의열화두께 ( ) 및식 (8) 을이용하여 를 구하여탄성계수 (E L) 의저감곡선을구하였으며, 이들의평균값의분포를 Fig. 15에나타내었다. 5.3 해석결과분석터널의열화로인한주변지반의거동해석은터널구조물이완료된상태인운영과정중에발생하나, 터널굴착과정중에터널주변지반에이미변위및소성영역이발생하므로굴착단계부터해석할필요가있다. 따라서터널굴착과정은상하부반단면으로굴착후의하중분담율은 30% 로하고 soft(green) shotcrete 타설시 70%, hard shotcrete 타설시 100% 로하여 2차라이닝에는하중이작용하지않토록하고공사기간을 3년으로가정하였다. 이후열화로인한주변지반, shotcrete 및 2차라이닝경시변화곡선으로부터단계별 (10년간격 ) 로저하된각각의물성치를구하여입력치를변환하였다. Fig. 14. Decrease of deformation modulus (E) with time due to deterioration for shotcrete 주변지반의거동열화로인한년차별터널의천단침하및지표침하량의거동은 Fig. 16과같다. Fig. 16에서보는바와같이공용후 30년경과시열화로인하여천단침하량은 4.4 mm, 지표침하량은 3.8mm가증가하고내공변위는 9.0 mm가수축한이후점차수렴되는경향을보였다. 이는아칭효과에따른지반아치가형성되고있음을의미하고있다. 이러한거동은시공단계인터널굴착후라이닝을설치하지않은상태로서 1차지보공만을설치하여안정을유지할때까지의변위량보다각각 7.0%, 30.2% 및 19.3% 의추가변위량이발생하였으므로열화에따라주변지반에크게영향이미치는것을알수있다. Fig. 15. Decrease of deformation modulus (E) with time due to deterioration for concrete lining Fig. 16. Results of analysis for ground behavior around tunnel due to deterioration 터널열화로인한콘크리트라이닝의거동에관한연구 31

12 5.3.2 소성영역의분포열화에따른주변지반의소성영역에대한분포는 Fig. 17과같다. Fig. 17에서보는바와같이열화가진행됨에따라전단대가지상을향하여발달하고소성영역이확대되는경향을나타내고있다. 특히전단대내부의영역은터널상부에중력하중 (Akutagawa 등, 1998) 으로작용하게되므로 Terzaghi(1946) 가제안한이완하중고 (loosening height, overburden load height) 혹은 rock load height (Osgoui 등, 2006) 로간주할수있다. 이러한이완하중고의경시변화는 Fig. 18과같으며터널고 (H 0 ) 에대한등가환산이완하중고 (normalized loosening height; H L/H 0) 는공사완료후의 1.08배에서 30년경과후에 2.43배, 50년후 2.55배로서열화로인하여주변지반에이완영역이확장되어터널라이닝에추가하중이작용하게되는경향을확인할수있다. 특히 Terzaghi(1946) 가제안한심하게파쇄된 (very blocky and shattered) 암반에서의이완하중고 (overburden load height, H p) 인 H pmax = 0.6*(B+H 0) = 14.22m(H L /H 0 =1.4) 보다상당히크게확장되는것으로분석되었다 라이닝의역학적거동터널구조체열화로인하여라이닝에추가로작용하 는축응력 (axial stress) 의경시변화는 Fig. 19와같다. 공용후 30년경과시천단부및측벽부 (Spring Line, SL) 에서 3.55MPa 및 3.10MPa, 또한 50년후 3.66MPa 및 3.20MPa의축응력의증가가발생하는것으로분석되었다. 따라서터널구조체의열화에따른이완하중의증가로인하여터널라이닝에추가하중이작용하게되고, 이로인해라이닝에균열이발생할수있으며심할경우파괴에이르게될가능성을확인하였다. 5.3 정량적예측기법의제안본연구에서는수치해석과정에서열화와관련된영향인자에대한매개 ( 입력 ) 변수로서터널주변지반의탄성계수 (E) 및강도정수 ( ), shotcrete 및 2차라이닝의탄성계수 (E) 로하였으며경시변화의오차범위가커서평균값을적용하였다. 특히지반에대한시간의존성입력변수는기존자료를근거로하여지하수에취약한 shale 등의퇴적암을대상으로결정하였다. 일반적으로해저터널의해수침투, 그라우팅으로보강된지반이나 shale 혹은 gypsiferous materials 등과같은퇴적암 (sedimentary rocks) 은물에취약하여 leaching이나화학적작용에민감하다할수있다. 그러나터널의주변 (a) 0 year (b) After 10 years (c) After 30 years Fig. 17. Distribution of plastic zones around tunnel Fig. 18. Result of analysis for the loosening height with time due to deterioration Fig. 19. Axial stresses on lining with time due to deterioration 32 한국지반공학회논문집제 30 권제 4 호

13 지반의조건및지하수의물리 화학적특성등은지역적으로각각상이하므로특성을표준화하여구분적용하기에는무리가있다. 따라서각각의터널마다정기적인정밀조사가필연적이며터널주변지반에대하여지상또는방수막이파손된지역인경우터널내에서공내전단강도시험이나, 시추조사를통한시료및지하수를채취하여장기적인지반의강도저하특성및지하수의화학적특성을파악함으로서정량적인해석이가능할것으로판단된다. 이러한영향인자에대한입력변수를본연구와같은해석기법으로 FEM이나 FDM해석프로그램의입력치로하여터널의장기적인터널주변지반및라이닝의안정성에대한해석이가능할것으로판단된다. 6. 결론본연구에서는터널의열화의특성과이와관련된영향인자를도출하여입력변수를결정하고수도권고속철도터널대표단면 (PD-5) 의풍화암지반에국한하여수치해석을실시하고열화에따른터널의역학적인거동에대한연구를수행한결과다음과같은결론을얻었다. 단, 지반에대한시간의존성입력변수는기존자료를근거로하여지하수에취약한 shale 등의퇴적암을대상으로결정하였다. 에서 3.66MPa 및 3.20MPa의축응력의증가가발생하며. 이로인해라이닝에균열이발생할수있으며심할경우파괴에이르게될가능성을확인하였다. (3) 열화따른터널의안정성과관련하여다양한지반 ( 해저터널의해수침투, 그라우팅보강지반, shale 혹은 gypsiferous materials 등과같은퇴적암 (sedimentary rocks) 등 ) 에대하여열화에따른터널구조체의장기적인특성변화에대한예측기법을제안하였으며, 터널의장기적인터널주변지반및라이닝의안정성에대한해석이가능할것으로판단되었다. (4) 향후터널구조체의열화에따른터널의거동과관련하여외국추세에맞추어터널운영중에도장기적인계측관리와병행하여다양한지반에대한지속적인조사및실험을통하여좀더정밀한연구가필요할것으로판단된다. 감사의글이논문은 2013년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구입니다 (No ). 참고문헌 (References) (1) 열화로인한터널의거동특성은개통이후운영초기에급격히증가하여약 30년경과후에공사기간동안발생되는총변위량보다천단침하는 4.4mm (7% 증가 ) 및지표침하량은 3.8mm(30% 증가 ) 가추가발생하였으며이후점차수렴되는경향을보였다. 또한 2차라이닝의내공변위 (spring line) 는운영초기에급격히증가하여약 30년경과후 9.0mm (20%) 정도추가변위가발생하는것으로분석되었다. 특히주변지반의소성영역에대한분석에있어열화가진행됨에따라전단대가지상을향하여발달하고소성영역이확대되는경향을나타내었다. (2) 열화로인하여이완하중고 (H L ) 는공사완료후터널고 (H 0) 의 1.08배에서 50년경과후에 2.55배로주변지반의이완영역이확장되어터널라이닝에추가하중이작용하게되는경향을확인할수있었다. 특히 Terzaghi(1946) 가제안한이완하중고 (H L/H 0=1.4) 보다크게확장되는것으로분석되었다. 이에따라공용후 50년경과시천단부및측벽부 (Spring Line, SL) 1. Akutagawa, S., Kitani, T., Abe, Y. and Sakurai, S. (1998), A consideration on tunnel pressure derived from the Terzaghi s formula based on an equilibrium assumption in a limit state, Proceedings of Tunnel Engineering, JSCE, pp (in Japanese). 2. Barla, G. (2000), Analysis and design methods of tunnels in squeezing rock conditions, Rivista Italiana Di Geotecnica, 1/2000, pp Boidy, E., Bouvarda, A. and Pelletb, F. (2002), Back analysis of time-dependent behaviour of a test gallery in claystone. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol.17, Issue 4, October 2002, pp BTS/ICE (2004), Tunnel lining design guide. The British Tunnelling Society and The Institution of Civil Engineers, Thomas Telford Ltd., London. 5. Carde, C. and Francois, R. (1997), Effect of the leaching of calcium hydroxide from cement paste on mechanical and physical properties. Cement Concrete Research, 27(4) pp CETu (2004), Guide de l inspection du génie civil des tunnels routiers. Des désordre vers le diagnostic, Centre d'études des Tunnels, France. 7. CETu (2011), Guide de l inspection du génie civil des tunnels routiers. Du désordre à l analyse, de l analyse à la cotatio, mai 2011, Centre d'études des Tunnels, France. 8. Choo, J.H., Park, S.W., Kim, H.T., Jee, K.H. nad Yoon, T.G. (2011), Analysis and cause of occurrence of lining cracks on NATM tunnel based on the precise inspection for safety and 터널열화로인한콘크리트라이닝의거동에관한연구 33

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