1. 서 론
2. 터널 붕괴에 대비한 이상변위 사전분석의 필요성
2.1 현장 지반조건의 불확실성
2.2 이상변위가 선행하는 터널붕괴
3. 지반조건의 불확실성을 고려한 시공단계별 지반안정성 검토
3.1 지반안정성 검토 조건
3.2 과소보강에 따른 이상변위 및 터널지보재 파괴 분석
4. 터널 붕괴징후 평가기준 개발
5. 결 론
1. 서 론
터널은 지반의 불확실성에 따라 다양한 지반조건을 조우하게 되며, 그에 상응하는 적정한 보강을 계획하게 된다. 실제 터널 굴착시 사전에 수행된 정밀지반조사 결과와 상이한 불량지반을 조우하는 경우가 빈번히 발생하고 있으며, 지반조건의 급격한 변화에 따른 신속한 조치가 이뤄지지 않을 경우 터널 붕괴를 초래할 수 있다. 터널 붕괴는 다양한 터널 붕괴 양상이 정의되고 있으나, 대표적인 붕괴 양상으로는 이상변위를 동반한 지보재 파괴를 들 수 있다. 숏크리트 등의 지보재가 허용할 수 있는 범위를 초과한 이상변위가 발생할 경우 지보능력을 상실함으로써 터널 붕괴가 발생하게 된다. 기존에 수행된 연구에서는 RMR 및 불연속면 등 막장의 지반상태에 따른 터널 붕괴위험도 평가가 주로 수행되어 터널 굴착시 발생할 수 있는 이상변위에 따른 터널 붕괴징후와 관련된 연구가 제한적인 것으로 조사되었다. 즉, 이상변위에 따른 평가기준이 없어 터널 붕괴징후를 사전에 파악하기 어려운 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 터널단면, 지반조건 및 측압계수 등 다양한 매개변수를 고려한 지반안정성 검토를 수행하여 지반조건의 불확실성을 고려하고, 터널 붕괴를 유발하는 이상변위를 분석하여 이상변위 기반의 정량적 터널 붕괴징후 평가기준을 개발하고자 하였다.
2. 터널 붕괴에 대비한 이상변위 사전분석의 필요성
2.1 현장 지반조건의 불확실성
예측된 지반조건과 달리 불량한 지반조건을 조우할 경우, 적용된 지보패턴의 지보량이 부족하여 적절한 응력의 아치가 형성되지 못하여 터널의 붕괴로 이어질 수 있다. 2008년 철도터널 현장에서는 Fig. 1과 같이 당초 지반조건이 막장부 연암, 터널 천단부 풍화암이 분포하는 것으로 예측하였으나, 굴착 중 터널 상부지반이 붕괴하는 사고 발생하였다(Korean Tunnelling and Underground Space Associations, 2010). 사후 추가 지반조사결과 막장부에 풍화암이 출현하고 터널 천단부에 1.3 m의 풍화토가 분포하는 것으로 확인하였다. 따라서, 예측된 지반조건과 달리 불량한 지반과 조우할 것을 사전에 예측하여 터널 붕괴에 대비할 필요가 있을 것으로 판단된다.
2.2 이상변위가 선행하는 터널붕괴
터널에 이상변위가 발생할 경우 과다한 변위로 인해 숏크리트 등의 지보재의 지보능력을 상실하여 터널의 붕괴로 이어질 수 있다. 2007년 고속도로터널 현장에서는 Fig. 2와 같이 이상변위를 동반한 터널 붕괴가 발생하였다(Korean Tunnelling and Underground Space Associations, 2010). 터널 붕괴가 발생한 구간들 중심으로 과도한 이상변위가 발생하여 숏크리트에 박리 및 균열 등이 심하게 진행되었고 터널 굴착면과 분리되는 현상이 발생하였으며 지보능력 상실에 따른 이상변위가 지속적으로 진행되었다. 사후 추가 지반조사결과 습윤상태의 지질이상대를 통과함에 따라 터널변위 증가와 과대한 지보압이 작용한 것으로 확인하였다. 이러한 터널 붕괴 사례를 통해 터널 붕괴를 동반하는 이상변위를 사전에 예측함으로써 터널 붕괴를 대비할 수 있을 것으로 판단된다.
3. 지반조건의 불확실성을 고려한 시공단계별 지반안정성 검토
터널 붕괴를 사전에 방지하기 위해서 터널에 발생하는 이상변위를 관찰하여 신속한 대응방안을 수립하는 것이 중요하다. 앞선 터널붕괴 사례들을 통해서 지반조건의 불확실성에 따른 이상변위를 사전에 분석할 필요성을 확인할 수 있었다. 그러나 현재 이상변위에 대한 판단기준이 불명확하여 추가보강 또는 긴급대피 등의 붕괴대응 조치 마련이 어려운 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 지반조건의 불확실성에 따른 과소보강시 발생할 수 있는 터널 변위를 검토하여 터널붕괴 징후시 발생하는 이상변위에 대한 판단기준을 개발하고자 하였다.
3.1 지반안정성 검토 조건
본 연구에서는 지반의 불확실성을 고려한 터널 붕괴를 유발시키는 이상변위를 분석하기 위해 선정된 매개변수에 따른 지반안정성 검토를 수행하였다. 이때, 터널단면과 지반조건을 매개변수로 선정하였다(Table 1). 철도터널을 기준으로 하여 Fig. 3과 같이 단선터널과 복선터널에 대한 표준단면을 선정하였다(Korea National Railway, 2022). 지반은 단일지층으로 모사하고 도심지 터널을 고려하여 토피고 40 m를 적용하였다. 또한 지반조건은 암반강도와 측압계수(k0) 0.5, 1.0, 1.5를 매개변수로 선정하였다. 지반안정성 수행시 유한요소법(FEM) 해석프로그램인 MIDAS GTS NX를 이용하였으며, 터널단면 및 지반조건에 따른 지보재를 고려하여 Fig. 3(c)와 같이 모델링을 수행하였다. 해석모델링이 결과에 영향을 주지 않도록 터널을 중심으로 5.0D 이상의 해석영역을 설정하고, 모든 요소의 크기를 1.0 m로 생성하였다. 좌ㆍ우 경계부는 x방향 변위구속, 하부 경계부는 y방향 변위구속을 부여하였다. 이때, 지반 구성모델은 Mohr-Coluomb 탄소성 모델이며, 주 지보재인 숏크리트는 Elastic 모델로 구성하였다. 숏크리트는 터널 굴착면에 대한 요소망에서 하위요소를 추출하는 방법으로 모델링하고, 록볼트는 절점의 공유 없이 지반에 속하여 축력결과를 확인할 수 있는 임베디드 트러스 요소로 모델링하였다. 이와 같은 조건으로 수행한 모델링을 활용하여 시공단계별 안정성 검토를 수행하였다. 먼저, 원지반의 초기응력을 재현하고 변위 초기화를 수행하고, 터널 굴착, 연성숏크리트 타설, 숏크리트 경화 단계로 시공단계별 안정성 검토를 수행하였다. 여기서, 2차원 안정성 검토시 적용하는 하중분담율은 식 (1)과 같이 Jeong(1993), Chang and Moon(1998) 등이 제시한 경험식을 통해 암반강도 하향에 따른 하중분담율(α/β/γ)을 산정하여 Table 2와 같이 적용하였다. 여기서, 은 굴착시 하중분담율, 는 연성숏크리트 타설시 하중분담율, 는 숏크리트 경화시 하중분담율, 은 굴진장(m), 는 탄성계수(t/m2), 는 터널직경(m)이다.
Table 1.
Parameters for tunnel section, rock strength and k0
| Tunnel section | Rock strength | k0 |
| Single-track tunnel / Double-track tunnel | High-strength rock / Medium-strength rock / Low-strength rock | 0.5 / 1.0 / 1.5 |
Table 2.
Load distribution ratio considering reduced rock mass strength
지반의 불확실성을 고려하기 위해 암반강도를 단계별로 하향시키는 방법을 적용하였다. Table 3과 같이 표준지보패턴은 당초 예측된 지반조건에 대하여 적용하고, 지반조건을 단계별로 하향시켜 과소보강 상태를 모사하여 터널에 발생하는 변위와 지보재 응력을 검토하였다. 지보패턴 PS-1/PD-1의 지반조건은 고강도 암반이지만 지반조건의 불확실성을 고려하여 고강도 암반을 포함한 중강도 암반 및 저강도 암반으로 하향하여 안정성 검토를 수행하였다. 지보패턴 PS-2/PD-2 ~ PS-4/PD-4 또한 지반조건을 하향하여 이상변위를 검토하였다. 다만, 지보패턴 PS-5 및 PD-5와 같이 저강도 암반의 지반조건을 하향하는 경우 풍화대 또는 단층파쇄대 수준의 매우 불량한 지반조건이므로 별도의 추가보강이 요구되므로 본 연구에서는 제외하도록 하였다.
Table 3.
Downgrading of ground conditions considering geological uncertainty
검토시 적용된 지반의 주요물성치와 표준지보패턴은 Table 4와 같이 정리하였다. 현재 수행되고 있는 주요 도심지 철도터널인 GTX 사업과 관련된 설계지반정수를 반영하였고, 지반조건에 따라 Korea National Railway(2024)에서 제시한 표준지보패턴을 적용하였다. 이때, 표준지보패턴은 RMR 10단위로 9단계로 제시되어 있으나, 본 연구에서는 평가기준의 간소화를 위해 RMR 20단위를 고려한 지보패턴을 고려하였다.
Table 4.
Rock properties and tunnel support patterns
3.2 과소보강에 따른 이상변위 및 터널지보재 파괴 분석
시공단계별 지반안정성 해석을 통해 지반의 불확실성에 따른 암반강도 하향시 터널에 발생하는 이상변위와 지보재 응력 영향을 분석하였다. 이를 위해 매개변수별 터널에 발생하는 최대 변위와 숏크리트 휨압축응력을 검토하였다. 이때, 숏크리트 휨압축응력의 허용기준은 설계강도 fck=21 MPa을 고려하여 허용응력 설계에 따른 산정식인 식 (2)를 통해 8.4 MPa로 평가하였다(Korea National Railway, 2012). 지보능력을 상실하는 조건인 숏크리트 휨압축응력의 허용기준을 초과시 터널 붕괴 가능성이 급증하는 상태로 검토하였다.
단선터널에 대한 안정성 검토 결과를 Table 5와 같이 정리하였다. 모든 매개변수에서 암반강도 하향시 터널에 발생하는 변위와 숏크리트 휨압축응력이 증가하는 경향을 나타냈다. 기준 지반조건에서 중강도 암반까지는 암반강도를 하향시켜도 터널에 발생한 변위가 미소하고 숏크리트 휨압축응력이 허용기준 이내로 산정되었으나, 저강도 암반 조건시 대부분 터널에 발생하는 변위가 급격하게 증가하고 숏크리트 휨압축응력이 허용기준을 초과하는 것으로 나타났다. 또한 저강도 암반 조건중 지보패턴이 PS-4이고 측압계수가 0.5 및 1.0인 조건에서는 숏크리트 휨압축응력이 허용기준 이내로 발생하였으나, 숏크리트 휨압축응력이 허용기준에 매우 근접하고 터널에 발생한 변위 또한 숏크리트 휨압축응력의 허용기준을 초과한 조건과 유사한 변위량을 나타냈다.
Table 5.
Maximum displacement and bending compressive stress for stability analysis (Single-track tunnel)
복선터널에 대한 안정성 검토 결과를 Table 6과 같이 정리하였다. 단선터널과 동일하게 모든 매개변수에서 암반강도가 하향됨에 따라 터널에 발생하는 변위와 숏크리트 휨압축응력이 증가하는 경향을 나타냈다. 숏크리트 휨압축응력이 허용기준을 초과하는 검토조건 역시 단선터널과 매우 유사하나, 지보패턴이 PD-4이고 측압계수가 1.0인 조건에서 저강도 암반으로 하향 적용시 숏크리트 휨압축응력이 허용기준을 초과하는 것으로 나타났다. 이는 터널 단면 증가에 따른 영향으로 판단된다.
Table 6.
Maximum displacement and bending compressive stress for stability analysis (Double-track tunnel)
Fig. 4는 복선터널 중 지보패턴은 PD-4이고, 측압계수가 1.5인 조건에서 기본 지반조건인 중강도 암반과 암반강도 하향을 적용한 저강도 암반에 대한 안정성 검토 결과이다. 지반조건을 하향하더라도 터널에 발생하는 변위 및 숏크리트 응력 분포도에 대한 경향성이 비교적 유사한 것을 확인할 수 있다. 다만 중강도 암반인 경우 발생된 천단변위는 3.05 mm로 미소하고 숏크리트 휨압축응력은 6.74 MPa로 허용기준을 만족하나, 저강도 암반인 경우 발생된 천단변위는 7.71 mm로 2배 이상으로 증가하였으며 숏크리트 휨압축응력은 17.01 MPa로 허용기준을 초과하는 것으로 나타났다. 지반의 불확실성에 따라 암반강도가 하향될 경우 과도한 변위 증가를 동반한 지보능력 상실이 이루어져 터널 붕괴가 발생할 가능성이 급증할 수 있을 것으로 판단된다.
4. 터널 붕괴징후 평가기준 개발
터널 붕괴가 발생하기에 앞서 이상변위가 선행하게 되므로 이상변위를 사전에 관리하는 것이 타당할 것으로 사료되나, 이상변위에 대한 명확한 평가기준이 불명확한 실정이다. 본 연구에서는 지반안정성 검토를 통해 터널 붕괴가 발생했을 때의 이상변위를 검토하였다. 다양한 매개변수를 통한 안정성 검토를 수행한 결과를 토대로 저강도 암반 수준의 불량한 지반조건을 조우할 경우, 붕괴를 동반한 이상변위가 발생한 조건으로 설정하였다. 검토결과를 토대로 터널 붕괴가 발생했을 때의 이상변위를 Table 7과 Fig. 5와 같이 정리하였다. 이때, 불명확한 측압계수를 고려한 평가기준을 마련하기 위해 측압계수별 안정성 검토 결과에 따른 발생변위의 평균에 대하여 0.5단위로 절삭하여 정리하였다. 또한, 현장 계측기는 터널 굴착 후 측정이 가능하므로 지보 설치 이전 단계의 선행변위는 제외할 필요가 있을 것으로 사료되었다. 이에 따라 선행변위를 고려한 경우는 지보재 설치 이전 단계의 변위를 포함한 해석상의 총변위를 의미하고, 선행변위를 미고려한 경우에는 지보재 설치 이후 단계의 변위에 대해서만 정리한 현장 계측값과 비교할 수 있는 변위를 의미한다.
선행변위와 관계없이 지보패턴별 터널에 발생된 이상변위는 양호한 암반조건에 대한 지보패턴 일수록 큰 것으로 나타났다. 양호한 암반의 경우 암반 대비 숏크리트 두께 등 지보량이 작아 이상변위를 제어할 수 있는 지지능력이 약하기 때문으로 판단된다. 또한 터널 단면이 클수록 이상변위가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 터널 단면이 증가할수록 터널에 발생하는 변위 및 휨압축응력 증가량이 커지기 때문으로 판단된다. 다만, 선행변위 미고려시 지보패턴 PD-4의 이상변위가 지보패턴 PD-3보다 크게 나온 경향이 일부 확인되었다. 지보패턴 PD-4는 상하반 분할 굴착으로 인해 선행변위가 작게 산정되어 발생되는 것으로 판단된다.
Table 7.
Proposed evaluation standard for abnormal displacements as tunnel collapse precursors
본 이상변위 판단기준에 따라 지보패턴 PS-1은 최대 3.5 mm의 변위가 발생하였을 때, 지보패턴 PD-1은 최대 8.0 mm의 변위가 발생하였을 때 터널붕괴가 일어날 가능성이 높은 이상변위라 판단할 수 있다. 이때, 터널 굴착으로 인해 발생되는 천단변위 및 내공변위 모두 참조하여 이상변위 발생 여부에 대한 판단하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.
일반적으로 시공중 터널 변위 계측관리시 단계별 관리체계를 수립하여 관리하므로 이상변위를 통한 붕괴징후 평가기준에서도 단계별 관리기준을 세분화하고자 하였다. 서울지하철 계측관리요령 개선(Seoul Metropolitan Infrastructure Headquarters, 2015)의 계측관리체계를 참조하여 1단계(안전, 60%) - 2단계(주의, 80%) - 3단계(위험, 100%)로 관리하여 이상변위에 따른 추가보강 계획 및 긴급대피 등의 붕괴대응 조치를 수행하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 다만, 본 연구 결과는 특정 해석조건에서 도출된 예비적인 변위 관리 참고치이므로 적용현장과의 지반특성 유사성을 확인하고 실제 현장계측자료를 통한 보완을 수행하여 적용하는 것이 타당할 것으로 사료된다.
5. 결 론
최근 들어 다양한 터널 사고 발생으로 인해 터널 안정성에 대한 우려와 관심이 집중됨에 따라 터널 붕괴징후를 사전에 파악하여 터널 안정성 및 인접 지역의 안전성을 확보하는 것이 중요하다. 터널 붕괴시 대표적인 징후로 터널에 과도한 변위를 동반한 숏크리트 등의 지보재 파괴가 동반된다. 이에 따라 터널 붕괴는 변위 및 지보재 파괴와 직접적인 연관성이 있는 것으로 판단할 수 있다. 그러나 현재 시공중 터널 변위와 지보재에 대한 일반적인 계측관리 기준은 제시되어 있으나, 터널 붕괴와 관련된 이상변위 평가기준이 마련되지 않아 터널 붕괴에 대한 대응이 사실상 어려운 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 터널 붕괴시 선행되는 이상변위를 지반안정성 검토를 통해 예측함으로써 터널 붕괴징후에 대한 평가기준을 개발하고자 하였다. 철도터널에 대한 터널 단면과 암반강도 및 측압계수를 매개변수로 선정하고 지반안정성 검토를 수행하여 지반의 불확실성에 따른 암반강도 하향시 터널 굴착시 터널에 발생하는 변위와 지보재 응력의 변화를 분석하였다.
지반의 불확실성에 따라 지반조건이 예측한 조건보다 불량한 경우, 터널에 발생하는 변위와 지보재 응력이 증가하는 경향으로 나타났다. 대체로 중강도 암반까지는 당초 지보패턴의 지보량으로 허용기준을 만족하나, 저강도 암반의 지반을 조우할 경우 허용기준을 초과하고 터널에 발생하는 변위가 매우 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이에 따라 지보재응력이 허용기준을 초과하는 조건에 발생하는 터널 변위를 이상변위로 판단할 수 있을 것으로 사료된다. 다만, 시공 중 터널 주변의 측압계수를 명확히 파악할 수 없으므로 측압계수별 발생변위의 평균치로 선정하였다. 다만, 지반안정성 검토시 40 m의 토피고와 단일지층의 지반상태, 특정 설계지반정수 등을 적용하였으므로 붕괴징후 평가기준 적용시 현장과의 유사성을 판단하여 보정하여 적용하는 것이 타당할 것으로 사료된다.
본 연구에서는 지반의 불확실성을 고려하여 암반강도 하향에 따른 이상변위 분석으로 터널 붕괴징후에 대한 평가기준을 마련하고자 하였다. 향후 터널 붕괴현장의 계측자료와 3차원 해석 등을 통해 붕괴위험 평가기준의 적정성을 검증하고, 터널변위와 더불어 변위속도, 변위가속 등 시간 이력 기반 지표를 통한 붕괴위험 평가기준에 대한 추가적인 연구를 수행할 계획이다. 이와 같이 현장특성을 고려한 보정과 계측자료를 기반으로 보완된 붕괴위험 평가기준을 통해 지보패턴별 이상변위를 고려한 계측관리를 시행함으로써 터널 주변암반의 불량화를 선제적으로 파악하여 터널 붕괴 가능성에 대비하고 추가보강 및 긴급대피 등의 대응 조치를 보다 효과적으로 수행할 수 있게 되기를 기대해 본다.
