A Study on the Area of Reinforcement in the Cross Tunnel by Laboratory Model Test

지 반 공 학

제32권 제4C호·2012년 7월 pp. 129~137

실내모형실험을 통한 교차터널의 보강영역에 관한 연구

A Study on the Area of Reinforcement in the Cross Tunnel by Laboratory Model Test

정혁상*·홍종욱**·백승인***·천병식****

Jung, Hyuk Sang·Hong, Jong Ouk·Baeg, Seung In·Chun, Byung Sik

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Abstract

With the increase in infrastructure needs and tunnel construction, more complicated geometries have come to light, espe- cially in cross tunnel design and construction. The major factors to influence existing tunnels are spacing between tunnels, rel- ative position, size of the new tunnel, construction techniques, topographic and geologic conditions, structure, and alternative construction. In this study, settlement from an excavation for a new tunnel near an existing tunnel, settlement from a change in position of the new tunnel relative to an existing tunnel, and the distribution of deformations of the existing tunnel as a result of excavating the cross-location are analyzed through laboratory model tests. As the results, in condition of the new tunnels go through below the existing tunnel, not only analysed through the standard of the diameter of the tunnel, so it would need to set up to strengthen the field within each side of the 1D, but also determined the part of the cross in the existing and the new tun- nel, should implement the reinforcement from the part of new tunnel to the existing tunneling influence of excavation.

Keywords : cross tunnel, laboratory model test, settlement, strain

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요 지

최근 도심지에서 터널이 인접하여 시공하는 사례가 흔해지면서 특수하게 신설터널과 기존터널이 교차되는 터널들에 관한 설계 및 시공에 관한 연구들이 속속들이 발표되고 있다. 터널이 상호 교차되어 시공될 경우 기존터널에 영향을 미치는 주요 인자로는 터널 간 이격거리, 상대적인 위치 관계, 신설터널의 크기, 신설터널의 시공방법 지형 및 지질조건, 기존터널 라이 닝 구조와 건전도 등이 영향을 미친다고 보고되고 있다. 본 연구에서는 실내모형 실험을 통하여 신설터널 굴착에 따른 기존 터널의 종방향 침하 경향 분석 및 신설터널의 상·하 위치변동에 따른 기존터널의 종방향 침하 경향 비교·분석하였다. 또 한, 교차부에서 신설터널 굴착에 따른 기존터널의 변위 분포에 관한 경향 분석 및 기존터널의 변형률 분포 경향을 분석하였 다. 연구결과 신설터널이 기존터널 하부를 통과하는 경우 터널직경의 기준으로 좌우측 각각 1D 이내의 보강영역이 필요한 것으로 분석되었고, 신설터널과 기존터널의 교차부에서는 신설터널의 굴착 영향이 기존터널에 먼저 미치는 영역부터 보강을 실시하여야 할 것으로 판단된다.

핵심용어 : 교차터널, 모형실험, 침하, 변형률

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1. 서 론

과거에는 터널이 서로 교차하거나 인접하여 시공하는 사례 가 거의 없어 설계 및 시공시 안정성 검토의 필요성이 부각 되지 않았다. 그러나 최근 도심지에서 터널이 인접하여 시공 하는 사례가 흔해지면서 특수하게 신설터널과 기존터널이 교 차되는 터널들에 관한 설계 및 시공에 관한 연구들이 속속 들이 발표되고 있다. 터널이 상호 교차되어 시공 될 경우 기존터널에 영향을 미치는 주요인자로는 터널 간 이격거리, 상대적인 위치 관계, 신설터널의 크기, 신설터널의 시공방법, 지형 및 지질조건, 기존터널 라이닝 구조와 건전도 등에 영

향을 미친다고 보고된 바 있다(김우성 등, 2008).

국내에서는 1990년 후반부터 교차터널의 설계 및 시공이 점차적으로 증가함에 따라 이와 관련 연구들이 진행되고 있 다. 유영현 등(1997)은 국내 터널건설의 현황조사 및 교차터 널의 설계법 개발 연구를 하였고, 오하진(2001)은 대단면 교 차터널 시공과 계측의 연구에서 우리나라 최초 대단면 교차 터널이라 할 수 있는 진영터널의 수치해석적 연구와 이를 계측치와 비교한 연구, 붕락구간에 대한 보강방안 연구를 진 행 한 바 있다. 또한 원심모형시험기를 이용해 점토지반에서 상하교차터널의 거동을 실험적 연구를 통해 규명하였고 근 접터널에 대한 해석기법에 대한 연구를 수행한 바 있다(김상

*정회원·한국철도기술연구원 선임연구원 (E-mail : [email protected])

**한양대학교 건설환경공학과 석사과정 (E-mail : [email protected])

***한양대학교 건설환경공학과 박사과정 (E-mail : [email protected])

****정회원·교신저자·한양대학교 건설환경공학과 교수 (E-mail : [email protected])

환 등, 2003; Kim et al., 2003).

반면, 국외의 교차터널에 관한 문헌은 많지 않은데, 그 이 유는 도로나 철도의 선형을 교차하기 보다는 선형 우회를 많이 채택하고 있기 때문이다. Addenbrooke & Potts(2001) 는 병렬터널에 대한 수치해석적 방법을 통하여 수평병렬터 널 및 수직병렬터널의 지표침하형태를 고찰하였고, Eberhardt (2001)는 터널 굴진에 따른 막장 전방면에 응력순환 3차원 유한요소해석 연구에서 교차터널과 병렬터널의 복잡한 응력 경로를 수치해석적 방법으로 규명한 바 있다. Chen et. al.

(2009)은 3개 또는 4개 터널을 굴착하는 경우 암주(필러) 하중을 산정하였다.

본 연구에서는 실내모형실험을 통하여 신설터널 굴착에 따 른 기존터널의 종방향 침하 경향 분석, 신설터널의 상·하 위치변동에 따른 기존터널의 종방향 침하 경향 비교·분석 을 하였다. 또한, 교차부에서 신설터널 굴착에 따른 기존터 널의 변위 분포 경향 분석 및 기존터널의 변형률 분포 경향 을 분석하고자 하였다.

2. 실내모형실험

2.1 개요

지금까지 터널 실내모형실험은 2차원적 실험이나 소규모의 실험을 진행하여 많은 제한된 조건에서 실내모형실험을 수 행하여 왔다. 복잡하지 않은 실험의 경우 2차원적 실험, 평 면변형률 조건의 실험, 축대칭 조건의 실험 등 그 규모를 축소하여 실험하거나, 이미 검증된 부분을 확인하는 차원에 서의 실험은 가능했다. 그러나 교차터널과 같이 교차부의 복 잡한 거동을 2차원 평면변형률 조건으로 실내모형실험을 수 행한다는 것 자체가 어렵고 수행된 실험 결과 또한 많은 가 정과 오류는 내재하고 있어 신뢰하기가 어렵다.

따라서 본 실내모형실험에서는 신설터널의 굴착으로 인한 기존터널에 미치는 영향을 평가하기 위해 3차원적 실내모형 실험을 수행한 내용들을 주로 다루었다. 실내모형실험의 대 상은 실제 철도터널이 상호 교차하는 교차터널을 대상으로 하였으며 실제 설계중인 지역을 대상을 선택하였다.

기존터널은 경부고속철도가 통과하는 노선이며 기존터널의 상·하부를 신설터널인 동해남부선이 통과하게 되는데, 신설 터널이 기존터널의 하부를 통과하는 방안(CASE 1)과 신설 터널이 기존터널의 상부를 통과하는 방안(CASE 2), 신설터 널이 기존터널의 하부를 통과하되 CASE 1과 교차각과 심 도를 달리하는 방안(CASE 3)이 검토되었다. 실내모형실험의 대상 현황을 표 1에 정리하여 나타내었다.

CASE 1은 신설터널이 기존터널 하부로 통과하는 방안으 로서 기존터널과의 수직 이격거리가 6.68m이며 25

로 교차 하고 지표까지의 토피고는 43m에 이른다. CASE 2는 신설 터널이 기존터널 상부로 통과하는 방안으로서 수직 이격거

리가 5.40m이며 30

로 교차하고 지표까지의 토피고는 33m 로서 CASE 1에 비해 상대적으로 토피고가 적다. CASE 1 과 CASE 2의 비교 검토에서는 기존터널을 기준으로 신설 터널이 상부에 존재하는지 하부에 존재하는지의 상대적 위 치 변화에 영향을 검토하였다. CASE 3은 신설터널이 기존 터널 하부로 통과하는 방안으로서 터널 간 수직 이격거리는 6.75m이며 20

로 교차하고 토피고는 52m 정도이다. CASE 1과 CASE 3의 비교검토에서는 터널간의 교차각 및 기준심 도를 변화 시킨 영향을 검토하였다. 위 조건들을 대상으로 실내모형실험으로 분석하고자 하였으며 조건별 차이점을 실 험적으로 규명하고자 하였다. 그림 1에 각 조건에 해당하는 평면도를 그림으로 나타내었다.

2.2 모형지반조성

원형의 지반을 모형으로 축소 모사하여 실내모형실험을 수 행하는 것은 매우 어렵다. 또한 원형 실험 즉, 실대형실험을 수행하기 위해서는 많은 시간과 경제적 부담이 소요되기 마 련이나 실험에 대한 신뢰성이 상당히 높다. 대규모의 시험시 공은 시간과 경제적 부담이 크기 때문에 많은 공학적인 문 제의 해결을 위해서는 원형을 적절히 축소시켜 만든 모형의 실험을 통하여 원형의 각종 현상을 관찰하는 모형실험 기법 이 많은 분야에서 이용되고 있다.

여러 가지 실험에서 도출되는 각종 물리량 사이의 관계는 이론적으로 분명할 수도 있고, 그렇지 않을 경우도 있기 때 문에 모형실험이 무조건 각종 역학적인 현상에 대한 답을 제시한다고는 볼 수 없다. 즉 모형실험은 원형을 기하학적으 로 축소하여 수행되는 것이므로 하중이나 응력 중 여러 가 지 물리량 사이의 관계가 이론적으로 불분명하다. 그러므로 차원해석법을 이용하여 물리량으로 구성되는 무차원 변량 사 이의 관계를 사전에 수립하여 실험을 계획하고 결과가 해석 되어야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 상사법칙을 적용 하였다. 상사법칙이란 구조물이나 실물, 원형의 성능을 예측 하기 위하여 원형과 모형사이에 반드시 성립하여야하는 어 떤 법칙을 말한다. 상사법칙에는 길이, 면적, 체적에 관련된 기하학적 상사와 속도, 가속도, 체적유량과 관련된 운동학적 상사 그리고 관성력, 점성력, 중력, 압축력, 탄성력, 표면장 력, 원심력, 진동력과 관련된 역학적 상사로 분류할 수 있다 (정혁상, 2004).

모형지반은 주문진 표준사와 규사를 섞어 상대밀도 75%로 조성하였다. 균질한 상대밀도를 확보하기 위하여 모래커튼방 식으로 강사시켜 모형지반을 조성하였고 예비실험을 통해 모 래커튼강사기의 높이는 지표에서 약 1.5m인 강사 시킬 경우 상대밀도 75%를 확보되는 것으로 나타났다.

그러나 모형지반에는 상사법칙을 적용하지 않았다. 이는 터 널에서 계측을 실시했을 때 실제는 아주 미소한 양의 변위(천 단변위, 지표침하 등)가 발생되며 이를 다시 상사법칙을 적 표 1. 실내모형실험 대상 현황

구 분 이격거리 교차각 토피고 터널 위치 비 고

CASE 1 6.68m 25

43m 신설터널이 기존터널 하부로 통과 CASE 1과 CASE 2의 차이는 기존터널을 기준으로 신설터널의 상대적 위치 변화 CASE 1과 CASE 3의 차이는 터널간의

교차각 및 기준심도 변화 CASE 2 5.40m 30

33m 신설터널이 기존터널 상부로 통과

CASE 3 6.75m 20

52m 신설터널이 기존터널 하부로 통과

용하여 모형지반을 모사할 경우 미소한 변위를 계측하기는 상당히 어렵고 많은 에러를 내포하고 있어 분석에 어려움이 있다. 따라서 본 모형실험의 특성상 터널의 과변위를 유도하 여 변위경향을 보다 명확하게 하여 분석하고자 응력과 하중 즉 모형지반의 변형계수에 대한 상사는 적용하지 않고 터널 의 제원과 이격거리 등의 길이에 대한 상사만을 적용하였다.

실내모형실험에서는 주로 기하학적 상사가 적용되는데 기 하학적 축소율은 식 (1)와 같이 원형과 모형의 대응길이 사 이의 축소율로 이와 관련되는 물리량은 길이(L), 면적(A), 체적(V)이 있으며, 원형과 모형간의 대응 길이는 모든 방향 에 대하여 일정하여야 한다.

길이(L) : , 면적(A) : , 체적(V) : (1)

여기서, L

: 모형의 길이 L

: 원형의 길이

2.3 실험장치 2.3.1 모형토조

모형토조의 크기는 가로 1.5m, 세로 1.5m, 높이 1.0m로 제작하였으며 토조를 지지하는 프레임은 가로, 세로, 높이 모 두 3.0m로 제작하였다.

모형토조 벽면은 마찰을 최소화할 수 있는 아크릴로 제작

하였고 지반의 유동을 육안으로 확인 할 수 있도록 제작하 였다. 그림 2에 모형토조의 크기와 제원을 그림으로 나타내 었다.

2.3.2 모형터널

모형터널은 강관을 사용하면 변형이 거의 없어 측정이 힘 L

L

--- L

L

---

⎝ ⎠ ⎛ ⎞

L

L

---

⎝ ⎠ ⎛ ⎞

그림 1. 각 조건별 평면도

그림 2. 모형 토조

들기 때문에 아크릴, 파이프 등의 재료를 이용하여 시험한 결과 재단판이라는 PVC 연질의 재료를 사용하였고, 재단판 의 양 끝단을 서로 접합하여 원형의 형태를 만들어 제작하 였다. 재단판의 두께는 4mm이며 투명 재질이다. 모형기존터 널의 길이는 교착각의 변화에 따라 1.6m~1.7m로 길이가 다 르며 상사법칙을 적용하여 모형기존터널의 직경은 150mm, 모형신설터널의 직경은 75mm로 제작하였다. 그림 3과 4는 각 터널이 제작된 광경을 보여주고 있다.

2.3.3 계측기기

변위계는 신설터널 굴착에 따른 기존터널의 종방향 변위 경향성을 파악하기 위해 기존터널 내부에 설치하였다. 변위 계는 최대측정길이가 30mm이며 기존터널 내부에 설치될 수 있도록 소형의 변위계를 주문 제작하였다.

변형률 게이지는 신설터널 굴착에 따른 기존터널의 변형의 경향성을 파악하기 위해 기존터널 외부에 설치하였다. 변형 률 게이지는 Tokyo Sokki사의 소성변형률 게이지를 사용하 였고 변형률 게이지 길이가 10mm이며 게이지 팩터가 2.12±1%인 제품을 사용하였다.

변위와 변형률의 데이터를 수집하기 위한 장치로 Tokyo Sokki사의 데이터로거(TDS303)를 사용하였다. 데이터로거 본 체의 채널은 20채널로 구성되어 있으나 컨트롤 박스를 연결 하여 80채널을 추가 구성하였다.

2.4 실험조건

실내모형실험 조건을 총 3가지 경우로 분류하여 진행하였

다. CASE 1의 경우 기존터널과 교차터널의 이격거리가 6.68m이고 상호 평면교차각이 25

이며 연결선 기준 심도가 43m인 경우이며 CASE 2는 기존터널과 교차터널의 이격거 리가 5.40m이고 상호 평면교차각이 30

이며 연결선 기준 심 도가 33m인 경우이다. CASE 3은 기존터널과 교차터널의 이격거리가 6.75m이고 상호 평면교차각이 20

이며 연결선 기준 심도가 52m인 경우 등 총 3가지 경우로 나누어 실험 을 진행하였다.

앞서 설명한 바와 같이 지반의 조성은 상사법칙을 적용하 지 않았으며 변형계수 500MPa에 대하여 상대밀도 75%로 가정하여 실시하였다. 변위를 과도하게 유도함으로서 변위경 향을 보다 명확하게 분석하는데 주안점을 두었으며 지반의 변형계수 변화에 따른 경향은 모형실험을 실시하지 않았다.

길이에 대한 상사법칙을 적용하여 원형의 1/100로 축소하 여 모형 및 이격거리 등 크기 및 위치를 선정하였다. 표 2 에 실내모형실험에 적용된 모형의 크기의 조건을 원형과 비 교하여 나타내었다. 또한 그림 5는 조건별 단면도 및 평면 도를 보여주고 있다.

2.5 실험방법

실험방법은 먼저 모래커튼 강사기를 이용하여 지반을 조성 한 뒤 신설터널을 설치한다. 신설터널을 설치한 후 주변에 다시 모래커튼 강사기를 이용하여 지반을 조성하고 계측기 를 기존터널에 설치하고 설치가 끝난 후 기존터널을 위치에 맞게 설치하여 모래커튼 강사기를 이용, 상부지반 조성을 마 무리한다. 이와 같은 실험 순서는 CASE 1과 CASE 3의 실험 순서에 해당되며 CASE 2는 신설터널과 기존터널의 상하 위치가 바뀌는 것을 제외하고는 CASE 1과 CASE 3 의 실험 순서와 동일하다. 그림 6는 실험 방법을 단계별로 보여주고 있다.

3. 실내모형실험 결과 및 분석

3.1 안정성 평가기준

기존터널의 상부 또는 하부를 신설터널이 횡단하는 경우로, 신설터널이 기존터널의 상부를 통과할 경우에는 기존터널이 위 방향으로 변위·변형하기도 하고, 거꾸로 아칭작용을 할 수 없어 기존터널 라이닝에 작용하는 하중이 증가하며, 신설 그림 3. 모형 기존터널

그림 4. 모형 신설터널

표 2. 실험조건

구 분 지반 이격거리 평면교차각 기준심도

CASE 1

원형 변형계수 500MPa 6.68m 25

43m 모형 상대밀도 75% 6.00cm 25

43cm CASE 2

원형 변형계수 500MPa 5.40m 30

33m 모형 상대밀도 75% 5.00cm 30

33cm CASE 3

원형 변형계수 500MPa 6.75m 20

52m

모형 상대밀도 75% 6.00cm 20

52cm

터널이 기존터널의 하부를 통과하는 경우에는 기존터널의 침 하가 발생하는 문제점이 있다. 터널교차의 경우 근접도의 구 분은 그림 7 및 표 3과 같다. 교차터널의 근접도는 신설터 널이 기존터널의 상부나 하부에 위치하는 경우에 따라 제한 범위는 각각 1.5D와 2D 미만으로 정하고 있다.

3.2 신설터널 굴착에 따른 기존터널의 종방향 침하경향 분석

종방향 보강영역은 침하 경향을 분석하여 변곡점 내부 영 역을 기준으로 하였다. CASE 1과 CASE 3은 신설터널이 하부에서 굴착되고 기존터널(고속전철)이 상부에 위치하는 경

우이며 CASE 1의 경우 강제적으로 침하를 유도하여 최대 16.97mm의 침하량을 보였으며 상대적으로 이를 정규화하여 1.0D (D=0.15m)내에서의 변위경향을 분석해 볼 때 좌측은 최대침하량의 76%가, 우측은 최대침하량의 83%가 발생하는 것으로 나타났다. CASE 1과 CASE 3은 굴진거리가 상대적 으로 가까운 우측벽에서부터 변위가 발생되며 굴진이 완료 된 후에는 거의 좌우 대칭을 이루는 것으로 분석되었다.

CASE 1의 경우 기존터널을 기준으로 서울방향 및 포항방향 모두 보강범위는 1.0D로 분석되었다.

CASE 2는 신설터널이 상부에서 굴착되고 기존터널(동해

남부선)이 하부에 위치하는 경우이다. CASE 2의 경우 신설

그림 5. 조건별 단면도 및 평면도

터널 굴착으로 인해 기존터널의 우측에서 최대 0.042mm 융기되는 것으로 분석되었다. CASE 1과 CASE 3의 침하

되는 경향과 반하여 융기되는 경향을 보이는 것으로 분석되 었다. 보강영역을 변곡점 내부 영역의 기준으로만 적용할 경 우 서울방향 및 포항방향 모두 2.0D 이상 보강해야 할 것 으로 판단되나 융기량이 전체 침하량에 비해 상당히 미미한 값을 나타내었으므로 보강에 신중을 기해야 할 것이다.

CASE 3의 경우 강제적으로 침하를 유도하여 18.93mm의 그림 6. 실험 방법

그림 7. 교차터널에서의 안전영역

표 3. 교차터널에서의 안전영역

위치관계 터널 이격거리 근접도 구분

신설터널이 기존터널보다 위에 위치하는 경우

1.5D 미만 제한범위

1.5D~3.0D 주의범위 3.0D 이상무조건 범위 신설터널이 기존터널보다

밑에 위치하는 경우

2.0D 미만 제한범위

2.0D~3.5D 주의범위

3.5D 이상무조건 범위

침하량을 나타냈으며 상대적으로 이를 정규화하여 0.5D(D=

0.15m) 내에서의 변위경향을 분석해 볼 때 좌측은 최대침하 량의 87%가, 우측은 최대침하량의 95%가 발생하는 것으로 나타났다.

CASE 3의 경우 기존터널을 기준으로 서울방향 및 포항방 향 모두 보강범위는 1.0D로 분석되었다. 그림 8과 표 4에 위치별 침하경향을 그래프와 표로 나타내었는데 여기서 (-) 는 침하를 (+)는 융기를 의미한다.

3.3 신설터널의 상·하 위치변동에 따른 기존터널의 종방 향 침하경향 분석

CASE 1과 CASE 3은 신설터널이 기존터널 하부를 통과 하는 방안으로서 교차각과 이격거리가 다소 차이는 있지만 유사한 경우이며 CASE 2의 경우에는 신설터널이 기존터널 상부를 통과하는 방안으로서 CASE 1 및 CASE 3과는 위 치적으로 상반되는 경우이다.

그림 9에 최종 굴착시 기존터널의 종방향 침하 경향을 그림 8. 위치별 침하경향

표 4. 시간경과 및 위치별 침하경향

기존터널 종방향 거리

(a) CASE 1 침하량 (mm) 0.4m

굴진시

0.8m 굴진시

1.2m 굴진시

1.6m 굴진시 -80cm 0.000 0.000 0.000 0.000 -50cm -0.103 -0.182 -0.409 -0.409 -30cm -0.191 -0.311 -0.563 -0.549 -20cm -0.470 -0.870 -1.260 -1.350 -10cm -0.020 -0.011 -10.163 -10.161

-5cm -0.001 -0.001 -12.924 -12.923 0cm 0.000 -0.048 -16.973 -16.973 5cm -0.014 -9.304 -14.132 -14.132 10cm -0.026 -11.096 -11.578 -11.578 20cm -0.179 -2.841 -2.802 -2.802 30cm -0.108 -0.004 -0.107 -0.110 50cm -0.157 -0.241 -0.413 -0.417 80cm 0.000 0.000 0.000 0.000

기존터널 종방향 거리

(b) CASE 2 침하량 (mm) 0.4m

굴진시

0.8m 굴진시

1.2m 굴진시

1.6m 굴진시 -80cm 0.000 0.000 0.000 0.000 -50cm 0.001 0.001 0.000 0.001 -30cm 0.001 0.000 0.001 0.004 -20cm 0.020 0.026 0.032 0.037 -10cm 0.001 0.004 0.007 0.006 -5cm 0.002 0.015 0.029 0.032

0cm 0.001 0.017 0.017 0.025

5cm 0.000 0.027 0.021 0.025

10cm 0.002 0.025 0.027 0.033 20cm 0.004 0.017 0.041 0.042 30cm 0.002 0.007 0.010 0.010 50cm 0.004 0.004 0.004 0.004 80cm 0.000 0.000 0.000 0.000

기존터널 종방향 거리

(c) CASE 3 침하량 (mm) 0.4m

굴진시

0.8m 굴진시

1.2m 굴진시

1.6m 굴진시 -80cm 0.000 0.000 0.000 0.000 -50cm -0.048 -0.060 -0.092 -0.128 -30cm -0.072 -0.077 -0.031 -0.026 -20cm -0.017 -0.017 -3.787 -3.802 -10cm -0.042 -0.163 -16.104 -16.102

-5cm -0.187 -0.398 -16.460 -16.460

0cm -0.249 -1.014 -18.933 -18.934

5cm -0.257 -17.909 -17.921 -17.921

10cm -0.258 -16.731 -17.374 -17.374

20cm -0.019 -4.497 -4.662 -4.662

30cm -0.101 -0.371 -0.324 -0.313

50cm -0.063 -0.066 -0.103 -0.102

80cm 0.000 0.000 0.000 0.000

분석한 결과를 나타내었다. 그림에서 나타낸 바와 같이 신 설터널 굴착으로 인해 기존터널의 영향은 CASE 1 및 CASE 3의 경우 침하 경향을 보였으며 CASE 2는 미소한 융기 경향을 보이는 것으로 나타나 침하 경향에 큰 차이를 보이고 있다.

3.4 교차부에서 신설터널 굴착에 따른 기존터널의 변위 분포경향 분석

신설터널과 기존터널의 교차부에서 변위를 통한 터널의 변 형을 확인해 본 결과 CASE 1과 CASE 3에서 천단의 변 형이 가장 컸으며(각각 3.50mm, 3.62mm)는 비슷한 경향을 나타내었다. CASE 1과 CASE 3에서 바닥의 침하는 각각 최대 16.97mm, 18.93mm 발생하였으나 4mm로 축소하여 표시하였다. CASE 1과 CASE 3에서 신설터널의 영향이 먼 저 미치는 우측부(우어깨, 우측벽)에 대한 보강을 먼저 실시 하고 후속공정으로 좌측부(좌어깨, 좌측벽)를 보강하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 단 기존터널에서의 교차부의 보 강이 불가능하므로 신설터널에서 추가 보강을 실시해야 할 것이다. CASE 2는 기존터널 단면에 아주 미소한 변위가 발생하여 보강영역의 우선순위를 선정하기 어려움이 있다(그 림 10 참조).

3.5 신설터널굴착에 따른 기존터널의 변형률 분포경향 분석 신설터널 굴착으로 인한 기존터널의 변형률 분포 경향을 분석하기 위해 기존터널의 좌우측벽, 좌우어깨, 천단부 등 단 면별 5개소와 터널 교차부를 포함하여 9개 단면에 대하여 총 45개의 변형률게이지를 부착하였다. 굴착단계별 변형률을 실시간으로 계측하여 그 결과를 그림 11과 그림 12에 나타 내었다. CASE 1의 경우 교차점 인근에서 최대변형률은 0.0047로 나타났다. 최대변형률이 0.0047로 변형률이 작은 영역대에서 분포하는 것은 재료적 성질로서 정량적인 값은 의미가 없으며 다른 CASE와 비교분석하여 상대적인 지표로 그림 9. 상·하 위치변동에 따른 기존 터널의 종방향 침하경향

그림 10. 교차부에서 기존터널의 변형 그림 11. 변형률 분포도 CASE 1(변형률은 100배율)

만 사용하는 것이 옳을 것으로 판단된다.

CASE 1의 경우 40cm 굴착 완료시 좌측벽 및 좌어깨 부 분에서 변형률이 발생했으며 80cm 굴착 완료시 신설터널 중앙부를 기점으로 변형률의 확대 경향을 보이고 120cm 굴 착 완료시 교차점에서 최대변형률 분포경향을 보이고 160cm 굴착 완료시는 120cm 굴착완료시와 거의 유사한 결과를 나 타내었다.

CASE 3의 경우 변형률 발생 경향이 CASE 1과 유사하 나 최대변형률이 CASE 1에 비해 미소하게 크게 발생하였 으나 거의 유사한 값을 보였다.

4. 결 론

본 연구에서는 교차터널의 거동과 보강영역의 연구를 위해 실내모형실험을 실시한 내용을 다루었으며 연구결과를 종합 한 결론은 다음과 같다.

1) 교차터널의 상호이격거리가 1D 이내인 실내모형실험에 서 신설터널 굴착으로 인한 기존터널의 종방향 침하 경향을 분석한 결과, 신설터널이 기존터널 하부를 통과하는 경우 터 널직경(D) 기준으로 좌우측 각각 1D 이내의 보강영역이 필 요한 것으로 분석되었고, 상부에 통과하는 경우 기존터널 단 면에 아주 미소한 변위가 발생하여 보강영역의 우선순위를

선정하기 어려움이 있었다.

2) 실내모형실험에서 신설터널의 상·하 위치변동에 따른 기존터널의 종방향 침하 경향을 비교 분석해본 결과, 신설터 널이 기존터널의 하부에 위치할 경우 기존터널은 (-)변위(침 하)를, 신설터널이 기존터널의 상부에 위치할 경우 기존터널 은 (+)변위(융기)를 보이는 것으로 확인되었다.

3) 실내모형실험결과 신설터널과 기존터널의 교차부에서는 신설터널의 굴착 영향이 기존터널에 먼저 미치는 영역부터 보강을 실시하여야 할 것으로 판단된다.

실내모형실험은 어디까지나 보강범위를 알아보기 위하여 기존터널에 신설터널의 침하경향을 알아보기 위함으로 신규 터널을 원형으로 모사한 모델로서의 예측에 지나지 않는다.

따라서 향후 실제 터널의 계측 값을 토대로 보강영역을 도 출해내는 것이 효과적일 것이라 판단되며 이에 대한 연구가 추가적으로 필요하다고 사료된다.

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( 접수일: 2011.11.14/심사일: 2012.1.24/심사완료일: 2012.6.18)

그림 12. 변형률 분포도 CASE 3