1) Department of Civil Engineering, Gangneung-Wonju National University
수치해석을 통한 강원지역 도로터널 라이닝 배면지반의 동결깊이 분석
Numerical Analysis of Frost Depth behind the Lining of Road Tunnel in Gangwon Province
손 희 수1)･ 전 경 재1)･ 윤 찬 영†
Hee-Su Son ･ Kyoung-Jea Jun ･ Chan-Young Yune
Received: January 2
nd, 2017; Revised: January 11
th, 2017; Accepted: February 6
th, 2017
ABSTRACT : Gangwon Province, located in the northeastern part of South Korea, is the coldest area in South Korea with 90% of the total area as mountainous. Therefore, tunnel damage has been reported continuously in winter. But there has been lack of researches on frost heave occurring behind tunnel lining. In this study, numerical analysis was conducted to investigate the frost depth in road tunnel constructed in Gangwon province. Based on the database on road tunnel and weather in Gangwon province, a standard tunnel shape and geotechnical properties of ground was determined. And then thermal analysis for the frost depth according to the temperature change and ground conditions were conducted. Analysis result showed that the sensitivity to frost heave of metamorphic rock and sedimentary rock is higher than sand. Lower initial ground temperature leads to deeper frost depth and consequently increases frost damage. In addition, lining thickness, specific heat capacity, and thermal conductivity also affect greatly on the variation of frost depth.
Keywords : Road tunnel, Frost depth, Tunnel damage, Thermal analysis
요 지 : 강원지역은 한국의 북동부에 위치하고 있으며 산지가 90%에 달해 한국에서 가장 추운 지역이다. 그에 따라 겨울철 터널 피해가 지속적으로 발생하고 있으나 아직 터널 라이닝 배면에서 발생하는 동상에 대한 연구는 매우 부족하다. 본 연구에서는 강원 지역의 도로터널에서 발생하는 동상깊이 분석을 위한 수치적 연구를 수행하였다. 강원지역 도로터널 현황과 기후자료를 분석하고 이를 토대로 터널 표준 형상과 지반 특성을 가정하였으며, 기온 변화와 지반특성 변화에 따른 터널 배면지반의 최대 동상깊이를 산정하였다. 해석결과 모래보다 변성암 및 퇴적암의 동결민감성이 더 크며, 라이닝 배면의 초기 지중온도가 낮을수록 동상깊이가 깊어져 동결에 대한 피해도 커지는 것으로 나타났다. 또한 라이닝 두께 및 지반의 비열, 열전도율과 같은 특성도 동결깊이 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
주요어 : 도로터널, 동상깊이, 터널피해, 열해석
Journal of the Korean Geo-Environmental Society18(3): 15～23. (March, 2017) http://www.kges.or.kr
ISSN 1598-0820 DOI https://doi.org/10.14481/jkges.2017.18.3.15
1. 서 론
강원지역은 우리나라 북동부에 위치하고 있으며 산간지역 이 많고 겨울철 기온이 영하로 떨어지는 날이 가장 많은 한 랭지역이다. 겨울철 영하의 온도에 지속적으로 노출된 지반 은 간극수가 얼어 빙정이 생기며, 지속적으로 지하수를 흡수 하여 체적이 팽창하는 동상현상이 발생한다. 일반적으로 동 상으로 인한 응력은 연직상향의 변위와 응력을 유발하며, 이 때 응력의 크기는 최대 3,000kPa까지 발생한다(Domaschuk, 1982). 하지만 동상은 연직방향뿐만이 아니라 횡방향으로 도 발생하며, 기존의 연구에 따르면 옹벽구조물과 같은 경 우에 지반동결로 발생하는 횡방향 응력이 약 400kPa에 이
르고(Chanjian & Zongyan, 1981), 말뚝주변에서는 최대 550kPa 에 이르는 것으로 보고되고 있다(Yuanming et al., 2005).
이러한 수준의 응력은 수압 환산 시 물기둥 40~55m에 달하 는 압력으로 터널에서도 지반동결로 인하여 추가되는 하중 이 라이닝에 큰 구조적 손상을 유발할 수 있다는 것을 의미 한다.
Inokuma & Inano(1996)가 일본에서 도로터널에 대한 손 상을 조사한 결과, 조사된 전체 터널의 24% 정도에서 손상 이 발생하였으며, 58.7%의 터널에서 누수가 발생한 것을 확 인하였다. 이때 손상에 기여한 원인은 누수와 동결피해가 38.2%로 가장 많았고, 노후가 26.8%, 비대칭토압 10.8% 순 으로 조사됐다. 또한 지역별로 피해터널을 분류해서 비교한
Table 1. Road tunnel in Gangwon province
(a) Numbers of road tunnel according to type of road
Type of road Total in Korea (Number) Gangwon province (Number) Percentage (%)
Expressway 925 103 11.1%
National road 532 92 17.3%
Local road, etc. 487 43 8.8%
Total 1,944 238 12.2%
(b) Tunnel length and size
Type of roadTotal in Korea Gangwon province
Length (km) Total width (m) Height (m) Length (km) Total width (m) Height (m)
Total Ave. Ave. Ave. Total Ave. Ave. Ave.
Expressway 729 0.8 12.0 7.4 74 0.7 11.6 7.3
National road 380 0.7 9.8 6.7 66 0.7 9.8 6.7
Local road, etc. 310 0.6 12.2 6.7 42 1.0 9.7 5.4
Total 1,418 0.7 11.5 7.0 182 0.8 10.5 6.7
결과, 약 70% 이하의 비율로 누수와 동결피해가 발생한 것 으로 조사된 다른 지역들과는 상이하게, 일본의 대표적인 한 랭지역인 북해도 지역의 터널에서는 약 90% 이상의 비율로 누수와 동결피해가 발생하는 것으로 확인되었다. 국제 터널 링 및 지하공간협회(International Tunnelling and underground space Association, ITA)의 지하구조물의 유지 보수 소위원회 (ITA Working group on maintenance and repair of underground structures, 1991)에서도 터널의 공용 기간 동안 물로 인한 손상의 영향에 대한 보고서를 통해 누수와 동결피해를 지하 구조물의 중요사항으로 제시하고 있으며, 1960년에서 1978 년 사이에 건설된 오스트리아, 독일, 노르웨이, 스위스의 도 로터널에서도 동결피해가 발생하는 것으로 나타났다.
국내에서도 대표적인 한랭지역인 강원지역의 경우에는 겨울철 도로터널의 동결피해사례가 보고되고 있는데, Hwang (2013)은 강원도 내의 10개 지역에서 터널 표면균열에서의 누수 및 동결, 배수시설 동결 여부를 검사하였고, 평창, 인 제, 양구, 화천, 홍천, 원주에서 동결에 의한 터널의 균열 및 변형, 도로의 동결융해, 콘크리트 라이닝 부의 누수, 배수시 설 동결, 터널 천정부와 어깨부에서 고드름 생성 등 동결피 해가 발생한 것을 확인하였다. 또한 Kim and Lee(2005)도 대관령 1터널에서 2002년 1월 개통 직후 강릉방향의 터널 입구로부터 200~300m 안쪽의 라이닝 시공이음부에서 결빙 현상이 발생하여 기온 상승 시 용해되어 누수 및 낙수 현상 이 발생한 것을 보고한 바 있다.
이와 같이 국내에서도 한랭지역을 중심으로 겨울철 터널 의 동결피해 사례가 발생하고 있으나, 그 원인 분석 및 동결 피해 저감을 위한 연구는 매우 부족하다. 특히 도로 포장면 하부의 동상깊이에 대해서는 많은 연구들이 이루어지고 있 으나 터널 라이닝 배면지반에서 발생하는 횡방향의 동상 및
동결깊이에 대한 연구는 거의 찾아볼 수 없다.
이에 본 연구에서는 강원지역의 도로터널에서 발생하는 동상깊이 분석을 위한 수치적 연구를 수행하였다. 강원지역 도로터널 현황과 기후자료를 분석하고 이를 토대로 터널 표 준 형상과 지반 특성을 가정하였으며, 기온 변화와 지반특성 변화에 따른 터널 배면지반의 최대 동상깊이를 산정하였다.
2. 강원지역 도로터널 현황 및 기후특성
2.1 도로터널 현황
국토교통부(MOLIT, 2016)의 2016년도 도로교량 및 터 널현황 조서에 따르면 우리나라의 도로터널은 총 1,944개 소가 운영 중에 있으며, 강원지역에서는 약 12.2%에 해당 하는 총 238개소의 터널이 운영 중에 있다. 이를 도로의 유 형별로 구분하면 고속도로 103개소, 일반국도 92개소, 지방 도와 기타 43개소로 강원지역의 경우 전국대비 일반국도의 비율이 다른 도로 유형에 비해서 높은 것으로 나타났다(Table 1(a)). 동일한 자료를 이용하여 강원지역의 도로 유형별 터 널의 평균 길이, 평균 총 폭, 평균 높이를 분석하였다. 분석 결과, 평균길이, 평균 총 폭, 평균 높이는 각각 0.8km, 10.5m, 6.7m로 전국 터널의 평균값인 0.7km, 11.5m, 7.0m와 크게 차이가 나지 않는 것으로 나타났다(Table 1(b)).
2.2 기후 및 지중온도 특성
전체 면적의 90%가 산지로 이루어져 있는 강원도는 우 리나라에서 가장 추운 지역이다. KMA(2012)에서 제공하고 있는 30년간(1981년~2010년)의 기온자료를 분석한 “한국
(a) Sokcho
(b) Gangneung
(c) Chuncheon
Fig. 1. Average ground temperature according to depth in Gangwon province
기후도”의 12월부터 2월 사이 겨울철 강원지역의 평균온도 를 보면, 다른 지역 온도는 영상인 반면 강원지역은 -2℃로 나타나며, 최저온도도 지역에 따라 -14℃에서 -29℃까지 내 려간다. 중국의 민용건축 열공 설계 규범(GB 50176-93)에
서는 최한월의 평균온도가 0~10℃ 이내이고, 일평균온도가 5℃인 지역을 한랭지역으로 구분하고 있기 때문에 우리나 라의 강원지역은 한랭지역에 해당된다.
또한 한국건설기술연구원이 1991년부터 2008년 사이 18 년간 한국의 제주지역을 제외한 내륙전반에 걸쳐 87개 지점 에 대한 동결심도를 측정한 결과에 의하면 경기북부, 충북, 경북 지역은 120cm, 경기중남부, 충청, 전북 지역은 40~70cm, 남부지역인 경상남도와 전라남도는 각각 40cm 이하, 20cm 이하로 나타났으나, 강원지역은 150cm 이상으로 가장 깊은 동결심도 분포를 보이는 것으로 나타났다(KICT, 2008). 이 러한 한랭지역인 강원지역에서는 겨울철 도로 터널의 동결 피해가 다른 지역에 비해 상대적으로 많이 발생하고 있다.
기상청에서는 지중온도를 최소 5cm에서 최대 5m 깊이까 지 측정하고 있다. 기상청에서 제공하는 1981년부터 2010년 까지 30년간 기후자료를 월별로 평균한 강원지역의 지중온 도 분포 자료 중에서 속초, 춘천, 강릉 총 3개소만 최대 측 정깊이인 5m 깊이까지의 지중온도를 측정하고 있으므로 이 3개 지역에 대한 지역에 대해서 지중온도를 다음과 같이 분석하였다. Kim et al.(2005)는 대기에 비하여 상대적으로 높은 열용량과 낮은 열전도도의 영향으로 깊이별 연 최고와 최저온도가 발생하는 날이 깊이에 따라 지연되어 5.0m 깊 이에서는 지표에 비하여 약 3개월 정도 늦게 나타난다고 하 였으나, 강원지역의 경우에는 약 4개월 정도 지연되고 있는 것으로 확인되었으며, 지중온도가 가장 높은 계절은 8월이 속한 여름철, 지중온도가 가장 낮은 계절은 12월부터 2월 사이인 겨울철로 나타났다. 또한, 지표면에 가까울수록 월 간 지중온도 차이가 크게 나타나고, 5m로 갈수록 월간 지중 온도 차이가 크게 감소하는 것으로 나타났다. 이와 같은 분 석결과는 계절별 지중 온도 변화가 5.0m 깊이 이상에서는 거의 사라진다는 Park(1992)의 연구와 일치하는 결과이다.
3. 수치해석 조건
본 연구에서는 국내 한랭지역 터널 배면지반의 동결심도를 분석하기 위하여 다양한 영향인자를 변화시켜가며 열해석을 실시하였다. 열-수리-역학적(THM) 해석이 가능한 PLAXIS 2D 프로그램을 사용하였으며, 배면지반 종류, 라이닝 두께, 지중온도, 열전도도, 비열, 열팽창계수에 따른 최대동결깊 이를 비교･분석하였다.
3.1 유한요소망 및 경계조건
해석모델에 사용된 터널형상은 타원형으로 총 폭 10.0m,
Fig. 2. Finite element mesh
Table 2. Input parameters for thermal analysis
Elastic modulus(kN/m2)
Unit weight (kN/m2)
Poisson’s ratio
Cohesion (kN/m2)
Friction angle (°)
Specific heat capacity (kJ/t/℃)
Thermal conductivity (kW/m/℃)
Sand 1.0×105 15.2 0.30 0 37.0 796 0.33×10-3
Sedimentary 1.0×106 26.0 0.30 200.0 36.0 826 1.51×10-3
Metamorphic 1.5×104 26.7 0.25 14.1 27.0 840 3.62×10-3
Concrete 2.7×105 22.5 0.17 - - 1,104 2.20×10-3
높이 7.5m, 라이닝 두께 0.3m인 표준단면을 사용하였다(Cho et al., 2008). 국내 일반국도 112개 터널에 대한 갱구사면의 높이를 조사한 결과, 터널 갱구의 사면높이는 30m 미만인 경우가 74.4%였으며(Kwon et al., 2005), 국내 사면특성 상 20m 내외의 높이를 가지는 사면을 중규모의 사면으로 분류 하는 점을 고려할 때 터널 갱구 사면의 경우 대부분 중규모 의 사면에 해당된다고 할 수 있다. 겨울철 터널 입출구부의 가장 온도가 낮으며 겨울철에 발생하는 대부분의 동결피해 역시 터널 입･출구부에서 발생하므로, 이러한 터널 갱구부 의 특성을 고려하여 본 연구에서는 터널의 깊이를 20m로 결정하였다. 지반 좌･우측 경계와 하부 경계면까지의 거리 는 경계조건의 영향을 최소화하기 위하여 터널 중심부로부 터의 폭과 높이의 10배 이상이 되도록 하였다.
지중온도분포에 대한 기존 연구결과를 보면, 대기온도 변 화의 영향이 지표면에서는 크게 나타나지만, 일변화의 영향 은 지표면에서 1m 정도 깊이 이하에서는 거의 사라지는 것 으로 나타나며, 계절에 따른 온도변화도 지표에서 6~7m 이 하의 깊이에서는 없어지고 연중 일정한 온도를 나타낸다.
국내 지중온도의 30년 평균값은 대부분 지역에서 깊이에 관계없이 14.5~15℃를 보이고 있다(Kim et al., 2005). 또한 기상청 AWS의 1981년부터 2010년까지 30년간 월 평년 지 중온도 관측자료를 확인한 결과, 겨울철 강원지역 5m 깊이 의 지중온도가 평균적으로 약 15℃인 것으로 나타났다. 이 러한 분석결과를 고려하여 본 연구에서는 지표면에서 5m 아래 지반의 초기 온도를 15℃로 일정하게 가정하였으며,
5m 이상의 깊이에 대한 경계면에서도 15℃의 일정한 온도 를 갖는 것으로 결정하였다.
3.2 강도정수 및 열특성
터널 라이닝 배면지반의 특성을 결정하기 위하여 강원지 역에서 공용 중인 터널 입･출구부의 지질을 조사하였다. 지 질도와 터널 위치자료를 토대로 강원지역 총 238개의 터널 에 대하여 터널 입･출구부에서의 지질을 각각 화성암, 변성 암, 퇴적암, 기타로 나누어 분류한 결과, 터널 입･출구부에 서의 지질은 변성암 39%, 화성암 31%, 퇴적암 21%, 기타 9%
순으로 변성암과 화성암의 빈도가 높은 것으로 나타났다.
이러한 결과를 바탕으로 변성암, 퇴적암, 모래의 3가지 종 류의 지반을 가정하고 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 지 반물성치와 터널 라이닝부의 콘크리트 기본물성치 및 강도 정수는 Table 2와 같다. 일반적인 강도정수 외에 열해석을 위하여 필요한 물성치의 경우에는 다양한 지반재료에 대하 여 수행한 현장 실측자료 및 기존 해석결과들을 토대로 결 정하였다. 모래의 경우에는 Shin et al.(2012)가 연간 지중온 도에 대한 실측 및 수치해석 결과를 통하여 얻은 정수를 사 용하였으며, 콘크리트의 비열과 열전도율은 Shin et al.(1998) 이 상온에서 1,100℃까지 온도변화에 대한 콘크리트의 열 물 성 측정 결과를 토대로 산정한 값을 사용하였다. Sundberg (1988)는 다양한 종류의 암석에 대한 열특성을 연구하였는 데, 변성암과 화성암과 같은 결정질암의 경우 열전도율은 1.7×10-3~8.1×10-3kW/m/℃까지 다양한 분포를 보이며, 3.2×10-3~ 3.5×10-3kW/m/℃범위에서 가장 높은 빈도를 보이는 것으로 나타났다. Park et al.(2009)도 한국의 암석들에 대하여 열물 성을 조사하였으며, 본 연구에서는 국내 지반특성을 반영하 기 위하여 Park et al.(2009)가 조사한 변성암과 퇴적암의 비 열과 열전도율 값을 수치해석의 입력물성으로 사용하였다.
4. 열 해석을 통한 동결깊이 분석 결과
4.1 대기온도 지속시간에 따른 동결깊이
겨울철 대기의 온도가 영하로 내려가면 터널 라이닝 배
(a) Initial state (b) 120days (2,880h)
(c) 240days (5,760h) (d) 365days (8,760h)
Fig. 3. Analysis result on temperature distribution in ground
Fig. 4. Frost depth according to duration time of temperature
면지반의 온도도 낮아지기 시작하며 0℃ 이하로 내려가는지점부터는 지반의 동결이 발생한다. 겨울철 대기의 온도가 낮아짐에 따라서 지반의 동결이 발생할 수 있는 터널 배면 의 깊이 변화를 확인하기 위하여 시간에 따른 배면지반의 동결깊이의 변화를 확인하였다. 해석 지반은 변성암으로 가 정하였으며, 초기 지중온도는 앞서 기상청의 계측자료 분석 결과를 토대로 15℃로 가정하였다. 또한 초기 지중온도 분 포가 해석결과에 큰 영향을 미치므로 온도변화 해석에 앞서 초기 지중온도 분포 조건을 결정하기 위하여 강원지역의 겨울 철 평균 기온과 유사한 0℃가 대기와 접하게 되는 지표면 및 라이닝 표면에 작용하는 것으로 가정하여 정상상태(steady state) 해석을 수행하였다. 이러한 해석을 통하여 결정된 초 기 조건은 다음 Fig. 3(a)와 같다. 이와 같은 해석결과를 초 기조건으로 하여 기존 연구에서 대관령 1터널에서 동결피 해가 발생했을 당시의 일평균 기온인 -7℃를 적용하여(Korea Expressway Corporation, 2013) 지속시간에 따른 동결깊이 변화거동을 확인하였다. 이때 동결깊이는 터널 바닥면에서 3m 높이에서의 라이닝 표면으로부터의 횡방향 거리를 측 정하였다.
해석결과는 Fig. 3 및 Fig. 4에 나타나 있다. Fig. 4에서 확인할 수 있는 것과 같이 해석 초기에는 동결깊이가 급격
히 증가하다가 약 720시간(1달) 이후부터는 점차 일정한 값 으로 수렴하는 경향성을 보인다. 실제 겨울철로 볼 수 있는 3달(2,160시간)의 기간 동안 증가한 동결깊이는 2.31m이며, 이 깊이는 1년의 기간 동안 증가된 동결깊이 2.98m에 비하 여 77.5% 정도로 나타난다. 즉, 3달의 기간 후에는 추운 날 씨가 그 이상 지속된다고 하더라도 동결깊이의 차이는 크지 않은 것으로 나타난다. 본 연구에서는 터널 라이닝 배면에
Fig. 5. Maximum frost depth according to ground condition Fig. 6. Maximum frost depth according to initial ground temperature
서 발생하는 최대 동결깊이를 산정하는 것이 목적이므로,이후의 해석부터는 초기조건 해석 이후에 초기조건 해석결 과를 이용한 3달의 기간 동안 온도해석을 수행하고 그 결과 를 분석하였다.
4.2 배면지반 재료별 동결깊이
우리나라의 지질은 지역별로 상이하게 분포하고 있으며, Kwon et al.(2005)가 터널 입･출구 사면의 지질을 조사한 결과, 변성암 57.8%, 화성암 29.8%, 퇴적암 12.4%의 비율 로 분포하고 있는 것으로 조사되었다. 본 연구에서 동일한 방법으로 동결피해가 주로 발생하는 강원지역 터널의 입･
출구부 지질을 조사해본 결과, 변성암 39%, 화성암 31%, 퇴적암 21%, 기타 9% 순으로 나타나, Kwon et al.(2005)의 조사결과와 비율의 차이는 있으나 유사한 경향성을 보였으 며, 변성암과 화성암의 빈도가 높은 것으로 나타났다. 이러 한 분석결과를 바탕으로 라이닝 배면지반재료의 동결피해 민감도를 분석하기 위하여 지반특성변화에 따른 온도해석 을 수행하였다.
터널 라이닝 배면지반 재료에 따른 최대동결깊이 분석결 과를 Fig. 5에 도시하였다. 라이닝 배면지반은 물성은 퇴적 암, 변성암, 모래의 물성을 적용하였으며, 대기의 온도가 0℃
부터 -21℃까지 변화할 때, 최대동결깊이의 변화양상을 확 인하였다. 해석 결과, 대기온도가 감소할수록 동결깊이는 증가하는 것으로 나타났으며, 배면지반 재료에 따라서는 동 결깊이가 상이하게 나타났다. 배면지반 재료 중에서 변성암 의 동결깊이가 가장 큰 것으로 나타났으며, 모래의 동결깊 이는 암석에 비하여 빠르게 수렴하는 것으로 나타났다. 이 는 대기온도 변화에 따라서 변성암과 퇴적암이 동결에 더 민감하다는 의미이며, 터널배면 지반이 암으로 이루어진 경
우에는 동결피해 관리에 보다 주의가 필요할 것으로 판단된 다. 또한 해석조건에서 라이닝 두께가 0.3m임을 고려하면 대기온도가 -1℃ 이하로만 내려가도 지반 내에 동결이 발생 하기 시작한다는 사실을 확인할 수 있다.
4.3 지중온도에 따른 동결깊이
3.1절에서 지표면에서 5m 이하의 지중온도를 15℃로 결 정하였지만, Fig. 1에서 확인할 수 있는 것과 같이 5m 깊이 의 지반에서도 1~2℃ 정도의 온도변화는 발생하는 것으로 나타난다. 따라서 초기 지중온도가 라이닝 배면지반의 동결 깊이 변화에 미치는 영향을 파악하기 위해 지중온도를 12℃
부터 15℃까지 1℃ 간격으로 변화를 주어 지중온도 변화에 따른 배면지반의 동결깊이를 비교･분석하였다(Fig. 6).
그 결과 대기온도가 -3℃일 때는 지중온도가 15℃에서 12℃
까지 감소함에 따라 최대동결깊이가 1.16m에서 1.42m로 증 가하였으며, 대기온도가 -21℃일 때는 4.28m에서 4.72m로 증가하였다. 즉, 배면지반의 지중온도가 낮아짐에 따라서 동결깊이가 증가하는 것으로 나타났으며, 지중온도가 1℃
씩 변화함에 따라서 동일한 비율로 동결깊이도 증가하는 것 으로 나타났다. 결과적으로 도로터널 라이닝 배면지반의 지 중온도는 동결깊이에 영향을 주며, 라이닝 배면지반의 지중 온도가 낮을수록 겨울철 동결피해 발생 위험도는 증가할 것 으로 판단된다.
4.4 라이닝 두께에 따른 동결깊이
도로설계편람(MOLIT, 2000)에 의하면 일반적으로 도로터 널에 시공되는 라이닝의 두께는 2차로의 경우 약 0.3~0.4m, 3차로 이상일 경우 약 0.4~0.5m이다. 본 연구에서는 라이닝 두께의 변화가 동결깊이에 미치는 영향을 확인하기 위하여
Fig. 7. Maximum frost depth according to lining thickness and ground condition
Fig. 8. Maximum frost depth according to specific heat capacity
Fig. 9. Maximum frost depth according to thermal conductivity
일반적인 도로터널의 콘크리트 라이닝 두께(0.3m, 0.4m, 0.5m)를 사용하여 해석을 수행하였으며, 이때 배면지반재료는 4.2 절에서 최대동결깊이가 가장 크게 나타난 변성암과 최대동 결깊이가 가장 작게 나타난 모래를 적용하여 동결깊이를 비 교･분석하였다(Fig. 7).
그 결과, 모래의 경우에는 라이닝 두께가 증가할수록 동 결깊이도 증가하는 것으로 나타났지만, 변성암의 경우에는 이와 반대로 라이닝 두께가 증가할수록 동결깊이가 감소하 는 것으로 나타났다. 이는 해석 시 동결깊이에 영향을 주는 인자인 열전도율 및 비열의 값이 배면지반재료와 라이닝 재 료인 콘크리트가 차이를 보이기 때문으로 판단된다. 모래의 열전도율 및 비열은 라이닝 재료인 콘크리트에 비해서 약 0.85배 작은 반면에 변성암은 약 1.6배 크게 나타났는데, 모 래에 비해서 열전도율 및 비열이 상대적으로 더 큰 콘크리 트가 대기온도를 배면지반으로 전달하는 속도가 더 빠르기 때문에 라이닝 두께가 증가할수록 동결깊이가 증가하는 것 으로 판단되며, 이와 반대로 변성암은 콘크리트가 대기온도 를 배면지반에 전달하는 속도가 느리기 때문에 라이닝 두께 가 증가함에 따라 오히려 동결깊이가 감소하는 것으로 판단 된다. 결과적으로 라이닝 배면지반 재료의 비열 및 열전도 율이 라이닝 재료에 비하여 큰 경우 대기의 온도가 낮아질 수록 동결피해에 더 취약한 것으로 판단된다.
4.5 비열과 열전도율 변화에 따른 동결깊이 4.4절의 분석결과, 재료의 비열과 열전도율이 동결깊이에 영향을 주는 것으로 나타났다. 이에 비열과 열전도율이 동결 깊이와 상관성이 있는지 파악하기 위하여 비열 및 열전도율 차이에 따른 동결깊이를 각각 비교･분석하였다(Fig. 8, 9).
수치해석 시 라이닝 배면지반의 재료는 변성암을 사용하 였으며, 비열과 열전도율 값은 Park et al.(2009)가 건조 상태 변성암의 비열을 측정한 최소(644kJ/t/℃), 최대(1,170kJ/t/℃), 평균(840kJ/t/℃)값과 열전도율을 측정한 최소(1.60×10-3 kW/m/℃), 최대(8.38×10-3kW/m/℃), 평균(3.62×10-3kW/m/℃) 값을 사용하여 그 결과를 비교･분석하였다. 그 결과, 동일 한 재료인 경우에도 비열과 열전도율이 가질 수 있는 변화 범위내에서 상이한 동결깊이를 보였다. 비열의 경우에는, 비열이 작을수록 대기온도 감소에 따라 최대동결깊이가 증 가하는 것으로 나타났다. 하지만, 열전도율의 경우에는 대 기온도 -9~12℃를 기준으로 그보다 높은 온도에서는 열전 도율이 클수록 동결깊이가 증가하나, 그보다 낮은 온도에서 는 열전도율이 작을수록 동결깊이가 증가하는 것으로 나타 났다. 이러한 결과는 4.4절의 해석과 마찬가지로 콘크리트 와 배면지반 재료의 열전도율 차이 때문으로 보인다. 배면 지반의 열전도율이 클수록 낮은 온도에서는 동상깊이가 깊
어지지만, 상대적으로 높은 온도에서는(외기 온도변화가 작 은 경우에는) 라이닝으로 전달되는 낮은 온도보다 지반 내 부의 높은 온도가 전달되는 속도가 더 빠르기 때문에 동결 깊이가 오히려 더 작게 나타난다. 추후 콘크리트와 배면지 반 재료별 열전도율 차이가 동결깊이에 미치는 영향에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 최대동결깊 이의 차이는 비열 변화에 따라서 최대 0.86m, 열전도율 변 화에 따라서 최대 1.14m까지 나타나 동일한 지반에서도 비 열과 열전도율 변화에 따라서 나타날 수 있는 동결깊이의 차이가 큰 것을 확인할 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 강원지역의 도로터널에서 발생하는 동상 깊이 분석을 위한 수치적 연구를 수행하였다. 강원지역 도로 터널 현황과 기후자료를 분석하고 이를 토대로 해석에 사용 될 터널 표준 형상과 지반 특성을 결정하였으며, 기온 변화 와 지반특성 변화에 따른 터널 배면지반의 최대 동상깊이를 산정하였다. 해석결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 시간에 따른 온도 변화 해석결과, 해석 초기에는 동결 깊이가 급격히 증가하다가 1달 이후부터는 점차 일정한 값으로 수렴하는 경향성을 보인다. 또한 3달 이상의 시 간 경과 후에는 동결깊이의 변화가 매우 작은 것으로 나타나, 겨울철 초기에 동결깊이 변화가 크게 나타나며, 그 이후에는 추운 날씨가 지속되더라도 동결깊이의 변 화는 크지 않을 것으로 판단된다.
(2) 라이닝 배면지반을 변성암, 퇴적암, 모래로 변화시켜가 며 해석을 수행한 결과, 배면지반이 변성암일 때 동결 깊이가 가장 큰 것으로 나타났으며, 모래의 동결깊이는 암석에 비하여 대기온도 감소에 따라 빠르게 수렴하는 것으로 나타났다. 따라서 변성암과 퇴적암이 모래에 비 하여 동결에 더 민감하며, 터널배면 지반이 암으로 이 루어진 경우에는 동결피해 관리에 보다 주의가 필요한 것으로 나타났다.
(3) 배면지반의 초기 지중온도가 낮아짐에 따라 동결깊이 도 증가하는 것으로 나타났으며, 동결깊이 변화는 초기 지중온도 변화에 비례하는 것으로 나타났다. 따라서 도 로터널 라이닝 배면지반의 지중온도는 동결깊이에 영 향을 주며, 라이닝 배면지반의 지중온도가 낮을수록 겨 울철 동결피해 발생 위험도는 증가할 것으로 판단된다.
(4) 모래의 경우에는 라이닝 두께가 증가할수록 동결깊이 도 증가하는 것으로 나타났으나, 변성암의 경우에는 이
와 반대로 라이닝 두께가 증가할수록 동결깊이가 감소 하는 것으로 나타났다. 따라서 모래와 같이 라이닝 배 면지반 재료의 비열 및 열전도율이 라이닝 재료에 비하 여 큰 경우 대기의 온도가 낮아질수록 동결피해에 더 취약한 것으로 판단된다.
(5) 비열이 작을수록 대기온도 감소에 따라 최대동결깊이 가 증가하는 것으로 나타났다. 열전도율의 경우에는 대 기온도 -9~12℃를 기준으로 그보다 높은 온도에서는 열 전도율이 클수록 동결깊이가 증가하나, 그보다 낮은 온 도에서는 열전도율이 작을수록 동결깊이가 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 동일한 지반에서도 비열과 열 전도율이 가질 수 있는 변화 범위내에서 발생할 수 있 는 동결깊이의 차이가 큰 것을 확인할 수 있었다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 국토교통기술지역특성화사업 연 구개발사업의 연구비지원(16RDRP-B066780)에 의해 수행 되었습니다.
References
