1. 서 론
2. 현황 및 문제점 분석
3. 유사사례 검토
4. TBM선굴진 2-Arch터널 주요설계사항
4.1 TBM선굴진 2-Arch터널 단면계획
4.2 TBM선굴진 2-Arch터널 시공계획
4.3 쉴드TBM 세그먼트 설치계획
4.4 쉴드TBM 세그먼트 해체계획
5. 수치해석을 통한 적용효과 검증
5.1 TBM선굴진 2-Arch터널 적용효과 해석검증
5.2 TBM선굴진 2-Arch터널 안정성 검토
6. 결 론
1. 서 론
근래 들어 밀집된 도심지를 활성화시키고 자연환경을 보존하면서 지속적인 지역발전을 도모하기 위해 터널을 비롯한 지하공간 중심의 도심지 개발이 활발히 이뤄지고 있다. 특히 도심지의 불량한 지반조건과 소음진동으로 인한 환경민원 최소화를 위해 쉴드TBM 적용사례가 증가하고 있다. 도심지에 적용되는 쉴드TBM은 대부분 지하정거장을 활용한 TBM 발진계획을 수립하게 된다. 이때, 개착정거장을 TBM 발진구로 활용하는 경우에는 별다른 제약이 없으나 개착 면적을 최소화한 2-Arch터널 정거장을 TBM 발진구로 활용할 때에는 큰 제약이 발생하게 된다. 기존 NATM형식의 2-Arch터널 구간에서는 쉴드TBM과의 구조적 간섭으로 인해 TBM 굴진이 불가하여 시공연계성 확보가 안되는 문제점을 갖고 있다. 따라서 본 연구에서는 쉴드TBM과 2-Arch터널 정거장의 상호 간섭 문제점을 극복하기 위해 국내 최초로 적용한 TBM선굴진 2-Arch터널의 주요설계사항에 대하여 기술하고 수치해석을 활용한 안정성 검토를 수행하여 TBM선굴진 2-Arch터널의 설치효과를 검증하고자 한다.
2. 현황 및 문제점 분석
본 연구에서는 「강릉~제진 단선전철 00공구」를 중심으로 도심지구간 중 일부인 강릉역 하부통과구간에 대하여 기술하였다. 해당과업은 열차가 운행 중인 강릉역 하부에 계획된 정거장 터널로서 말뚝 기초와 약 1.9 m 이격된 근접조건을 고려하여 2-Arch터널 정거장으로 계획하였고, 본선터널 막장면 일부에서 풍화암이 출현될 것으로 예상되는 불량한 지반조건을 고려하여 지반 안정성 확보에 유리한 쉴드TBM 공법으로 계획하였다(Fig. 1). 그러나 기존 NATM 형식의 2-Arch터널은 중앙터널 굴착 시 말뚝기초 하부지반의 이완이 과다하게 발생하여 터널 상부구조물 안정성이 저하되고, 쉴드TBM 발진시 2-Arch터널과 간섭되므로 별도의 발진구를 추가 설치하도록 요구되므로 지역민원 및 환경훼손이 증가할 것으로 예상되었다(Fig. 2). 이러한 문제점들을 극복하여 지반 안정성을 확보하고 민원 및 자연훼손을 저감시킬 수 있는 추가적인 대책방안이 요구되었다.
3. 유사사례 검토
베이징에 위치한 장타이역(Jiangtai station)은 현재 운영중인 14호선 지하철 정거장 터널이다(Liu et al., 2015). 본선터널은 Fig. 3(a)와 같이 직상부에 차량 운행 중인 도로가 존재하는 현황조건과 터널 계획심도까지 모두 토사층으로 구성된 지반조건을 고려하여 쉴드TBM 공법을 적용하였고, 정거장은 지상의 복잡한 교통현황 등을 고려하여 개착구간 면적 최소화를 위해 2-Arch터널 정거장을 계획하였다. 이때, 2-Arch터널 정거장은 본선터널의 굴착공법인 쉴드TBM과의 시공연계성 확보가 가능한 TBM선굴진 2-Arch터널을 세계 최초로 적용하였다(Fig. 3(b)). TBM선굴진 2-Arch터널은 중앙터널을 쉴드TBM으로 선굴진하고 고강도 세그먼트로 보강하는 형식으로서 숏크리트 및 록볼트로 보강하는 기존 NATM 형식 대비 지반안정성을 향상시킬 수 있는 공법이다. 또한 본선터널과 동일한 굴착공법을 적용하므로 시공연계성이 우수하여 TBM 장비 해체 및 조립 등을 위한 추가적인 확폭터널 계획이 불필요한 장점이 있다. 이러한 TBM선굴진 2-Arch터널의 우수성이 인정되어 장타이역에 인접한 가오자위안역(Gaojiayuan station)도 TBM선굴진 2-Arch터널을 적용한 것으로 조사되었다(Cao et al., 2018).
4. TBM선굴진 2-Arch터널 주요설계사항
4.1 TBM선굴진 2-Arch터널 단면계획
본 연구에서 다룰 강릉역 하부 터널통과구간은 말뚝기초와 매우 근접한 시공조건과 불량한 지반조건을 고려한 정거장 터널계획이 요구되었다. 이러한 문제점을 극복할 수 있도록 장타이역에 적용되었던 TBM선굴진 2-Arch터널을 국내 최초로 적용하고자 하였다. 당초 본선터널 굴착공법인 쉴드TBM과 연계시공이 불리했던 기존 NATM형 2-Arch터널의 문제점을 극복하여 지반안정성과 시공연계성을 확보할 수 있는 터널 형식이다. TBM선굴진 2-Arch터널 단면계획시 대구경 쉴드TBM(D=9.0 m)이 적용된 본선터널 단면을 고려하여 연계시공이 가능하도록 단면을 계획하였다(Fig. 4).
4.2 TBM선굴진 2-Arch터널 시공계획
TBM선굴진 2-Arch터널의 시공순서는 Fig. 5와 같다. 운행 중인 강릉역의 안정성 확보를 위해 2-Arch터널 천단부를 대구경 강관(ø216 mm)으로 선보강하였다. 가장 먼저 굴착되는 2-Arch 중앙터널은 쉴드TBM으로 굴착과 동시에 고강도(60 MPa) 세그먼트로 라이닝 보강한다. 중앙터널 시공완료 후 2-Arch터널 안정성 확보를 위해 중앙기둥과 강지보재를 설치하고 2-Arch 좌우터널의 상반을 굴착하게 된다. 이때, 상반굴착 시 세그먼트의 안정성 확보를 위해 세그먼트를 임시 고정한다. 상반굴착 완료 후 해당 부분의 세그먼트와 강지보재를 단계별로 해체하고 하반굴착을 통해 TBM선굴진 2-Arch터널을 완공하게 된다. 이러한 일련의 단계별 시공계획을 통해 지반변위 발생을 최소화하고 터널 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
앞서 언급한 바와 같이 TBM선굴진 2-Arch터널은 좌우터널 굴착 시 중앙기둥과 연결된 Key 세그먼트와 바닥부 세그먼트를 제외한 모든 세그먼트를 해체하게 된다. 독립적으로 세그먼트를 영구히 설치되는 본선터널과 달리 터널정거장은 세그먼트 해체와 좌우터널 확폭이라는 추가적인 시공단계를 고려해야 할 필요가 있다. 즉, TBM선굴진 2-Arch터널의 세그먼트 설계 시 중앙기둥과의 연결관계를 고려하여 세그먼트 상세계획을 수립하여야 한다.
4.3 쉴드TBM 세그먼트 설치계획
쉴드TBM 세그먼트 설계 시 주요 계획항목으로 세그먼트 분할, 조합방식 및 테이퍼형식 계획으로 구분할 수 있다(Table 1). 본선터널에 적용되는 세그먼트와 달리 TBM선굴진 2-Arch터널의 세그먼트는 임시적인 지보재로서 공사 중 안정성은 확보하되 중앙기둥과의 연결 관계를 고려하여야 한다. 세그먼트 조합방식 결정시 본선터널구간은 조립 시공성은 다소 불리하나 연결부 구조 안정성이 우수한 지그재그 방식을 적용하고, TBM선굴진 2-Arch터널은 중앙기둥 연결 및 세그먼트 해체의 시공성을 고려하여 스트레이트 방식을 적용하였다.
Table 1.
Segment design according to TBM pre-excavation type 2-Arch tunnel
| Sort | Division of segment | Combining method | Taper type |
|
Main tunnel |  |  |  |
| Equal division | Zigzag | Universal rings | |
|
Station tunnel |  |  |  |
| Unequal division | Straight | Straight + tapered rings |
세그먼트 분할계획의 경우 본선터널구간은 제작 및 품질관리가 용이하고 다수의 적용사례가 있는 균등분할을 적용하고, TBM선굴진 2-Arch터널 구간은 중앙기둥과의 연결을 고려하여 불균등분할(Key 세그먼트 규격축소)을 적용해야 한다. 또한 사행 수정시 적용되는 테이퍼의 경우, 본선터널은 반경 및 수정량에 따라 산정된 테이퍼를 반영하는 유니버셜 타입을 적용하고, TBM선굴진 2-Arch터널은 중앙기둥 설치를 고려한 스트레이트 타입을 적용하되 사행수정시 테이퍼 세그먼트를 적용하는 것이 타당할 것으로 사료된다.
4.4 쉴드TBM 세그먼트 해체계획
TBM선굴진 2-Arch터널은 좌우터널 굴착 시 Key 세그먼트 및 바닥부 세그먼트를 제외한 모든 세그먼트를 해체하여 터널 내공을 확보하게 된다. 쉴드TBM 시공시 설치된 세그먼트는 압축링상태로 연결되어 있으므로 세그먼트의 품질과 시공성을 고려한 적절한 해체계획을 수립하는 것이 중요하다. Fig. 6(a)는 다이아몬드 팁이 박힌 와이어를 통해 세그먼트를 절단하는 방안이다. 국내 지하철 환승구간에 적용사례가 다수 있으나, 절단중 분진이 다량 발생하고, 와이어 관통용 구멍 천공 및 와이어 설치 등의 작업공정이 다소 복잡하다. 반면, Fig. 6(b)는 세그먼트 해체용 사이드 블록(볼트체결)을 활용하는 방안으로 본 연구에서 참조한 장타이역에 적용한 방식이다(Xu et al., 2020). 이 방법은 볼트 해체를 통해 세그먼트를 해체하므로 작업공정이 단순하고, 고강도 세그먼트 절단이 불필요하여 시공이 용이하다. 그러나 세그먼트 해체방안 선정시 구조물 안정성, 시공성 및 경제성을 종합적으로 고려하여 적용구간 현황에 적절한 해체방안을 선정하는 것이 매우 중요할 것으로 사료된다.
5. 수치해석을 통한 적용효과 검증
5.1 TBM선굴진 2-Arch터널 적용효과 해석검증
TBM선굴진 2-Arch터널과 기존 NATM 형식 2-Arch터널의 가장 큰 차이점은 Table 2와 같이 선시공되는 중앙터널의 형식에 있다. 기존 NATM 형식 2-Arch터널은 중앙터널 굴착 후 1차 지보재인 숏크리트와 록볼트로 임시 보강을 수행한 후 2차 지보재인 콘크리트 라이닝을 타설하지 않고 좌우터널을 굴착하게 되므로 주변 지반의 이완이 과다하게 발생하게 된다. 반면 TBM선굴진 2-Arch터널은 2차 지보재 개념인 세그먼트 라이닝으로 선보강하게 되므로 기존 NATM 형식의 2-Arch터널 대비 주변 지반의 이완을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다. 2-Arch 중앙터널 시공조건별 3차원 안정성 검토를 수행하여 TBM선굴진 2-Arch터널의 효과성을 검증하였다. 이때, 수치해석은 유한차분법(FDM)을 이용한 지반범용 해석프로그램인 FLAC 3D를 적용하였다. 해석모델은 Mohr-Coulomb에 근거한 탄소성모델을 적용하여 지반과 구조물을 모델링하였으며, 굴착공법별 지보재 특성을 고려하여 기존 NATM형 2-Arch터널의 숏크리트는 연속모델을 적용하고 TBM선굴진 2-Arch터널의 세그먼트는 불연속모델을 적용하여 세그먼트 이음부의 거동을 모사하였다.
Table 2.
Construction sequence for each excavation method
TBM선굴진 2-Arch터널의 지반변위가 약 77% 감소하고 지반의 이완영역도 현저히 축소된 것을 확인할 수 있었다(Table 3). 따라서 기존 NATM형 2-Arch터널 대비 TBM선굴진 2-Arch터널 적용시 터널 구조물 안정성 향상이 가능할 것으로 사료된다.
Table 3.
Stability results for each excavation method
| Sort | Generic NATM type 2-Arch tunnel | TBM pre-excavation type 2-Arch tunnel |
|
Central tunnel |  |  |
|
Enlarged tunnel |  |  |
5.2 TBM선굴진 2-Arch터널 안정성 검토
강릉역 하부통과구간의 터널정거장은 풍화암~암반Ⅲ등급의 지반에 위치하고 강릉역 말뚝기초와 이격거리 약 1.9 m로 매우 근접한 시공조건을 가지고 있다(Fig. 7(a)). 이러한 현황에 적용된 TBM선굴진 2-Arch터널 의 안정성 검토를 수행하고자 하였다. 검토구간의 지반특성과 기존 구조물의 현황을 고려하여 Fig. 7(b)와 같이 3차원 모델링을 수행하였고, TBM선굴진 2-Arch터널에 대한 굴착공법 특성을 수치해석으로 모사하였다. 이때 적용된 쉴드TBM 및 2-Arch터널의 단면제원은 Fig. 4와 같으며, 2-Arch터널 기둥은 구조검토를 통해 산정한 종방향 길이 2.0 m (C.T.C 4.0 m)로 적용하였다. 시공중 신설터널에 대한 안정성 검토를 위해 터널 변위 및 지보재 응력(숏크리트 휨압축응력 및 록볼트 축력)을 검토하고, 기존 운행선인 강릉역의 구조물 안정성 검토를 위해 구조물 사용성(부등침하, 각변위 등)과 운행안정성(궤도틀림)에 대한 검토를 수행하였다.
TBM선굴진 2-Arch터널의 시공단계를 고려한 수치해석 결과를 Fig. 8 및 Table 4와 같이 정리하였다. 불량한 지반조건임에도 불구하고 신설터널에서 발생하는 변위가 수렴하고 지보재에 발생한 응력은 모두 허용기준 이내로 산정되어 신설터널의 안정성 확보가 가능할 것으로 사료된다. 또한 TBM선굴진 2-Arch터널 굴착으로 인해 기존 구조물인 강릉역에 미치는 영향을 분석한 결과 최대 변위 및 부등침하 등 기존 구조물에 발생하는 변위가 미소하고 허용기준 이내로 산정됨에 따라 기존 구조물의 사용성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
Table 4.
Summary of stability results
열차가 운영중인 강릉역을 고려하여 운행안정성을 검토하기 위해 궤도틀림을 분석하였다. 여기서, 궤도틀림 허용기준은 국가철도공단(Korea National Railway, 2020)의 선로유지관리지침을 참조하여 보수적인 검토기준을 선정하였다. 궤도틀림 검토결과, TBM선굴진 2-Arch터널 굴착으로 인해 궤도에 발생하는 변위가 미소하고 방향틀림 등 산정된 모든 궤도틀림이 허용기준 이내로 산정됨에 따라 운행안정성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
6. 결 론
기존 NATM형 2-Arch터널은 중앙터널을 NATM공법으로 굴착하여 상부 구조물의 기초지반에 과다한 이완을 유발시켜 안정성을 저하시키고, 쉴드TBM 발진시 2-Arch터널과 간섭되어 발진구(개착) 추가설치가 요구되며 이에 따른 민원과 환경훼손을 증가시키는 문제가 발생한다. 본 연구에서는 이러한 기존 2-Arch터널의 한계를 극복하기 위해 TBM선굴진 2-Arch터널을 국내 최초로 제안하였다. 이는 쉴드TBM과 2-Arch터널을 조합한 형식으로써 중앙터널을 쉴드TBM으로 굴착하면서 고강도 세그먼트로 선보강하여 안정성이 우수하고 본선 쉴드TBM 터널과의 시공연계성이 우수한 터널 형식으로 판단된다. 본 연구에서 TBM선굴진 2-Arch터널에 대한 주요설계항목을 기술하고 안정성 검토를 통한 해당기술의 적정성을 검증하였다.
TBM선굴진 2-Arch터널은 좌우터널 굴착 시 중앙기둥과 연결되는 Key 세그먼트와 바닥부 세그먼트를 제외한 모든 세그먼트가 공사 중 해체되는 임시 세그먼트이다. 따라서 해당구간 세그먼트 계획시 설치 해체의 편이성 및 중앙기둥과의 연결 관계를 고려하여 스트레이트 방식의 세그먼트 조합, 불균등분할 세그먼트 분할 및 스트레이트 타입의 표준형 세그먼트를 적용하는 것이 타당할 것으로 사료된다. 또한 세그먼트 해체방안에 대하여 사이드 블록 세그먼트 및 와이어 쏘어 해체공법를 활용한 단계적 해체방안을 소개하였다. 임시 세그먼트 해체시 작업공정이 단순하고 절단이 불필요한 사이드 블록을 활용하는 방안이 시공성 측면에서 우수할 것으로 사료된다.
TBM선굴진 2-Arch터널 적용에 따른 적정성을 평가하기 위해 수치해석을 통한 안정성 검증을 수행하였다. 검토결과 TBM선굴진 2-Arch터널 적용시 지반변위가 약 77% 감소되었으며 지반 이완영역이 축소됨에 따라 기존 구조물의 안정성을 향상시키는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 주요현황을 고려한 3차원 안정성 검토결과, 지반조건이 불량하고 기존 구조물의 말뚝기초와 매우 근접한 시공조건임에도 터널 및 기존 구조물에 발생하는 변위가 미소하고 지보재 응력이 허용치 이내로 산정되었다.
본 연구에서는 국내 최초 TBM선굴진 2-Arch터널을 적용한 설계사례를 기술하였으며 본선터널과의 시공연계성이 우수하고 중앙터널 세그먼트 선보강을 수행하므로 안정성이 우수한 공법으로 판단된다. 추후 시공중 계측결과를 활용한 터널의 실제 거동을 분석하여 TBM선굴진 2-Arch터널의 임시 세그먼트 설치계획에 대한 구조물 안정성을 검토하고 현장적용에 따른 설치계획의 적정성을 평가하여 추가적인 개선방안 검토가 필요할 것으로 사료된다. 또한 압축링 상태로 연결되있는 세그먼트 해체에 따른 어려움이 예상되는 바, 본 연구에서 제안한 세그먼트 해체공법의 현장적용성 검토와 더불어 구조물 안정성 및 시공성에 효과적인 세그먼트 해체공법에 대한 추가 검토가 필요할 것으로 사료된다.
