한국암반공학회춘계학술발표회
2007 / 2007.3.22
기존도로 하부를 횡단하는 저토피 터널의 안정성 검토에 관한 연구
이상수 이창훈 임경호 김완준 주 평화엔지니어링 , , , (( ) ) 이관호 부상혁 남광토건 주 , ( ( ))
서론 1.
기존 도로 지장물 하부 또는 저토피 터널로 횡단한 사례는 도심지 지하철 터널이나 전력구 , 등과 같은 경우를 제외하면 도로터널의 경우에는 남해고속도로를 횡단하는 냉정터널 토피 ( 고 8~9m) 등 사례가 많지 않은 실정이다 .
본 연구에서는 성남 시가지 공단로 와 도촌 택지개발지구를 남북으로 연결하여 도촌 택지 ( ) 지구 분당지역주민의 교통편의를 제공하고 지역간 균형적인 발전을 도모하기 위해 계획된 , 도촌지구 공단로간 도로 개설공사 중 기존 국도 호선의 ~ 3 8.2m~9.0m 하부를 터널공법으로 횡단하기 위해 검토된 굴착방법 및 안정성 확보방안 등을 소개하고자 한다.
기존 국도 3 호선을 횡단하는 중원터널 시점부의 지층은 지표로부터 토사와 풍화암이 5.7m 까지 분포되어 있고 하부에 연암층이 존재한다 터널의 토피고가 약 . 8.2m 로 터널 시점부에 서 국도 3 호선을 완전히 횡단하는 구간은 약 60~70m 에 이른다 터널 굴착 및 보강공법으 . 로는 지형적인 조건과 기존 도로의 교통에 미치는 영향 등을 고려하여 NATM 공법과 대구 경 강관다단 그라우팅 보강공법을 적용하였다 안정성 검토는 지반의 측압계수 . (K
0), 굴착순 서 상하반 벤치길이를 변경하여 총 , 27 CASE 에 대해 수행하였다 .
현황 및 지질 개요 2.
노선 개요 2.1
도촌지구 공단로간 도로개설공사는 성남시 중원구 도촌동 도촌택지지구 ~ ( )~ 성남시 중원구 하대원동 공단로 구간의 전체 연장 ( ) 1.50km 의 도로로 교량 개소 1 (L=65m), 터널 1 개소 및 터널에 인접한 지하차도 개소 로 이루어져 있다 터널 시
(L=487m) 2 (L=153m/123m) .
점부는 성남 장호원간 도로가 공사중이며 국도 호선이 운용중이다 터널 종점부는 좌측에 ~ , 3 .
약 50m 이격되어 아튼빌아파트 우측에는 둔촌이집선생추모재 등 지장물이 있다 중원터널 , .
은 2 차선 병설터널로 상행선 도촌방향 (L=487m), 하행선 시청방향 (L=475m) 이며 차량용
피난연락갱 1 개소를 계획하였다 그림 . 1 은 노선도를 나타낸다 .
그림 1. 노선도
국도 호선 근접 구간 현황 2.2 3
국도 3 호선은 터널 천단부로부터 약 8.2m 상부에 위치하고 있고 지표로부터 5.7m 하부에 기반암이 출현하여 터널은 전막장이 암반층을 통과하고 있다 국도 호선은 터널 시점 갱구 . 3 로부터 10~20m 후방에 바로 위치하여 터널 시점부에서 국도 3 호선을 완전히 횡단하는 구 간은 약 60~70m 에 이른다 국도 . 3 호선은 일 교통량이 70,000 대 이상으로 상당히 많으며 , 도로 좌측이 급경사 지형을 이루고 있어 횡단공법 선정의 주된 제약요인이 되고 있다 또 . 한 국도 , 3 호선과 근접한 터널 천단 4.7m 상부에 분당선 전력맨홀 길이 ( 7.8m x 폭 2.9m 높이 이 위치하고 있다 표 은 터널과 국도 호선과 분당선 전력맨홀의 근접구간
x 2.3m) . 1 3
현황을 나타낸다.
표 1. 국도 호선과 분당선 전력맨홀 근접구간 현황 3
현장 사진 종단면도
지질특성 및 조사결과 2.3
이 지역의 지질은 그림 2 에서와 같이 주로 선캠브리아기 원생대의 퇴적암류 및 화성암류가
광역변성작용을 받아 형성된 미그마타이트질 편마암으로 구성되어 있으며 지역동측 갈마 ,
터널 인근으로는 반상변정을 함유한 호상 흑운모 편마암이 분포되어 있다 미그마타이트질 .
편마암은 호상 흑운모편마암과 다르게 엽리구조는 불분명하며 화강암질 편마암과 같은 괴 ,
상구조와 용융되지 않은 호상 흑운모편마암이 부분적으로 내재한다 석영과 장석의 함량으 .
로 볼때 화강암질 편마암과 유사하며 구성광물은 석영 사장석 흑운모 등으로 이루어져 있다 , , , .
그림 2. 지질현황도
국도 3 호선과 터널의 교차지점에는 시추조사 4 개소 수평시추조사 , (10 。 경사 ) 1 개소 전기 , 비저항탐사 탄성파탐사 , , GPR 탐사 등을 실시하였으며 조사결과 RMR 분류기준에 의한 지 반등급 Ⅳ 이하가 70% 로 분포하여 대체적으로 불량한 암반으로 구성되어 있으며 터널 주 , 변에 단층대 F-1( 단층폭 2.0m, 연장 1,630m), F-2( 단층폭 0.5m, 연장 450m), F-3( 지질 이상대 연장 , 450m) 은 터널과 사교하며 , F-4( 단층폭 1.5m, 연장 520m) 는 터널에 평행하 게 분포하고 있다 표 . 2 및 그림 3 은 지반특성 및 터널의 지반등급을 나타내고 있다 .
표 2. 터널의 지반특성 분석결과
구 분 현황분석
암종 특성 ∙ 미그마타이트질 편마암이 주된 분포 암종이며 석영 사장석 흑운모가 조암광물임 , , , 지형 특성 ∙ 시점 갱구부는 국도 호선 하부 횡단 지역으로 경사가 급한 지형임 3
종점 갱구부는 완만한 지형으로 계곡과 인접되어 있음
∙ 지반 특성
암석의 일축압축강도는 76.9MPa~151.29MPa 로 편차가 크며 평균 , 114.7MPa 임
∙
∙터널의 지반등급은 Ⅱ ~III 등급이 30%, IV 등급 이하 70% 로 불량한 지반등급의 비율이 높음 터널과 평행한 F-4 단층 사교하는 , F-1, 2, 3 단층 및 소규모 파쇄대가 분포
∙
주요지장물 ∙ 터널 시점부는 국도 호선과 분당선 전력 맨홀 하부를 횡단 3
그림 3. 터널구간 지반등급 종단면도
굴착 및 보강공법의 선정 3.
국도 3 호선 횡단구간의 굴착 및 보강공법은 대구경 강관다단 그라우팅공법 비개착식 특수 , 공법 가시설 설치후 굴착공법 등의 적용성을 검토하였다 비개착식 특수공법은 급경사 지 , . 형으로 인해 작업장 부지를 형성하기가 곤란하며 가시설 설치 후 개착터널을 시공하는 공 , 법은 우회도로 개설이나 부분적 또는 전면적 교통차단으로 인한 국도 3 호선의 극심한 정체 가 예상된다 따라서 국도 호선의 통행에 지장을 주지 않으면서 터널의 안정성을 확보할 . , 3 수 있는 대구경 강관다단 그라우팅 보강후 터널 굴착공법이 시공성 경제성 측면에서 가장 , 유리할 것으로 판단되어 표 3 과 같이 선정하였다 .
표 3. 국도 호선 횡단공법 비교 3 구 분 대구경 강관다단 그라우팅 후
터널 굴착 비개착식 특수공법 가시설 설치 후
개착터널 시공
개요도
검 토 공 법
대구경 강관다단 ø114mm
터널 굴착 + NATM
공법 TRcM, STS , Front Jacking
국도와 지장물 보호용 가시설
시공성
대구경 강관다단 그라우팅 보강 공정외에 별다른 제약 요인 없음
강관 슬래브 설치 공정이 복잡하며 급경사 지형으로 도달기지 형성이 불가
지장물 처리를 위한 가시설 설치와 연계된 시공 공정 복잡 시 공
사 례
남해고속도로 하부의
∙
냉정터널 토피 ( : 8~9m)
광주도시철도 1 호선
∙
고당 수산간 도로 ~
∙
서울지하철 9 호선
∙
부산지하철 3 호선
∙
경제성 가장 유리(1.0) 가장 불리(2.2~3.3) 불리(1.1)
선 정 ◉
안정성 검토 결과 4.
검토 개요 4.1
안정성 검토는 터널 시점부의 3 차원 거동을 모사하기 위하여 Pentagon 3D 를 사용하여 수
행하였으며 모델링은 터널과 국도 호선 분당선 전력맨홀의 상호 안정성을 검토할 수 있도 3 ,
록 하였고 대구경 강관다단 그라우팅은 등가물성치를 적용하였다 대구경 강관다단 그라우 , .
팅의 등가 물성치는 김창용 (1998) 등이 제안한 식을 적용하여 풍화토 지반의 보강 물성치
를 산정하였으며 표 4 에 나타내었다 .
표 4. 해석 적용 물성치
구 분 변형계수(MPa)단위중량(kN/m
3) 점착력(MPa) 내부마찰각(°) 포아송비( υ )
풍화토 50 19.0 0.02 28 0.33
풍화암 300 20.0 0.03 31 0.32
암반등급 Ⅳ 1,400 24.0 0.18 34 0.27
풍화토 보강영역 ( ) 1,520 22.0 0.19 28 0.30
그림 는 안정성 검토구간 및 지보패턴개요도이며 안정성 검토구간은 4 STA. 0+700~0+810 까 지 110m 연장이며 지보패턴은 TYPE-6-1 로 굴진장 1.0m, 숏크리트 두께 200mm, 록볼트 길이 4.0m, 철근콘크리트라이닝 400mm 를 적용하였다 지층구성은 풍화토 및 발파암 암반 . ( 등급 Ⅳ ) 으로 이루어져 있으며 터널상부의 풍화토 지반은 터널 천단부 120° 대구경 강관다 단 그라우팅으로 보강을 하였으며 보강 연장은 방향별로 57~67m 이다 대구경 강관다단 그 . 라우팅의 간격은 횡방향 0.5m, 종방향 8.0m 로 계획하였다 .
해석 CASE 는 표 5 와 같이 측압계수 (K
0), 굴착순서 상하반 벤치길이에 대해 수행하여 총 , 를 검토하였다
27 CASE .
시점부 평면도 지보패턴 개요도(TYPE-6-1)
시청방향 도촌방향
록볼트(시스템) D25, L=4.0m 대구경 강관다단그라우팅
C.T.C 8.0m(종)0.5m(횡)
그림 4. 안정성 검토 구간 및 지보패턴 개요도
표 5. 해석 CASE CASE Ⅰ 측압계수(K
0)
CASE Ⅱ 굴착순서
CASE Ⅲ
상하반벤치길이(m) 총 해석 CASE
① 1.0 ① 양방향 동시굴착 ① 6.0
× ×
Ⅰ Ⅱ Ⅲ
= 27 CASE
② 1.5 ② 도촌방향 굴착후 시청방향 굴착 ② 12.0
③ 2.0 ③ 시청방향 굴착후 도촌방향 굴착 ③ 21.0
터널의 안정성 검토 결과 4.2
터널상부의 국도 3 호선과 분당선 전력맨홀 등을 고려한 터널 안정성 검토를 수행하였으며 ,
방향별로 변위 및 지보재의 응력을 검토하였다 그 결과는 표 . 6~9 에 나타내었다 표 은 상 . 6
하반 벤치길이에 따른 최종굴착시 시청방향터널 천단변위로 벤치길이에 변화에 의한 차이
는 미소하여 상하반 벤치길이의 영향은 없을 것으로 확인되었다 측압계수 . (K
0) 에 따른 영향 은 측압계수(K
0) 가 증가할수록 천단변위는 감소하는 경향을 나타내었으며 측압계수 (K
0) 가
일 때 변위가 가장 크게 발생하였다
1.0 .
표 6. 벤치길이에 따른 시청방향터널 천단변위 발생경향
동시굴착 도촌방향 선굴착 시청방향 선굴착
시청방향터널 천단변위 경향선
-10.00 -8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00
0 20 40 60 80
굴진거리(m)
변위(mm)
k1.0-벤치길이6m k1.0-벤치길이12m k1.0-벤치길이21m k1.5-벤치길이6m k1.5-벤치길이12m k1.5-벤치길이21m k2.0-벤치길이6m k2.0-벤치길이12m k2.0-벤치길이21m
시청방향터널 천단변위 경향선
-10.00 -8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00
0 20 40 60 80
굴진거리(m)
변위(mm)
k1.0-벤치길이6m k1.0-벤치길이12m k1.0-벤치길이21m k1.5-벤치길이6m k1.5-벤치길이12m k1.5-벤치길이21m k2.0-벤치길이6m k2.0-벤치길이12m k2.0-벤치길이21m
시청방향터널 천단변위 경향선
-10.00 -8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00
0 20 40 60 80
굴진거리(m)
변위(mm)
k1.0-벤치길이6m k1.0-벤치길이12m k1.0-벤치길이21m k1.5-벤치길이6m k1.5-벤치길이12m k1.5-벤치길이21m k2.0-벤치길이6m k2.0-벤치길이12m k2.0-벤치길이21m
표 7 은 굴착순서에 따른 터널변위로 도촌방향터널의 천단변위는 동시굴착시 2.247~3.709
도촌방향 선굴착시 시청방향 선굴착시 로 시청방향 선
mm, 2.179~3.631mm, 2.556~4.001mm
굴착시 최대 0.370mm 크게 발생하였다 내공변위는 동시굴착시 . 1.190~3.180mm, 도촌방향 선굴착시 1.182~3.172mm, 시청방향 선굴착시 1.197~3.182mm 로 굴착순서에 관계없이 유사 하게 발생하였다 또한 시청방향터널의 천단변위는 동시굴착시 . 5.164~6.535mm, 도촌방향 선굴착시 6.154~7.487mm, 시청방향 선굴착시 5.173~6.543mm 로 도촌방향 선굴착시 최대 크게 발생하였다 내공변위는 동시굴착시 도촌방향 선굴착시
0.990mm . 1.428~3.764mm,
시청방향 선굴착시 로 굴착순서에 관계없이 유사하게 발생 1.393~3.677mm, 1.410~3.737mm
하였다 선굴착하는 방향의 터널의 천단변위는 다른방향을 굴착함에 따라 다소 변위가 전이 . 되나 그 크기가 작아 굴착순서에 따른 영향은 작은 것으로 확인되었다 측압계수 . (K
0) 에 따 른 영향은 측압계수(K
0) 가 증가함에 따라 천단변위는 감소하였으며 내공변위는 증가하는 , 경향을 나타냈다.
표 7. 굴착순서에 따른 터널 변위 비교
도촌방향터널 천단변위 시청방향터널 천단변위 천단변위도
-5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0
k=1.0 k=1.5 k=2.0
동시굴착 도촌방향 선굴착 시청방향 선굴착 -10.0 -9.0 -8.0 -7.0 -6.0 -5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0
0.0 k=1.0 k=1.5 k=2.0
동시굴착 도촌방향 선굴착 시청방향 선굴착
도촌방향터널 내공변위 시청방향터널 내공변위 내공변위도
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
k=1.0 k=1.5 k=2.0
동시굴착 도촌방향 선굴착 시청방향 선굴착 -5.0 -4.5 -4.0 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0
k=1.0 k=1.5 k=2.0
동시굴착 도촌방향 선굴착 시청방향 선굴착
표 은 굴착순서에 따른 숏크리트응력으로 도촌방향터널은 동시굴착시 8 3.47~3.63MPa, 도촌 방향 선굴착시 3.47~3.63MPa, 시청방향 선굴착시 3.23~3.35MPa 로 시청방향 선굴착시 최대
작게 발생하였다 또한 시청방향터널의 숏크리트응력은 동시굴착시
0.28MPa . 5.99~6.21MPa,
도촌방향 선굴착시 4.30~4.41MPa, 시청방향 선굴착시 5.99~6.23MPa 로 도촌방향 선굴착시 최대 1.93MPa 작게 발생하였다 굴착순서에 따른 응력변화는 후굴착방향 터널이 선굴착방 . 향터널에 비해 작게 발생하였다 측압계수 . (K
0) 에 따른 영향은 미소한 것으로 나타났으며 이 결과는 최대 숏크리트 응력 발생위치가 터널천단부에서 발생하기 때문으로 판단된다.
표 8. 굴착순서에 따른 지보재 응력 비교
도촌방향터널 - 숏크리트응력 시청방향터널 - 숏크리트응력 숏크리트 응력
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
응력(MPa)
k=1.0 k=1.5 k=2.0
동시굴착 도촌방향 선굴착 시청방향 선굴착
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
응력(MPa)
k=1.0 k=1.5 k=2.0
동시굴착 도촌방향 선굴착 시청방향 선굴착
측압계수(K
0), 굴착순서 상하반 벤치길이를 고려한 검토결과 최대천단변위는 , 7.49mm, 내공 변위 3.76mm, 숏크리트 응력은 최대 6.23MPa, 록볼트 축력은 최대 67.5kN 으로 허용치 이내 로 안정함을 확인하였으며 표 9 에 나타내었다 .
표 9. 변위 및 응력 검토결과
구 분 천단변위
(mm)
내공변위 (mm)
휨압축응력 S/C
(MPa)
축력 R/B
(kN) 도촌방향 터널 2.18 ~ 4.00 1.18 ~ 3.18 3.21 ~ 3.63 23.9 ~ 65.0 시청방향 터널 5.17 ~ 7.49 1.39 ~ 3.76 4.30 ~ 6.23 26.3 ~ 67.5
국도 호선 안정성 검토 4.3 3
국도 호선은 터널 갱구부 시점으로부터 종방향으로 3 20~30m 구간에서 횡단하고 있으며 터
널 상부로부터 8.2m 떨어져 있어 터널 굴착에 따른 도로침하에 대한 안정성 검토가 필요하
다 터널 굴착에 따른 지표침하량만을 검토하기 위해 교통하중은 무시하였다 국도 호선의 . . 3
지표침하량을 검토한 결과 상하반 벤치길이에 따라서는 유사한 결과를 나타내었으며 측압 ,
계수가 커짐에 따라 지표침하량도 작게 발생하였다 굴착순서에 따라 비교한 결과 선굴착 .
방향의 지표침하량이 작아졌으나 동시굴착시 발생하는 변위와 유사한 결과를 얻었다 지표 .
침하에 따른 최대변위는 1.030~2.469mm 이며 터널 축방향 최대 부등침하량이 0.22mm 로 안
정성을 확인하였으며 그 결과를 표 10 에 나타내었다 .
표 10. 지표침하량
구 분 도촌방향 최대침하(mm) 시청방향 최대침하(mm) 터널축방향 부등침하(mm) 국도 호선 3 1.030~2.247 1.418~2.469 0.22
도촌방향 -
측정 위치 동시굴착시 경향선 최대 침하 비교
-3.00 -2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00
0 10 20 30 40 50 60 70
터널 축방향 거리(m)
변위(mm)
k=1.0-굴진장6m k=1.0-굴진장12m k=1.0-굴진장21m k=1.5-굴진장6m k=1.5-굴진장12m k=1.5-굴진장21m k=2.0-굴진장6m k=2.0-굴진장12m k=2.0-굴진장21m
3호선
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0
변위(mm)
k=1.0 k=1.5 k=2.0 동시굴착 도촌방향 선굴착 시청방향 선굴착
시청방향 -
측정 위치 동시굴착시 경향선 최대 침하 비교
-16.00 -14.00 -12.00 -10.00 -8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00
0 10 20 30 40 50 60 70
터널 축방향 거리(m)
변위(mm)
k=1.0-굴진장6m k=1.0-굴진장12m k=1.0-굴진장21m k=1.5-굴진장6m k=1.5-굴진장12m k=1.5-굴진장21m k=2.0-굴진장6m k=1.5-굴진장12m k=1.5-굴진장21m
3호선
-3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0
변위(mm)
k=1.0 k=1.5 k=2.0 동시굴착 도촌방향 선굴착 시청방향 선굴착
분당선 전력맨홀 안정성 검토 4.4
분당선 전력맨홀 길이 ( 7.8m x 폭 2.9m x 높이 2.3m) 은 시청방향 터널 천단 4.70m 상부에 축방향으로 53。 경사지게 위치하고 있으므로 터널 굴착에 따른 맨홀의 안정성 검토가 필 요하다 맨홀의 안정성은 각변위를 기준으로 판단하였으며 기준 각변위는 균열미발생 한계 . 인 1/500 이내로 선정하였다 검토결과 측압계수가 작고 상하반 벤치길이가 작으며 동시굴 . 착할 경우 각변위가 작게 나타났으며 전면부 1/3377~1/5598, 후면부 1/3371~1/5575 로 안정 성을 확인하였으며 그 결과를 표 11 에 나타내었다 .
표 11. 분당선 전력맨홀 각변위
구 분 전면부 후면부 허용각변위
각변위 1/3377 ~ 1/5598 1/3371 ~ 1/5575 1/500 균열 미발생 한계
( )
분당선 전력 맨홀 측점 위치도 시공단계에 따른 분당선 전력 맨홀 각변위 - 전면부
시공단계에 따른 분당선 전력 맨홀 각변위 - 후면부
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
각변위(1/y)
k=1.0 k=1.5 k=2.0
동시굴착 도촌방향 선굴착 시청방향 선굴착 0
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
각변위(1/y)
k=1.0 k=1.5 k=2.0 동시굴착 도촌방향 선굴착 시청방향 선굴착
시공중 안정성 확인을 위한 무선 자동화 계측 5.
시공중 국도 호선의 지표침하 및 분당선 전력맨홀의 변위 등을 지속적으로 검측하여 안정 3 성 여부를 판단하기 위해 계측계획을 수립하였다 그림 는 무선계측기 및 계측시스템에 대 . 5 한모식도를 나타내었다 그림 . 6 과 같이 국도 호선구간에는 지표침하계 3 13 개소 무선지표침 , 하계 개소 등을 설치하여 도로의 침하량을 측정하고 분당선 전력맨홀에는 무선경사계 개 9 , 2 소를 설치하여 맨홀의 각변위를 측정하도록 하였다 또한 터널굴착에 따른 터널 천단부 지 . , 반의 변위를 검측하기 위해 자동수평경사계 (60m) 를 터널 축방향으로 설치하여 향후 시공시 계측을 통해 안정성을 검토할 수 있도록 하였다.
무선지표 침하계 무선경사계 무선 자동화 계측 시스템
내장형 자체 센서 측정기 현장 PC
무선안테나
무선 수신과 기록장치 무선송출장치
자체 고성능 내장 배터리 무선 수신 안테나
송출안테나
RS-232 제어 LCD 창
무선 측정 기울기 센서 고정앵커 구조체
구조체
