1. 서 론
2. 이론적 배경
3. OO터널의 지반 융기 현상
3.1 터널 계획 및 융기 현황
3.2 지질 특성 및 지반 조사 결과
4. 노반 융기 보강 방안
4.1 압착성 평가 및 융기 원인분석
4.2 융기 보강 매개변수 연구
4.3 매개변수 연구 결과 및 최적 보강량 최적화 선정
5. 결 론
1. 서 론
철도는 온실가스 배출량이 차량 대비 1/6 정도인 친환경적 교통수단이며, 대한민국 정부는 국가철도망 구축계획을 수립하여 철도 노선을 확대하고 있다. 고속철도, GTX, 일반 및 광역 철도 등 철도 인프라의 고속화에 따른 차량 주행 성능 확보 방안으로 대심도 터널과 장대터널 프로젝트가 증가하고 있다. 최근 국내 철도에서는 유지보수 비용 절감 등 다수의 장점으로 콘크리트 도상을 선호하나, 융기 발생 시 보수·보강 및 레벨링이 상대적으로 어렵고 운행 중 보수 공사 시에는 운행 속도를 제한해야 하며 시공이 어렵고 열차 상업 운전에 지장을 줄 확률이 높다. 본 연구는 OO선 OO터널에 노반 융기로 인한 콘크리트 도상 균열이 발생함에 따라, 융기 발생 구간을 대상으로 복합적인 융기 원인을 규명하고 실효성 있는 보강 대책과 표준보강패턴을 수립하여 향후 철도사업의 설계 및 시공 과정에서 유사 융기 사례에 사전 대응하고자 한다. 이를 위해 융기가 발생 된 OO터널의 설계 내용 조사, 시공 현황 분석, 계측 자료 및 시공 중 막장 관찰 자료(지질전개도)를 분석하였고, 터널 측량조사를 통한 레일면고와 노반면고 변위량 확인 및 시설물 성능평가 진단 자료 검토를 통해 현재 터널의 안전성을 병행 확인하였다. 국내·외 사례를 비교하여 터널 노반 융기의 발생 메커니즘과 주요 원인을 분석하고 발생 원인별 특징과 양상, 그리고 터널의 지질구조와 복합적인 융기 원인을 확인하였다. 또한 터널 내에서 수행된 지표지질조사, 시추조사, 정밀 MASW 탐사, 반사법 탐사 등 물리탐사 성과를 바탕으로 열화된 지층의 깊이는 약 4.5 m로 확인되었고, 수치해석상 터널 하부 이완 영역의 깊이는 약 7.1 m로 나타났으며, 터널 바닥부의 노반 융기는 시간에 의존적인 압착거동(Squeezing)이 발생한 것으로 판단된다. 이에 따른 보강계획 수립을 위한 매개변수 연구를 통해 보강 효과와 보강 비용이라는 상충 관계 관점에서의 최적 보강 방안을 확인하였다. 또한 표준보강패턴을 확정하여 융기된 터널의 지반 안정성 확보와 함께 록볼트(강봉) 보강공사에 대한 경제성 관점에서의 최적안 선정 기준을 제시하였다.
2. 이론적 배경
터널 노반의 융기는 터널 바닥 면이 상승하며 구조적 안전성을 위협하는 현상으로 지질학적 요인, 시공 및 설계의 한계, 지하수 유입 및 수압 변화 등 복합적 원인으로 발생되는 지반 변형으로 정의된다. 설계단계에서 이를 사전에 예측하지 못하면 장기적 안전성과 시설물의 운영 경제성을 심각하게 저하할 수 있다(Song and Yoon, 2016). 다수의 운영 중인 터널에서 바닥부가 융기되어 통행에 지장을 주는 사례가 보고되고 있으며(Luo et al., 2024), 터널 노반의 융기는 압착거동, 팽창성 광물의 팽창(Swelling) 및 지하수 수압작용 등의 요인으로 발생 된다(Lee et al., 2013). 이와 관련된 국내·외 사례를 Table 1과 같이 분석하였으며, Table 2와 같이 터널 융기에 대한 보강 방안별 장단점과 특징을 검토하였다(Korean Tunnelling and Underground Space Association, 2022-2025). Aydan et al.(1996)은 압착거동에 따른 파괴 형태를 완전한 전단파괴, 좌굴파괴, 그리고 전단 및 슬라이딩 파괴로 분류하였다. 팽창성 지질로 인한 노반 융기는 석고층과 이회암 등 팽창성 점토광물이 지하수와 접촉하여 부피가 증가함에 따라 터널 바닥면이 상승하는 현상으로, 팽창성 지반과 지하수 상호작용에 의한 팽창 변형은 구조물의 구조적 안전성에 심각한 영향을 미친다(Amstad and Kovari, 2001). 국내 철도 터널에서는 주로 압착거동의 원인으로 융기가 발생하였다. 압착거동과 관련된 지질학적 위험 요소로는 단층대, 파쇄대, 연약대 등이 있으며, 이는 일반적 시추조사와 물리탐사로 사전에 파악하는 것은 한계가 있으므로 시공중 터널 막장에서 지질 리스크를 확인하는 것이 필요하다(Kim, 2023a). 지질학적 관점에서 단층대는 암반 불연속면의 한 형태이자 변위를 일으키는 면을 의미하며, 단층 충전물과 파쇄대 등은 주변 지반보다 점착력, 마찰각 등 암반 강도를 현저히 감소시킨다(Lee, 2021). 특히 단층은 지각 내부에서 지층이 끊어지는 현상으로, 터널 구간 내 단층 영향은 지반의 연약화 및 소성영역의 증대 등 터널 안전성에 큰 영향을 미친다(Jeong et al., 2011). 또한 터널 굴착 시 지반 조건이 불량한 단층파쇄대 등은 시공중 파쇄대의 방향이나 규모, 지하수에 따라 굴착과 동시에 붕락되기도 한다(Chang et al., 2014). 지질 이상대를 통과하는 터널은 시공 중 또는 시공 후 노반 융기, 균열, 전단 파괴 등의 이상 변위 발생이 다수 보고되고 있으며, 이러한 이상 변위가 지속되거나 크면 최종적으로 터널 붕괴의 위험이 있어 다양한 보강 공법으로 붕괴 위험을 저감시키고 있다(Xu et al., 2023). 따라서 지질 이상대를 통과하는 경우 지반조사에서 나타난 지반 특성 분석과 구조물의 역학적 안전성 확보를 충실하게 분석해야 한다(Yu et al., 2011). 지질 이상대 중 단층 충전물과 파쇄대는 점착력, 마찰각 등 암반 강도를 현저하게 감소시킨다. 단층파쇄대에서는 취약 지반의 깊이에 따라 거동 특성이 1차적 수렴 후 장기적으로 추가 발생할 수 있으며, 시간에 따른 강도 저하로 터널 주변의 소성화로 인한 소성압이 증가하고, 그 결과 지반의 압착성으로 인한 융기 변상이 발생된다(Ban and Kim, 2022).
Table 1.
Analysis of causes and reinforcement by types of tunnel invert heave
| Country |
Tunnel name |
Max. Heave | Heaving type | Causes of heaving | Reinforcement | ||||||||||
| Squeezing | Swelling | Geological causes |
Design & Const. |
Water pressure |
Earth -quake |
Rock bolts |
Micro piles | Grouting | Anchor | Others | |||||
|
Fault zone |
Expansive geology |
Soft ground | |||||||||||||
|
South Korea | Yulhyeon | 133 mm | ◎ | ◎ | ○ | ○ | ○ | ◎ | ○ | ||||||
| Hwanghak | 15 mm | ◎ | ◎ | ○ | ◎ | ○ | |||||||||
| Daeryang | - | - | ○ | ◎ | ○ | ◎ | |||||||||
| Pyeongchang | 21 mm | ◎ | ◎ | ○ | ◎ | ○ | |||||||||
| Daegwallyeong | 46 mm | ◎ | ◎ | ○ | ◎ | ○ | |||||||||
| Turkey | Bolu | 60~80 cm | ◎ | ◎ | ○ | ○ | ○ | ○ | ◎ | ||||||
| Taiwan | Chungliao | 160 mm | ◎ | ◎ | ○ | ○ | ◎ | ||||||||
|
NewYung Chuen | - | ○ | ○ | ◎ | ○ | ◎ | |||||||||
| Australia | Burnley | 200 mm | ○ | ◎ | ○ | ◎ | |||||||||
| Austria | Pfänder | 5 mm | ◎ | ◎ | ◎ | ||||||||||
|
Switzer- land | Cheinberg | 83 mm | ○ | ○ | ◎ | ○ | ◎ | ||||||||
| Japan | Usui | 3 mm/yr | ◎ | ◎ | ○ | ||||||||||
| Ichinose | 12 mm/yr | ◎ | ◎ | ○ | |||||||||||
Table 2.
Reinforcement methods for railway tunnel invert heave
3. OO터널의 지반 융기 현상
3.1 터널 계획 및 융기 현황
OO선 복선전철 사업 구간 내 위치한 OO터널은 설계 및 시공 시 단층대가 충분히 고려되지 않은 구간으로, 열차 운행 설계속도는 150 km/h(정거장 통과속도 130 km/h)이다. 주요 운행차량은 KTX 및 일반열차(무궁화호, ITX-새마을)이며, 터널의 총 연장은 2,073 m, 평면선형은 곡선반경 R=1,200 m이다. 터널 구간의 궤도는 사전제작형 콘크리트 궤도(PST-B형)가 적용되었다. 터널 단면은 직선부(궤도중심간격 4.1 m) 및 곡선부(궤도중심간격 4.3 m) 단면과 더불어 직선 및 곡선 구간 내 Air-Joint 단면을 포함하여 총 4개 단면이 적용되었다. 총 연장 2,073 m 중 종점부와 약 280 m 이격된 궤도부에서 융기가 발생하였다. 2017년 7월부터 2024년 10월까지 한국철도공사 및 한국터널지하공간학회에서 수행한 총 23회의 측량 데이터를 분석한 결과, 2022년 4월 101 mm이었던 융기량이 2024년 10월까지 2년 6개월 동안 22 mm 증가하여, 상선 기준 최대 124 mm의 융기가 발생한 것으로 확인되었다. 상ㆍ하선 모두 유사한 수준의 최대 노반 변위량이 측정되었으며, 융기 구간의 종단 상세 현황은 Figs. 1, 2, 3과 같다. OO터널 시점부의 지질은 절리가 발달한 규장암이 분포하며, 절리군의 경사 방향은 서로 반대인 양상을 보이나 뚜렷한 단층 징후는 관찰되지 않았다. 반면, 종점부는 지표 노출암이 존재하지 않아 시공 중 종점 갱구부에서 수평시추조사를 실시한 결과, 절리가 발달한 석영반암 내 자갈과 세립분이 혼재된 역암 풍화대가 형성되어 있는 것으로 확인되었다.
3.2 지질 특성 및 지반 조사 결과
OO터널의 노반 융기 현황 파악 및 원인분석을 위해 융기 지반의 특성을 규명하고자 지표지질조사, 시추조사, 정밀 MASW탐사, 반사법 탐사, 지표 전기비저항탐사 등을 수행하였다. OO터널의 최대 융기 발생 구간은 설계 당시 지반조건이 양호할 것으로 예상되어 암반 2등급에 적용하는 PD-2(복선터널) 지보패턴으로 선정하였다. 그러나 시공 중 막장관찰 결과 지반 상태가 예측보다 불량한 것으로 파악되어, 지보패턴을 PD5-3 패턴으로 하향 조정하였다. 보강을 위해 적용된 PD5-3 패턴의 소구경 강관보강 그라우팅의 상세 제원은 Table 3과 같다. 금번 지표지질조사를 통해 확인된 터널 상부의 노출암 상태에 따르면, 터널 중앙부 전반에는 층리와 반정이 발달한 밝은색의 세립질 암석인 응회질 석영반암이 분포하고 있다. 반면 터널 중앙부 후반에는 응회질 석영반암 내 단층이 노출된 암반이 확인되었으며, Fig. 4와 같이 단층 좌측부에는 실트와 세립 모래가 충전물로 존재하는 공액단층의 발달이 확인되었다. 터널 내부에서 수행된 시추조사는 융기 발생 양상을 고려하여 상선 YTS-1(OO터널 상선 1번) ~ YTS-4(OO터널 상선 4번), 하선 YTH-1(OO터널 하선 1번) ~ YTH-3(OO터널 하선 3번) 총 7곳을 선정하였다. 상선 측 시추조사 결과, YTS-1공에서는 절리가 발달한 파쇄대 양상의 석영반암이 분포하는 것으로 확인되었다. YTS-2공은 역암의 풍화대로서 대체로 기질이 우세하나 역과 기질이 혼재하는 양상을 보였으며, YTS-1과 YTS-2 사이에는 암종 경계면이 존재하는 것으로 분석되었다. 또한, 공내 안정수위가 콘크리트 도상 바닥 면보다 높거나 비슷하여 형성되어 지속적인 지하수 유입 환경임이 확인되었다.
Table 3.
Design support pattern (PD2), As-built pattern (PD5-3) during tunnel construction
하선 측 시추조사 결과(YTH-2~YTH-3) 역시 역암의 풍화대가 주로 분포하는 것으로 확인되었다. 해당 구간은 대체로 기질이 우세한 특성을 보이며, 기질의 주 구성 성분은 세립분을 함유한 모래로 분석되었다. 기질 내 혼재된 역의 최대 크기는 10 cm 내외이며, 시추 시료의 세부 양상은 Fig. 5와 같다.
표면파의 분산 특성을 이용하여 지반 상태를 평가하는 MASW 탐사 결과, 종단 전단파 속도 단면도에서 상선 2개 구간 및 하선 3개 구간의 지질 이상대가 확인되었다. 또한, 반사법 탐사 결과 상선 구간에서 2개소의 지질 이상대와 6개소의 소단층이 추정되었으며, 이 중 4개의 소단층은 지질 이상대 내부 내에 분포하는 것으로 나타났다. 특히, 이들 소단층은 터널의 시점 및 종점 방향으로 경사진 것들이 있어서 공액단층으로 판단되며 각 탐사 기법별 세부 결과는 Figs. 6, 7, 8, 9와 같다.
전기비저항탐사 결과, 진기(환) 138 km 870에서 터널과 교차하는 단층은 지표 단층의 연장선상에 위치하며 시점 방향으로 경사져 있다. 해당 단층은 하부가 심부로 선형 연장되지 않고 저비저항대가 넓게 퍼져 분포하는 양상을 보이는데, 이는 단층 말단부에서 다수의 소단층으로 분화 및 분산되는 단층 분산 구조(Fault splay structure)를 형성하고 있음을 의미한다. 이는 시추조사와 연계할 때 응회질 석영반암과 역암의 경계 단층이자 공액단층의 일종으로 판단된다. 전기비저항탐사 성과를 지표지질조사 결과와 종합하여 분석하면, 금번 노반 융기 구간은 포항지역 북동 방향 단층의 파생 소단층이 공액단층을 형성함과 동시에 다수의 소단층으로 분화·분산되는 위치와 명확히 일치하는 것으로 나타났으며, 세부적인 연계 분석 결과는 Fig. 10과 같다.
시공 중 막장 관찰(Face Mapping) 성과, 설계 시 지반조사 자료, 문헌 자료 및 금번 조사·분석 결과를 종합하여 지층 분포도를 Fig. 11과 같이 작성하였다. 융기 구간에 분포하는 암종은 석영반암과 역암이며, 암종 경계의 위치는 시추공 YTH-1 구간이다. YTS-4와 YTH-1 인근의 소단층을 경계로 역과 기질이 혼재된 상태인 것으로 판단된다.
4. 노반 융기 보강 방안
4.1 압착성 평가 및 융기 원인분석
OO터널 융기 발생 구간의 토피고는 65 m로 절리가 발달한 미고결 역암이 분포하며 다수의 소단층과 교차한다. 터널 주변 응력이 암반 강도를 초과할 때 발생하는 압착 가능성을 평가하기 위해 두 가지 경험식을 활용하였다. 먼저, 암반의 일축압축강도와 토피고에 의한 작용 응력의 비인 Competence factor (N)를 이용한 Jethwa and Singh(1984)의 제안식을 적용하였다. N≥1.0인 경우 압착이 발생하지 않으나, N < 1.0인 경우 값의 크기에 따라 약한 압착에서 높은 압착으로 거동이 분류된다. 또한, 압착 지반의 이완하중 및 변위 증가가 숏크리트, 강지보 등 지보재의 하중 부담으로 작용하는 특성을 고려하여, 지반강도비(Cf)로 압착 발생 여부를 판단하는 평창 터널 및 대관령터널의 융기원인 분석시 활용한 홋카이도 여객철도의 사례를 함께 검토하였다. 검토 결과, Table 4와 같이 원지반 상태에서는 역암 및 단층 구간에서 파괴에 근접한 압착이 발생하는 것으로 나타났으며, 지반 약화 상태에서는 전 구간에서 압착이 발생하는 것으로 분석되었다. 종합적으로 OO터널과 교차하는 단층파쇄대 내 점성토 및 파쇄대 분포로 인해 압착 조건이 성립되었으며, 터널 바닥부의 노반 융기는 터널 주변 지반의 소성영역이 지속적으로 확대되는 시간 의존적 압착거동에 의한 것으로 파악되었다.
Table 4.
Results of squeezing potential analysis
| Classification |
Support pattern |
Overburden depth (m) |
Compressive strength qu (MPa) |
Unit Weight (kN/m3) | 1. Jethwa et al.(1984) |
2. Japan Railway Company (2012) | |||
| N = qu/(2P) = qu/(2γH) | Cf = qu/γH | ||||||||
| N1) |
Squeezing potential | Cf2) |
Squeezing potential | ||||||
|
Conglomerate (matrix- dominated) |
Intact ground | PD5-3 | 65 | 1.50 | 20.0 | 0.577 | Mildly | 1.154 | Occurrence |
|
Weakened ground | PD5-3 | 65 | 0.29 | 20.0 | 0.112 | Highly | 0.223 | Occurrence | |
|
Conglomerate (clast-matrix mixture) |
Intact ground | PD5-3 | 65 | 3.30 | 20.5 | 1.238 | Non | 2.477 | Non- Occurrence |
|
Weakened ground | PD5-3 | 65 | 0.67 | 20.5 | 0.251 | Moderately | 0.503 | Occurrence | |
|
Conglomerate (clast- dominated) |
Intact ground | PD5-3 | 65 | 5.30 | 21.0 | 1.941 | Non | 3.883 | Non- Occurrence |
|
Weakened ground | PD5-3 | 65 | 1.07 | 21.0 | 0.392 | Moderately | 0.784 | Occurrence | |
|
Conglomerate (lithologic boundary) |
Intact ground | PD5-3 | 65 | 1.50 | 20.0 | 0.577 | Mildly | 1.154 | Occurrence |
| Weakened ground | PD5-3 | 65 | 0.30 | 20.0 | 0.115 | Highly | 0.231 | Occurrence | |
4.2 융기 보강 매개변수 연구
국내·외 철도터널의 노반 융기 사례 분석 결과, 주요 원인은 단층대, 지반 약화 및 지하수 유입으로 파악된다. 이를 해결하기 위해 현장 조건에 따라 인버트, 그라우팅, 앵커, 록볼트, Modular Yielding System 등의 공법이 적용되어 왔다. 특히 국내 운행선 철도터널의 경우 융기 발생 시 인버트 신설이 매우 어렵기 때문에 율현터널, 대관령터널, 평창터널 등에서는 효과적인 제어 방안으로 록볼트(강봉) 보강 공법이 적용된 바 있다. 이러한 사례를 고려하여 OO터널의 보강 방안 마련 시 록볼트를 우선적으로 검토하였다. 록볼트 보강패턴 선정을 위해 유한차분해석 프로그램인 FLAC 2D를 활용하여 강봉의 설치 길이, 개수, 종·횡 간격, 설치 각도의 4가지 조건에 대한 수치해석적 매개변수 연구(Parametric study)를 수행하였으며, 보강량에 따른 융기 제어 효과를 분석하여 경제성을 고려한 최적의 하부 보강 방안을 수립하였다.
수치해석 시 지반 조건은 융기 발생 구간 내 암종 경계 단층의 존재와 더불어 단층 이전 구간의 응회질 석영반암, 단층 이후 구간의 퇴적 역암 분포 특성을 반영하였다. 또한 암종 경계 단층과 공액 관계인 단층이 터널과 교차하며 그 사이에 다수의 소단층이 존재하는 실제 지질 조건을 고려하였다. 터널 지반조사 및 수치해석을 종합 검토한 결과, OO터널의 변상 거동은 단층대 통과 터널의 고응력·저강도 지반에서 발생하는 압착거동과 일치하였으며, 노반 융기의 주요 원인은 터널과 교차하는 단층파쇄대의 압착거동으로 분석되었다.
한편, 과다 변위 발생 구간의 계측 자료를 활용한 역해석 결과 변형계수는 42.8 MPa로 산정되었다. 이는 설계 당시 5등급 퇴적암류의 변형계수(300 MPa)보다 현저히 낮은 값으로, 퇴적암류가 심하게 열화된 상태임을 지칭한다. 이에 따라 융기 발생 원인을 지반 열화에 따른 물성 저하로 판단하고, 수치해석 시 "약화된 지반" 및 "적용 최대 열화율"을 고려하여 원지반 물성 대비 단계별 비율로 변형계수 및 점착력 등을 감소시켜 적용하였다.
Table 5와 같이 해석 단면 모델링은 OO터널의 최대 융기 발생 위치의 토피고 조건을 실제 현황과 동일하게 반영하였으며, 매개변수별 영향을 명확히 파악하기 위해 균일 지반 조건으로 고려하여 해석을 수행하였다. 터널 시공 시 지보재의 특성값으로 숏크리트는 단위중량 20.0 kN/m3, 탄성계수 15,000 MPa을 적용하였고, 록볼트는 단위중량 78.2 kN/m3, 탄성계수 210,000 MPa을 각각 적용하였다.
Table 5.
Selection of numerical analysis parameter study cases and modeling
OO터널 융기 구간의 암종 구분은 막장 관찰(Face Mapping) 성과, 설계 시 지반조사, 시공 중 종점 갱구부 수평 시추조사 및 금번 연구의 시추조사(7공) 결과를 바탕으로 작성된 바닥면 지질 평면도를 기초로 수행하였다. 터널 손상 구간은 역암(기질 우세), 역암(역·기질 혼재), 역암(역 우세), 단층(암종 경계)으로 구분하였으며, Table 6과 같이 원지반 대 약화된 지반 물성으로 설정하였다. 대표적인 예로 단층(암종 경계) 구간의 경우 원지반의 변형계수는 375 MPa, 점착력은 84 kPa인 반면, 약화된 지반은 변형계수 75 MPa, 점착력 27 kPa로 나타났다. 이는 최대 열화율 80% 내외의 열화가 진행된 조건의 해석 결과이며, OO터널에서 발생한 Fig. 3의 실제 최대 융기량과 일치하였다.
Table 6.
Ground properties of the damaged section in oo tunnel
암종 구분별 지반 특성값 중 단위중량과 포아송비는 설계 시 적용 값을 참조하였고, 지반 변형계수는 종점 갱구부에서 수행된 공내재하시험 변형계수에 메너드 상관계수를 적용한 값이다. 점착력과 내부마찰각은 Rocscience사의 RocLab 프로그램을 이용하여 평가하였다. 또한 지반조사 결과 각 암종별 열화율은 Table 6과 같이 물성치별로 다르게 나타났으나, 지반조사를 통해 얻어진 물성치를 열화된 물성치의 최대치로 가정하고 단계적으로 열화율을 적용하여 원 물성치가 약화된 물성치에 도달하도록 하였다. 각 암종별 열화율 범위는 약 50% ~ 80%로 분석되었다.
단층대 위치의 소성 영역 모델링 시 단층대는 위치, 각도 및 형상이 3차원적인 분포 특성을 가지므로 이를 정밀하게 반영하고자 3차원 유한차분 해석 프로그램인 FLAC 3D를 활용하였다. 수치해석 모델의 연장 길이는 최대 융기 발생 지점인 OO터널 상선 138 km840, 하선 138 km790 지점을 중심으로 전체 연장 200 m, 좌우 경계 160 m로 설정하였다. 또한 터널 시공 단계를 고려하여 지반 융기 전 시공에 따른 응력 변화를 모사하였고, 지반조사 결과인 Fig. 11의 지층 단면도상 파쇄대를 3차원 수치해석 모델에 반영하였다. 수치해석 모델링 형상은 Figs. 12~13과 같으며, 해석 결과 Figs. 14, 15, 16, 17, 18, 19와 같이 최대 열화율 80% 조건을 기본으로 하여 8% 부터 단계별 열화율을 적용한 결과 OO터널의 열화율 조건별 바닥부 최대 융기량 경향과 유사함을 확인하였다.
4.3 매개변수 연구 결과 및 최적 보강량 최적화 선정
철도터널의 노반 융기는 구조물의 장기적인 유지관리와 안전성에 중대한 영향을 미치는 문제이다. 이를 효과적으로 해결하기 위해서는 지질 조건, 시공 환경 및 유지관리 조건 등을 종합적으로 고려한 공법 선택이 필요하다. 국내·외 사례에서 적용된 그라우팅, 하부 록볼트, 인버트 콘크리트 폐합 등 다양한 보강 공법의 특징과 장단점은 Table 1 및 Table 2에 검토하였다. OO터널의 융기 원인인 압착 거동과 유사한 사례인 율현터널, 대관령터널, 평창터널 등에서 적용되어 효과가 입증된 하향식 록볼트를 최종 보강 방안으로 선정하였다. 보강재의 길이를 늘리거나 설치 간격을 정밀화할수록 시공비용이 증가하므로, 현장 시공 여건과 최적 보강량 선정에 따른 융기량 감소 효율을 합리적으로 반영해야 한다.
관련하여 OO터널 노반 융기 구역의 하향 록볼트 길이(6 m, 8 m, 10 m, 14 m)에 대한 매개변수 분석 결과, 길이를 6 m에서 10 m까지 증가시킬 때 융기량 억제 효율이 크게 향상되었으나, 10 m 초과 구간에서는 추가적인 융기 감소 효과는 미미한 것으로 분석되었다. 또한 횡방향 설치 개수(4개, 6개, 7개)에 대한 파라미터 분석 결과, 횡방향 개수를 6개로 늘릴 경우 융기량이 비교적 크게 감소하나 7개 적용 시 추가적인 융기 감소 효과는 미미하였다. 따라서 융기 억제 효과의 차이가 크지 않은 점과 운행 중인 터널 내 시공성을 종합적으로 고려하여 최적의 록볼트 수량을 선정할 필요가 있다.
Fig. 20, 21, 22, 23의 매개변수 분석 결과에 따르면, 단순 비용 대비 최적 보강량은 보강길이 6.0 m, 보강 개수 6개, 보강 간격 2.0 m로 산정되었다. 그러나 실제 궤도와 록볼트 보강재 간의 간섭 문제를 고려할 때, PST-B 궤도 체결장치 간격(2,380 mm) 내에서 레일 체결부 간섭을 피하고 양측 말단에서 690 mm 이격 및 두 록볼트 간 간격을 1,000 mm로 확보하는 것이 시공성 측면에서 훨씬 우수하다. 이에 따라 향후 추가 융기 가능성을 사전에 차단하기 위하여, 보강길이는 6.0 m에서 10.0 m로 증대시키는 대신 보강 개수를 6개에서 4개(상선 2개, 하선 2개)로 조정하는 방안을 최종 최적안으로 결정하였다.
상기의 수치해석 및 현장 시공성 분석을 종합하면, 추가 융기 억제 및 제어에 가장 지대한 영향을 미치는 요소는 록볼트의 설치 길이인 것으로 나타났다. 따라서 현장 시공성과 경제성을 동시에 확보하면서 노반 융기 감소 효과를 극대화할 수 있는 최적 보강 방안은 ‘설치 개수 4개, 보강길이 10 m’ 조합인 것으로 확인되었다.
5. 결 론
국토의 효율적 이용과 친환경 철도망 확충에 따라 철도 인프라가 지속적으로 확대되고 있으며, 철도터널의 장대화 및 대도심화가 진행되는 과정에서 노반 융기 현상이 발생하고 있다. 이러한 노반 융기는 철도 구조물의 장기적 안전성을 저하시킬 뿐만 아니라 열차 운행 속도 제한, 유지관리 비용 증가 및 추가적인 보수·보강 대책을 유발한다. 본 연구에서는 상선 최대 124 mm, 하선 최대 123 mm의 융기가 발생한 OO선 OO터널의 변상 원인을 규명하고자 설계·시공 자료 검토, 지표지질조사 및 총 7종의 물리탐사·지반조사를 수행하였다. 분석 결과, 융기 구간은 기질이 우세한 역암층이 소단층군과 교차하면서 심하게 교란된 지형 구조를 형성하고 있으며, 열화된 지층의 깊이는 약 4.5 m로 파악되었다. 3차원 수치해석 결과 터널 하부의 소성영역 깊이는 약 7.1 m에 달하며, 이 소성영역 내 지반 강도 저하가 시간 의존적 압착거동으로 발전하여 노반 융기를 유발한 것으로 규명되었다.
이에 따라 국내·외 철도터널의 융기 보강 사례(인버트, 록볼트, 그라우팅 및 조합공법 등)를 비교·분석하고 공법별 특성과 한계를 검토하였다. 운행선 터널이라는 현장 조건과 기존 성공 사례를 고려하여 하향식 록볼트(강봉) 보강 공법을 최종 선정하고 록볼트의 길이, 개수, 간격, 설치 각도 등에 대한 매개변수 연구를 수행하였다. 해석 결과 융기량 억제에 가장 지대한 영향을 미치는 요인은 록볼트의 설치 길이로 확인되었으며, 현장 시공성과 경제성을 종합적으로 고려할 때 ‘설치 개수 4개, 보강길이 10 m’ 조건이 가장 효과적인 보강안으로 산정되었다.
특히 단층대 내 저강도 지반 및 내적 피로 현상을 고려할 때, 록볼트 정착 심도는 최대 소성영역을 초과하는 여유장을 반영하여 설계 모델링을 수행해야 함을 수치해석 및 사례적으로 입증하였다. 본 연구는 철도터널의 초기 설계 단계부터 지반 조사 및 분석이 충실히 이뤄져야 함을 재확인하였으며, 기존 철도 터널 융기 연구(Kim, 2023b)의 변위 모니터링 중심 안전 확보 관점에서 더 나아가 ‘최소 비용으로 기준 변위 이하를 제어하는 최적 보강량 산정 기법’을 제시했다는 데 학술적·실무적 의의가 있다. 본 연구 성과가 향후 노반 융기가 발생한 철도터널의 경제적인 하부 보강계획 수립뿐만 아니라, 철도시설 건설 및 유지관리 프로세스 전반의 안전성 확보를 위한 유용한 기초 자료로 활용되기를 기대한다.
