저토피구간 갱외 보강을 통한 터널 시공 사례

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(1)기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.30, No.9 | pp.20~31. 저토피구간 갱외 보강을 통한 터널 시공 사례. 최기배. 김형규. 정수호. 이종준. 박재영. 한국도로공사 홍천양양건설사업단 단장 ([email protected]). 한국도로공사 홍천양양건설사업단 공사관리1팀장 ([email protected]). 한국도로공사 홍천양양건설사업단 기술차장 ([email protected]). 한국도로공사 홍천양양건설사업단 공사1과장 ([email protected]). (주)경동엔지니어링 홍천양양건설사업단 토질 감리원 ([email protected]). 1. 서 론. 본 사례에서는 고속국도 제60호선 동홍천~양양 고 속도로 제8공구 내촌4터널 양양방향 계곡 저토피 구. 최근 국토 균형 발전 및 레저산업 증가, 물류운송비. 간의 설계 및 시공사례를 기술하고자 한다.. 저감을 위한 교통 인프라 구축이 증가하고 있는 실정 이다. 특히, 교통 인프라 구축을 위한 고속도로의 건설 은 현재까지 점차 증가하고 있다. 고속도로 건설 증가. 2. 현 황. 로 구조물, 특히 터널 건설 수요가 증가되며, 또한, 터 널의 대규모화, 장대화에 따라 취약지반구간 및 저토. 2.1 노선개요. 피구간을 통과하는 사례도 점차 증가하고 있다. 저토피 구간에서는 NATM 터널 시공 시 지반의 강. 본 검토구간은 고속국도 제60호선 동홍천~양양간. 도를 이용한 아칭 효과 발현이 어려워 터널의 안정성. 고속도로 제8공구 구간으로 행정구역상 강원도 홍천. 을 기대하기 어려운 문제점이 있다.. 군 내촌면 물걸리~강원도 홍천군 서석면 수하리에 이. 따라서, 터널 저토피 구간에서는 지반의 아칭 현상. 르는 연장 5.895km구간이다. 이중 저토피 터널 구간. 을 발휘하기 위하여 각종 보조공법들이 검토되어 시공. 인 내촌4터널은 2차로 병설터널로 연장 367m(양양방. 되고 있는 실정이다.. 향)로 계획되었다.. 20 • 地盤.

(2) 저토피구간 갱외 보강을 통한 터널 시공 사례. 그림 1. 검토구간 위치도. 그림 2. 검토구간 지질도. 2.2 지형 및 지질. 2.3 저토피 구간 현황. 검토구간은 전반적으로 시점부가 종점부에 비해 낮. 내촌4터널 개착구간은 토피고 0.34m~16.9m의 저. 고, 관입 및 융기 등 지구조 운동이 복합적으로 일어난. 토피로 원설계시에는 개착터널로 계획되었으나, 개착. 장년기의 산악지형을 보이고 있으며, 산악지형의 계. 터널이 계곡부에 위치하고 있어 시공 시 진입로 확보. 곡부를 따라 수지상 수계가 발달하고 있다.. 문제, 시공 후 유입수의 배수처리 및 비탈면 형성에 따. 검토구간 지질은 선캠브리아기의 복운모편마암, 백. 른 유지관리 문제점이 예상되었다. 이에, 시공성 및 유. 악기의 흑운모화강암, 반상화강암, 복운모화강암이. 지관리, 환경훼손 최소화를 확보할 수 있는 시공 공법. 기반암으로 분포하고 있고, 그 상부를 신생대 제4기. 이 검토되었다.. 충적층이 부정합으로 덮고 있다.. 당초 개착구간은 전방 36m구간과 후방 18m구. 2014. 9 Vol.30, No.9 • 21.

(3) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.30, No.9 | pp.20~31. 그림 3. 저토피구간 현황 표 1. 저토피구간 시추조사 결과 (원설계). (시공시 확인시추). 구분. 코아사진 (TB-12) TB-17. TB-11. TB-12. CB-22. 풍화토. 0.0~1.8. -. 0.0~1.5. -. 풍화암. 1.8~3.0. 0.0~3.0. 1.5~3.0. 0.0~3.0. 연암. 3.0~9.0. -. -. 3.0~5.0. 경암. 9.0~. 3.0~. 3.0~. 5.0~. 간은 지보패턴 P-6으로 설계되었으나, 확인 시추. 며 깎기높이가 H=20.1m로 깎기시공 중 비탈면 붕괴. 조사 결과 터널이 통과되는 구간은 표 1과 같이 연. 가능성이 있으며, 비탈면 보강, 깎기완료 후 개착터널. 암 및 경암층으로 대체적으로 신선하고 강한 강도. 설치, 비탈면 녹화 시공 등 시공성이 불량하고 환경 훼. 를 가지는 암질로 구성되어 있어 토피고가 1D이하. 손이 예상되었다. 따라서, 표 2와 같이 저토피 구간에. 인 STA.1+310~1+325구간은 지보패턴 P-6, 전방. 갱내·외 보강공법+NATM 및 개착공법을 비교하여. 17m, 후방 12m구간은 지보패턴 P-5 계획하였다.. 최적공법을 선정하였다.. 3.2 토피고 확보를 위한 상부 보강 공법. 3. 저토피구간 굴착 및 보강공법 검토 본 검토구간의 최소토피고는 0.34m 내외로 터널굴. 3.1 저토피 구간 터널 통과공법. 착시 터널 단면 일부가 노출되거나 아칭발현이 어렵 고, 굴착에 따른 붕락의 위험성이 예상되었다. 따라서,. 본 검토 구간은 원설계 시 개착공법으로 설계된 구. 터널굴착을 위한 토피고 확보를 위하여 토사 되메우기. 간으로 개착구간 비탈면 경사가 1:0.3으로 급경사이. 후 다짐, 보강토를 이용하는 방법, 현장타설 콘크리트. 22 • 地盤.

(4) 저토피구간 갱외 보강을 통한 터널 시공 사례. 를 사용하는 방법 등을 검토하였다.. Back Break현상으로 여굴발생 및 암반이완으로 인한. 상부 토피고 확보는 소규모 장비를 이용한 현장 접. 낙반이 발생할 가능성이 있다. 따라서 Back Break 현. 근성 확보 및 상부 저토피구간 지반의 강도 향상을 위. 상을 저감을 위해 진동제어 발파공법을 적용하였다.. 하여 석분과 시멘트를 혼합한 인공지반으로 복토를 계. 적용된 발파 공법은 표 4와 같다.. 획하였다. 저토피 구간 상부 토피고 확보를 위한 보강. 3.4 저토피 구간 터널 보강 검토 결과. 공법은 표 3과 같다.. 3.3 저토피 구간 터널 발파 공법. 터널 저토피구간 통과를 위하여 본 검토에서는 저토 피구간 보강공법, 토피확보를 위한 복토 공법, 여굴발. 저토피구간에서 일반 발파 시 발파진동에 의한. 생 최소화를 위한 발파공법을 검토하였다. 본 저토피. 표 2. 터널 저토피구간 통과공법 비교 구분. 갱외보강공법. 갱내보강공법. 개착공법. 공법개요. - 터널 직상 지표에서 보강재를 터널내로 - 강관을 터널 천단 및 측벽부에 설치 후 - 저토피구간 양쪽을 절취한 후 Precast 구 설치하여 터널 상부 구간을 보강하여 아 그라우팅을 실시하여 지반 강성을 증가 조물을 설치하고 되메움하여 터널을 형 칭영역을 확보한 후 터널을 굴착하는 공 시켜 굴착하는 공법 성하는 공법 법. 공법특징. - 갱외 선보강으로 본선굴착시 붕락 사고 - 차수, 지반 보강 동시 발휘 - 비탈면 안정성 확보 필요 방지. - 무개착 공법으로 진입로 개설이 불필 - 계곡부 침투수 처리 필요 - 본선 굴착과 별도공정으로 시공 속도가 요, 민원 최소 - 공사 진입로 개설에 따른 환경훼손 발생 빠름 - 토피고 및 아칭발현을 위한 상부 복토 - 시공후 유지관리 어려움 - 토피고 및 아칭발현을 위한 상부 복토 필요 필요. 선정안. x. x. x. 표 3. 저토피구간 상부 토피고 확보를 위한 인공지반 보강공법 공법개요. 개요도. - 석분과 시멘트를 혼합기계로 건비빔한 인공지반을 부설하고 살수 하 면서 1ton 롤러로 다짐을 실시하여 토피고를 형성하는 공법.. 배 합 비 시멘트. 석분. 물. 압축강도. 150kg. 1m3. 45kg. 6.32Mpa. 2014. 9 Vol.30, No.9 • 23.

(5) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.30, No.9 | pp.20~31. 표 4. 저토피구간 터널 발파 공법 공법개요. 발파모식도. - 발파진동에 의한 Back Break현상 감소를 위하여 Smooth Blasting 및 Line Drilling공법 적용 •Smooth Blasting 공법 : 조절발파 공법의 일종으로 정밀폭약을 사용 하여 D.I 계수를 높혀 발파로 인한 Back-Break를 방지하여 모암을 보호 •Line Drilling 공법 : 천공경의 4배 이내의 공간격을 확보하여 모암으 로의 충격파 진행을 저감. 표 5. 터널 저토피구간 적용 공법 요약 토피확보 복토 공법. 터널 보강공법. 터널 발파공법. 석분+시멘트 일축압축강도 : 6.32Mpa. - Nail SD40, D29 - 보강간격 : 1.0m×1.2m - 보강길이 : 4.2m~10.0m. - Smooth Blasting - Line Drilling. 터널 저토피 구간에 인공지반과 갱외 선지보 보강 공법을 적용한 후 MIDAS GTS(2차원 해석)을 이용하 여 터널 굴착에 따른 터널 주변의 변위, 응력의 변화와 지중 및 지표에서 발생하는 연직 및 수평응력과 변위 를 검토하였다. 검토시 대상 지반은 Mohr-Coulomb 항복규준 비연계(non-associated) 탄소성 재료, 숏크 리트, 록볼트, 갱외 선지보 네일은 탄성재료, 보강재료 (강관다단그라우팅 등)는 탄소성재료로 가정하여 해 석을 수행하였다. 그림 4. 내촌4터널 저토피구간 통과공법 단면도. 4.2 입력물성치 구간에서 적용된 보강 공법은 표 5와 같고, 통과공법 단면도는 그림 4와 같다.. 2차원 수치해석에 적용한 입력물성치는 실시설계 보고서 및 실내시험에서 산정한 물성치를 적용하였 다. 갱외 선지보 네일 보강 후 지반의 물성치는 점착. 4. 안정성 검토. 력, 변형계수는 등가환산물성을 적용하였으며, 내부 마찰각의 증가는 고려하지 않았다. 적용된 물성치는. 4.1 개 요 24 • 地盤. 표 6과 같다..

(6) 저토피구간 갱외 보강을 통한 터널 시공 사례. 표 6. 터널해석 입력물성치 암반등급. 단위중량(kN/m3). 점착력(kPa). 마찰각(°). 탄성계수(MPa). 포아송비(ν). Ⅲ. 25. 800. 35. 7,000. 0.25. Ⅳ. 24. 300. 33. 2,500. 0.27. 무보강. 21. 50. 33. 500. 0.30. 보강. 21. 60. 33. 600. 0.30. 무보강. 21. 30. 33. 200. 0.30. 보강. 21. 40. 33. 300. 0.30. 무보강. 19. 10. 30. 40. 0.35. 보강. 19. 20. 30. 150. 0.35. 비고. Ⅴ 갱외 선지보. 풍화암 갱외 선지보. 풍화토 갱외 선지보. 표 7. 터널 안정성 확보를 위한 응력 및 변위 기준 구분. 천단침하. 내공변위. 럭볼트축력. 선지보네일축력. 숏크리트응력. 허용기준. 40.0mm. 40.0mm. 88.7kN. 115.6kN. 8.4Mpa. 4.3 허용관리기준 터널 굴착 시 터널에 발생하는 응력 및 변위기준은. 5. 터널 시공 및 계측 5.1 터널 시공. 실시설계에서 제시된 기준을 적용하였으며, 표 7과 같 다.. 터널 저토피 구간에 대한 시공 시 확인 시추조사, 터 널 보강설계 및 수치해석을 통해 터널의 안정성을 확. 4.4 수치해석 결과. 인 후 시공하였다. 시공순서는 표 10과 같이 저토피 구 간의 최소 토피고 0.32m를 감안하여 상부 느슨한 토. 수치해석 결과 STA.1+320구간(인공지반 복토+ 갱외 선지보네일 보강공법 적용 구간)에서는 최대천. 사 제거후 인공지반을 형성하고 갱외보강, 터널 굴착 순으로 시공하였다.. 단침하 7.773mm, 최대내공변위 5.541mm, 락볼 트 축력 46.9kN, 선지보 축력 31.1kN, 숏크리트 응. 5.2 계측관리. 력 3.7Mpa이 발생되었으며, STA.1+300구간(갱 외 선지보네일 보강공법 적용 구간)에서는 최대천단. 터널 시공에 따른 터널 주변지반의 응력, 변위 거동. 침하 6.960mm, 최대내공변위 4.692mm, 락볼트. 을 파악하여 시공전 검토자료의 타당성을 확인하고 터. 축력 66.7kN, 선지보 축력 79.4kN, 숏크리트 응력. 널의 안정성을 확보하기 위하여 STA.1+315단면에 대. 7.0Mpa이 발생하여 저토피 구간별 보강 적용시 허용. 하여 계측을 실시하였다. 계측은 터널 굴착시부터 터. 응력 및 허용변위 이내인 것으로 검토되었다.. 널 관통시까지 시행하였다.. 2014. 9 Vol.30, No.9 • 25.

(7) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.30, No.9 | pp.20~31. 표 8. STA.1+320구간 터널 해석 결과 (인공지반 복토+갱외 선지보 네일 보강 구간) 검토단면. 천단침하 (mm). 내공변위 (mm). 락볼트 축력 (kN). 선지보 축력 (kN). 숏크리트응력 (Mpa). 검토결과. 1+320. 7.773. 5.541. 46.9. 31.1. 3.7. O.K. 26 • 地盤. 해석단면. 해석 MESH. 천단 및 내공변위. 락볼트 축력. 선지보 축력. 숏크리트 응력.

(8) 저토피구간 갱외 보강을 통한 터널 시공 사례. 표 9. STA.1+300구간 터널 해석 결과 (갱외 선지보 네일 보강 구간) 검토단면. 천단침하 (mm). 내공변위 (mm). 락볼트 축력 (kN). 선지보 축력 (kN). 숏크리트응력 (Mpa). 검토결과. 1+300. 6,960. 4,692. 66.7. 79.4. 7.0. O.K. 해석단면. 해석 MESH. 천단 및 내공변위. 락볼트 축력. 선지보 축력. 숏크리트 응력. 2014. 9 Vol.30, No.9 • 27.

(9) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.30, No.9 | pp.20~31. 표 10. 터널 저토피 구간 시공순서도 1단계. 2단계. 3단계. 인공지반 포설 및 다짐. 선지보 네일 시공 및 그라우팅. 상부 지압판 및 연결 철근 설치. 4단계. 5단계. 6단계. 상반 굴착 및 갱내 지압판 체결. 숏크리트 타설. 라이닝 설치. 그림 5. 검토구간 계측기 설치 위치. 28 • 地盤.

(10) 저토피구간 갱외 보강을 통한 터널 시공 사례. 5.2.1 시공 시 계측관리 항목. 10m 간격으로 일상계측과 30m간격으로 정밀계측을. 계측관리는 일상계측과 정밀계측을 통하여 계측항. 시행하였다. 본 검토에서는 계측결과중 토피고가 가. 목을 선정하였으며, 실시된 계측항목은 표 11, 계측위. 장 낮은 구간인 STA1+315구간에 대한 계측결과를 분. 치는 그림 5와 같다.. 석하였으며, 초기 측정은 2011.11.19.에 시작하였다. 현재 터널은 완공된 상태이며, 계측은 2012.1.11.까지. 5.2.2 시공 시 계측관리 기준. 시행되었다. 최종 측정된 계측 결과는 표 13과 같다.. 계측관리 기준은 국내·외의 제안자 및 기관별로 다. 계측관리 결과 터널 저토피 구간을 통과하여 약. 소의 차이가 있으며, 본 검토구간에서는 실시설계 시. 162m 굴진 시까지 최대 천단침하는 4.0mm, 최대내. 제시된 계측관리기준을 적용하였다.. 공변위는 2.0mm, 최대 숏크리트 응력은 16.31kgf/ cm2가 발생되어 터널 굴진에 따른 안정성이 확보됨을. 5.2.3 계측결과. 확인하였다.. 계측은 STA.2+275~STA.2+335 구간에 대해 표 11. 터널 저토피 구간 계측관리 항목 구분. 항목. 계측장비. 계측목적. 비고. 천단침하계. •터널 천정부의 침하량을 측정 하여 변위 속도에 의한 지반의 안정성 판단. 내공변위계. •터널내부의 변위량 및 변위 속도를 측정하여 단면의 평형상태, 변위의 수렴 상태 파악. 일상계측 막장관찰 조사. 락볼트 인발시험. 락볼트축력계. 정밀계측. 지중변위계. 숏크리트응력계. •막장의 자립성 파악, 암질 단층파쇄대, 습곡, 변질대 등의 성상 파악. •ROCK BOLT의 정착효과 확인. •ROCK BOLT에 축력 측정. •터널의 이완영역 추정. •숏크리트의 배면 토압 및 내부 응력 측정. 2014. 9 Vol.30, No.9 • 29.

(11) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.30, No.9 | pp.20~31. 표 12. 터널 저토피 구간 계측관리 기준 일상계측. 관리단계. 정밀계측. 천단침하. 내공변위. 지중변위. 숏크리트 응력. 락볼트 축력. 안전단계. ±20mm이내. ±40mm 이하. ±5~6mm. ±48.0~64.0kg/㎠. ±5.16~6.88ton. 주의단계. ±20~±30mm. ±40~±50mm. ±5~6mm. ±64.0~80.0kg/㎠. ±6.88~8.60ton. 위험단계. ±30mm 이상. ±50mm 이상. ±6mm 이상. ±80.0kg/㎠ 초과. ±8.60ton 초과. 표 13. 터널 저토피구간 계측 결과 일상계측. 구분 계측 관리치. 정밀계측. 천단침하. 내공변위. 숏크리트 응력. ±20mm이내. ±40mm 이하. ±84kgf/㎠. 4.0mm. 2.0mm. 16.31kgf/㎠. 계측 측정치. 6. 결 론. 다하게 발생될 수 있어, 터널 상부 토피 확보와 터 널 통과구간 갱외 보강에 의한 NTAM공법을 검. 본 기술기사는 고속국도60호선 동홍천~양양간 고. 토하였다.. 속도로 제8공구 내촌4터널 양양방향 저토피 구간 갱 외 보강을 통한 NATM 시공 사례로 설계검토 방향, 안. 2) 보강대책 수립 후 안정성 파악을 위한 수치해석. 정성 검토, 시공, 계측에 대한 일련의 검토 내용을 요. 결과 STA.1+320구간(인공지반 복토+갱외 선지. 약하면 다음과 같다.. 보네일 보강공법 적용 구간)에서는 최대천단침하 7.773mm, 최대내공변위 5.541mm, 락볼트 축. 1) 설계시에 적용된 개착구간은 비탈면 경사가. 력 46.9kN, 선지보 축력 31.1kN, 숏크리트 응력. 1:0.3으로 급경사이며 깎기높이가 H=20.1m로. 3.7Mpa이 발생되었으며, STA.1+300구간(갱외. 깎기시공중 비탈면 붕괴 가능성이 있으며, 깎기중. 선지보네일 보강공법 적용 구간)에서는 최대천단. 비탈면 보강, 깎기완료 후 개착터널설치, 비탈면. 침하 6.960mm, 최대내공변위 4.692mm, 락볼. 녹화공법 시공 등 공종이 복잡하고 환경훼손이 과. 트 축력 66.7kN, 선지보 축력 79.4kN, 숏크리트. 30 • 地盤.

(12) 저토피구간 갱외 보강을 통한 터널 시공 사례. 토피 확보 복토 공법 (인공지반 복토). 터널 보강공법 (갱외 선지보네일). 석분+시멘트 일축압축강도 : 6.32Mpa. - Nail SD40, D29 - 보강간격 : 1.0m×1.2m - 보강길이 : 4.2m~10.0m. 터널 발파공법 (진동제어발파) - Smooth Blasting - Line Drilling. 응력 7.0Mpa이 발생하여 저토피 구간별 보강 적. 저토피 터널은 지반의 아칭발휘가 어려우며, 지표수. 용시 허용응력 및 허용변위 이내인 것으로 검토되. 의 이동경로가 될 가능성이 많으므로 NATM 시공 시. 었다.. 상시 붕락 발생의 가능성이 있다. 따라서, 안전한 시공 을 위해서는 설계 및 시공단계,및 유지관리 단계의 종. 3) 안정성 검토 후 단계별 터널 보강 및 굴착을 실시. 합적이고 체계적인 검토가 필요하다.. 하였고, 시공과 동시에 계측을 실시하였다. 계측. 본 시공사례가 터널 저토피 구간에서의 NATM 시. 결과 터널 관통시까지 최대 천단침하는 4.0mm,. 공 시 참고되고, 국내 터널 설계 및 시공 발전에 조그마. 최대내공변위는 2.0mm, 최대 숏크리트 응력은. 한 도움이 되었으면 한다.. 2. 16.31kgf/cm 가 발생되어 터널 굴진에 따른 안정 성이 확보됨을 확인하였다. 4) 상기에서 검토된 내촌4터널은 2012년 1월 터널 굴진이 완료되었으며, 2012년 11월 라이닝 설치 등 터널 시공이 성공적으로 완료되었다.. 2014. 9 Vol.30, No.9 • 31.

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