1. 서 론
2. 400 km/h급 대단면 터널 표준지보패턴의 필요성
3. 400 km/h급 대단면 터널 표준지보패턴 제안
3.1 대단면 터널 표준지보패턴 사례분석
3.2 사례분석을 통한 표준지보패턴 제안
4. 400 km/h급 대단면 터널 표준지보패턴 적정성 검증
4.1 수치해석 조건
4.2 일반구간 지보량 적정성 검증
4.3 도시구간 지보량 적정성 검증
4.4 하반 굴진장 적정성 검증
4.5 적정성 검증을 통한 표준지보패턴 제안
5. 결 론
1. 서 론
우리나라는 2004년부터 경부고속철도에서 KTX가 운행되기 시작하면서 고속철도 운영 국가로 자리매김했으며, 이후 「제3차 철도산업발전 기본계획」과 「제4차 국가철도망 구축계획」을 통해 차세대 고속철도 발전을 추진하고 있다. Test-Bed 400 km/h 속도대역 시험에 성공한 이후, 차량 개발과 열차 운행을 위한 인프라 검토 등 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다.
설계속도 400 km/h급 열차가 터널 내에서 운행될 경우, 터널 입구와 출구에서 미기압파가 발생해 소음 공해를 일으킬 수 있으며, 터널 내부에서는 고속 주행으로 인한 압력 변화로 승객들이 이명감을 느낄 수 있다. 열차 속도가 빨라질수록 미기압과 내부 압력은 증가하게 되며, 터널 내공 단면적이 커지면 압력이 감소하기 때문에 터널 내부 압력을 낮추는 대표적인 방법으로 터널 내공 단면적 확대가 고려된다. 터널의 내공 단면적을 확대하게 되면 터널 굴착단면적이 증가하므로 터널의 안정성을 확보하기 위해서는 설계기준에 제시된 지보량 이상의 지보량 상향이 필요한지 검증이 필요하다. 그러나 현재 대단면 터널의 경우 시공경험 및 계측자료가 상대적으로 부족한 상태이며, 국내에서는 Wi(2023)가 저술한 “400 km/h급 고속철도 터널 최적 단면적 산정 연구(2023)”와 같이 최근에 적정 단면에 대한 연구가 진행되고 있다.
2. 400 km/h급 대단면 터널 표준지보패턴의 필요성
터널 단면을 계획할 때는 열차 주행으로 발생하는 공기 저항, 터널 내 압력 변동으로 인한 승객의 이명감, 터널 출구에서의 미기압파 등을 고려해야 하며, 특히 열차 속도가 증가할수록 터널 내공 단면 확대가 필수적이다. 일반적인 복선 터널 단면과 설계속도 400 km/h급 열차가 운행하는 터널 단면(평택~오송 0공구 사례 참조)을 비교한 결과, 굴착 단면적은 40 m2 이상 증가하며 내공 단면적은 30 m2 이상 증가한 것으로 검토되었다(Fig. 1, Table 1 참조). 굴착 단면적이 복선 터널에 비해 약 1.5배 증가함에 따라 터널 안정성 확보를 위해 지보량 증대가 필요할 것으로 예상된다.
Table 1.
Comparison of cross-sectional areas of regular and high-speed railways
400 km/h급 설계속도를 고려한 터널 단면적 확대가 요구되나 현재 철도설계지침 및 편람(KR CODE)에는 250 km/h급 설계속도에 대한 표준지보패턴만 제시되어 있다(Table 2, Table 3 참조). 즉, 400 km/h급 고속철도 운행을 위해 약 50%의 터널 단면적 확대가 요구됨에 따라 400 km/h급 터널 표준지보패턴 제안이 필요할 것으로 판단된다.
Table 2.
Standard support pattern for general section (Korea National Rail Way, 2020)
Table 3.
Standard support pattern for urban section (Korea National Rail Way, 2020)
3. 400 km/h급 대단면 터널 표준지보패턴 제안
3.1 대단면 터널 표준지보패턴 사례분석
400 km/h급 터널 표준지보패턴을 제안하기 위해 굴착단면적이 400 km/h급 대단면 터널과 유사한 사례들의 지보패턴을 KR CODE의 복선터널 표준지보패턴과 비교 검토하였다(Table 4). 이때, 다양한 암반조건에 대한 현장 대응성 및 안정성 확보를 위해 RMR 10 간격으로 지보패턴을 세분화해야 하지만, 기존 대단면 터널의 지보패턴은 RMR 20 이상의 간격으로 간소화 구분되어 있기 때문에 RMR 20 간격별 지보량을 비교분석하였다.
Table 4.
Similar case of 400 km/h high-speed railway tunnel
설계기준과 유사사례의 지보량 비교분석 결과는 Table 5와 같다. 굴진장은 축소되거나 보수적인 값으로 적용되었고, 숏크리트 두께는 기준의 보수적인 값으로 적용되거나 상향하고, 록볼트 횡간격은 기준의 보수적인 값으로 적용하였다(Table 5). 강지보재와 라이닝 보강은 RMR 20이하를 제외하고는 전체적으로 상향되었으며, 보조공법은 RMR 41~60 및 RMR 20이하 구간이 상향되었다. 대단면 터널 지보패턴 사례분석 결과 국가철도공단에서 제시한 KR CODE의 표준지보패턴 대비 전반적으로 지보패턴 1단계씩 상향 적용된 것으로 확인되었다. 250 km/h급 철도터널 단면 보다 굴착단면적 중가에 따라 지보량 상향이 필요한 것으로 판단된다.
Table 5.
Case study on the support pattern of a 400 km/h high-speed railway tunnel
3.2 사례분석을 통한 표준지보패턴 제안
본 연구에서는 국내 대단면 터널 설계 사례를 참고하여 현행 250 km/h급 표준지보패턴의 설계기준을 바탕으로 지보량이 상향적용 된 400 km/h급 표준지보패턴 설계기준을 Table 6과 Table 7과 같이 제안하였다. 먼저 일반구간에서는, 굴진장을 일부 등급(PD-1, PD-3-1, PD-5-2)에서 축소적용하였으며, 대단면 굴착을 고려해 전 패턴의 굴착공법을 상하반 분할 굴착 방식으로 적용하였다. 숏크리트 두께는 PD-2-2부터 PD-5-2 패턴까지 1단계씩 상향하였고, PD-1에서 PD-2-2의 록볼트 길이는 기존 3 m에서 4 m로 상향 조정하였다. 또한, PD-4-2와 PD-5-2 패턴의 지보재를 1단계씩 상향하고, PD-4-2 패턴의 보조공법도 1단계 상향하여 대단면 터널의 시공 중 및 운영 중 안정성을 고려한 표준지보패턴을 제안하였다. 도심지구간의 지보패턴은 도심지 인접 구조물, 급격한 지층 변화, 불리한 지하수 조건 등을 고려하여, 일반구간의 지보패턴과 비교하여 굴진장을 일괄 축소하고 지보량을 증가시켰다.
Table 6.
Proposal of a standard support pattern for general sections at 400 km/h through design criteria and case analysis
Table 7.
Proposal of a standard support pattern for urban sections at 400 km/h through design criteria and case analysis
4. 400 km/h급 대단면 터널 표준지보패턴 적정성 검증
4.1 수치해석 조건
앞서 제안한 400 km/h급 대단면 터널 표준지보패턴에 대하여 증대된 지보량의 적정성을 판단하기 위해 MIDAS GTS NX 지반범용 수치해석 프로그램을 활용하여 굴착단계별 터널 안정성 검토를 수행하였다. 이때 Mohr-Coulomb 탄소성 모델을 적용하고, 해석범위는 4D 이상으로 적용하였다. 일반구간은 산악터널 설계사례를 참조하여 심도 20~100 m로 비교적 지반조건이 양호한 구간은 깊게, 불량한 구간은 얕게 모델링하여 적용하였고, 도시구간은 일정한 지표면을 고려하여 30 m의 동일 심도에 단일지층 조건으로 모델링하였다(Fig. 2). 지반조건은 표준지보패턴별 RMR등급을 고려하여 적용하였으며, 이때 측압계수는 1.0으로 선정하였다. 특히 일반구간은 산악지가 많은 우리나라의 지층을 보수적으로 모사하기 위하여 고려하여 암반등급이 세분화된 지층구성과 산악구간의 편경사가 나타난 산악구간을 선정하였다. 터널 표준단면은 400 km/h급 터널인 평택~오송 0공구의 표준단면을 참조하였으며 경계조건은 Table 8과 같이 적용하였다. 해석에 적용된 설계지반정수는 Table 9와 같다.
Table 8.
Similar case of 400 km/h high-speed railway tunnel
| Category | Horizontal displacement | Vertical displacement |
| Side boundary | Constraint | Permission |
| Floor boundary | Permission | Constraint |
| Double edge | Constraint | Constraint |
Table 9.
Design ground parameters
본 연구에서는 가장 대표적인 굴착공법인 NATM공법을 적용하였으며 터널 시공단계를 고려하여 안정성 검토를 수행하였다. 상하반 분할 굴착, 지보재 설치 등을 수치해석적으로 모사하였다. 숏크리트의 경우 지보재 설치단계에서 연성조건으로 숏크리트를 설치하고, 해석프로그램의 물성치 변환기능을 통해 숏크리트의 경화단계를 모사하였다. 이러한 일련의 시공단계를 통해 시간 의존적 거동을 고려한 수치해석을 수행하였다. 이때 적용한 숏크리트의 설계강도는 21 MPa, 록볼트의 항복강도는 350 MPa로 적용하였고 이에 따른 지보재의 허용응력은 Table 10과 같다.
Table 10.
Allowable stress of support system
| Category | Design strength |
Allowable criteria calculation formula | Allowable criteria | |
| Shotcrete flexural compressive stress | Rock bolt axial force | |||
| Shotcrete | 21 MPa | 8.40 | - | |
| Rock bolt | 350 MPa | - | 88.7 kN | |
4.2 일반구간 지보량 적정성 검증
일반구간 수치해석 결과, 지보패턴별 터널에 발생되는 변위는 미소하게 발생하고 지보재 응력은 허용기준보다 작게 발생하여 안정성 확보가 가능한 것으로 검토되었다(Table 11 참조). 여기서, 숏크리트 휨압축응력의 허용기준은 8.4 MPa, 록볼트 축력의 허용기준은 88.4 kN이다. 따라서 일반구간 대단면 터널 표준지보패턴의 지보량은 적정한 것으로 판단되나, 안정성 뿐만이 아니라 경제성 및 시공성을 확보할 수 있도록 지보량 최적화 검토를 수행하였다.
Table 11.
Examination of the proposed standard support pattern for general sections at 400 km/h through numerical analysis
지보량 최적화를 위해 지보재 응력 허용기준 대비 발생값에 대한 비율인 안전율을 분석하여 Fig. 3과 같이 도시화하였다. 숏크리트 휨압축응력의 경우 PD-1패턴에서 안전율이 28.88로 크게 산정되고 PD-2-1패턴 이후로 수렴되는 경향을 나타냈으며, 록볼트 축력의 경우 PD-3-2패턴 이전에서 안전율이 5.27~7.02로 크게 산정되로 PD-4-1패턴 이후로 수렴되는 경향을 나타냈다. 따라서 PD-1패턴에서 숏크리트 두께를, PD-2-1~PD-3-2패턴에서 록볼트 횡간격을 최적화 할 수 있을 것으로 판단된다. 다만, PD-1패턴은 숏크리트 시공을 위한 최소 두께인 50 mm로 적용되었기 때문에 두께 저감이 불가한 것으로 판단된다.
최적화를 위한 재검토는 록볼트 횡간격을 지보패턴 1단계씩 확대하는 조건으로 재검토하였다. 안전율 재검토 결과 록볼트 횡간격 확대에 따라 록볼트 축력 안전율이 원안대비 감소하는 경향을 보였으나 감소량은 최대 0.11로 매우 미소하게 나타났다(Table 12 및 Fig. 4 참조). 수치해석상 록볼트 축력을 검토한 결과 록볼트 횡간격 확대는 가능할 것으로 판단되지만, 이완된 암반을 봉합하는 록볼트의 특성상 과도한 횡간격 확대는 시공시 위험을 증가시킬 수 있기 때문에 록볼트 횡간격은 당초 사례분석을 통해 제안된 간격으로 적용되는 것이 타당하다고 판단된다.
Table 12.
Re-examination of the proposed standard support pattern for general sections at 400 km/h through numerical analysis
4.3 도시구간 지보량 적정성 검증
도시구간 수치해석 결과, 지보패턴별 터널에 발생되는 변위는 미소하게 발생하고 지보재 응력은 허용기준보다 작게 발생하여 안정성 확보가 가능한 것으로 검토되었다(Table 13 참조). 따라서 도시구간 대단면 터널 표준지보패턴의 지보량은 적정한 것으로 판단되나, 안정성 뿐만이 아니라 경제성 및 시공성을 확보할 수 있도록 지보량 최적화 가능성 검토를 수행하였다.
Table 13.
Examination of the proposed standard support pattern for urban sections at 400 km/h through numerical analysis
지보량 최적화를 위해 지보재 응력 허용기준 대비 발생값에 대한 비율인 안전율을 분석하여 Fig. 5와 같이 도시화하였다. 숏크리트 휨압축응력의 경우 PD-2-2패턴 이전에서 안전율이 3.90~9.66으로 크게 산정되고 PD-3-1패턴 이후로 수렴되는 경향을 나타냈으며, 록볼트 축력의 경우 PD-3-2패턴 이전에서 안전율이 5.68~16.53로 크게 산정되로 PD-4-1 패턴 이후로 수렴되는 경향을 나타냈다. 따라서, PD-1~PD-2-2 패턴에서 숏크리트 두께를, PD-2-1~PD-3-2 패턴에서 록볼트 횡간격을 최적화 할 수 있을 것으로 판단된다. 다만, PD-1패턴은 숏크리트 시공을 위한 최소 두께인 50 mm로 적용되었기 때문에 두께저감이 불가한 것으로 판단되며 앞서일반구간 검토에서 록볼트의 특성으로 인해 횡간격 증대가 불가한 것으로 판단된다.
최적화를 위한 재검토는 숏크리트 두께를 지보패턴 1단계씩 축소하는 조건으로 검토하였다. 안전율 재검토 결과 숏크리트 두께 축소에 따라 숏크리트 휨압축응력 안전율이 원안대비 감소하는 경향을 보였으나 감소량은 최대 0.28로 매우 미소하게 나타났다(Table 14 및 Fig. 6 참조). 수치해석상 숏크리트 휨압축응력을 검토한 결과 숏크리트 두께 축소는 가능할 것으로 판단된다. 다만, PD-2-1패턴의 경우 기존의 복선터널 표준지보패턴에 숏크리트 두께를 80 mm로 제시하고 있기 때문에 기준의 동등이상 안전율을 확보하기 위하여 숏크리트 두께는 당초 제안된 두께로 적용하는 것이 타당하다고 판단된다. PD-2-2패턴의 경우 축소하여 재검토한 숏크리트의 두께와 기존의 복선터널 표준지보패턴 숏크리트 두께와 동일한 수준이기 때문에 재검토된 숏크리트 두께인 80 mm로 축소 가능한 것으로 판단된다.
Table 14.
Re-examination of the proposed standard support pattern for urban sections at 400 km/h through numerical analysis
| Category | PD-2-1 | PD-2-2 | ||
| Examination | Re-examination | Examination | Re-examination | |
| Thickness of S/C | 80 mm | 50 mm | 100 mm | 80 mm |
| Flexural compressive stress | 1.69 MPa | 1.79 MPa | 2.15 MPa | 2.23 MPa |
4.4 하반 굴진장 적정성 검증
기존의 복선터널 표준지보패턴에서는 도시구간 PD-5-1과 PD-5-2 패턴을 제외하고 상하반 분할 굴착이 적용된 지보패턴의 경우 하반 굴진장이 굴진장의 2배로 적용되어져 있다. 이에 따라 대단면 터널 하반 굴진장 증대시 터널 안정성 검토를 통하여 시공성을 향상할 수 있는 하반 굴진장을 제시하고자 한다. 하반 굴진장 증대 안정성 검토를 위하여 Table 15과 같이 선정하였으며, 이에 따른 안정성 검토 결과는 Table 16와 같다. Case 1은 상·하반 동일한 굴진장을 적용하였고, Case 2는 하반 굴진장 2배를 적용하였다.
안정성 검토 결과 하반 굴진장에 따른 터널 변위차이는 약 0.01 mm로 매우 미소하게 발생하였으며 숏크리트 휨압축응력 최대값은 0.37 MPa 증가하였고, 록볼트 축력 최대값은 1.09 kN 감소로 차이 매우 작게 나타났으며 모두 허용기준치 이내로 산정되었다. 이에 따라 하반 굴진장을 2배 증대하더라도 터널에 미치는 영향은 매우 미소할 것으로 판단되어 하반 굴진장 2배 증대를 적용하고자 하였다. 그러나 굴진장이 2 m 이상인 PD-1 ~ PD-3-2패턴의 경우 하반 굴진장을 2배 증대할 경우 PD-1 패턴의 굴진장(3.5 m)을 초과하는 4 m 이상의 장공발파로 적용되기 때문에 시공효율을 고려하여 하반 굴진장 증대를 미적용 하였다. 또한 안정성이 매우 취약한 도시구간 PD-5-1과 PD-5-2 패턴의 굴진장은 기존 기준을 참고하여 하반 굴진장 증대를 미적용 하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
Table 15.
Construction stages according to lower excavation site conditions
| Category | Stage 1 | Stage 2 | Stage 3 |
| Case 1 |  |  |  |
| Case 2 |  |  |  |
Table 16.
Results of stability review according to lower excavation site conditions
4.5 적정성 검증을 통한 표준지보패턴 제안
사례분석 및 기존 설계기준을 참고하여 제시한 대단면 표준지보패턴을 활용하여 수치해석을 통한 안정성 검토 및 지보량 및 굴진장 최적화를 수행하였다. 수치해석 수행 결과 변위 및 지보재 응력 모두 허용치 이내로 안정하다고 판단되었으나, 지보량 최적화를 위해 지보재 응력 안전율이 높게 산정된 패턴에 대해 재검토를 수행하였다. 재검토 결과 도시구간 PD-2-2 패턴의 숏크리트 두께를 한단계 하향시키는 것으로 적용하였다. 또한 하반 굴진장 수치해석 수행결과 상ㆍ하반 굴진장 동일조건과 하반 굴진장 2배 조건의 변위 및 지보재 응력의 차이는 매우 미소하게 나타나 일반구간에서는 하반 굴진장 2배 적용이 가능한 것으로 검토되었다. 하반굴진장 2배 적용시 최장 굴진장인 3.5 m를 초과하지 않도록 굴진장이 1.5 m 이하의 지보패턴의 하반굴진장을 2배 증대시키는 것으로 적용하였다. 최적화된 400 km/h급 대단면 터널의 표준지보패턴은 Table 17, Table 18과 같다.
Table 17.
Standard support pattern table for general sections of 400 km/h large section tunnel railway tunnels
Table 18.
Standard support pattern table for urban sections of 400 km/h large section tunnel railway tunnels
5. 결 론
본 연구에서는 향후 설계속도 400 km/h가 적용되는 설계사례가 증가됨에 따라 일반철도 단면보다 확폭된 400 km/h급 대단면 터널에 대한 표준지보패턴을 제안하였다. 대단면 터널의 표준지보패턴을 제안하기 위해서 400 km/h급 대단면 터널과 굴착단면적이 유사한 지보패턴 사례와 기존 복선 철도터널 표준지보패턴 비교분석을 수행하였다. 사례 및 설계기준 비교분석을 통하여 400 km/h급 대단면 터널 표준지보패턴은 숏크리트 두께 및 록볼트 길이, 록볼트 간격 등 지보량이 기존 복선 철도터널 기준 대비 증대하였으며, 대단면 터널의 시공조건을 고려하여 전단면 굴착을 배제하고 모든 지보패턴에 반단면 굴착을 적용하였다. 또한 기존 설계기준과 동일하게 RMR 10단위로 세분화하고, 일반구간과 도시구간으로 분류하여 표준지보패턴을 제안하였다.
사례 및 설계기준 비교분석을 통하여 제시한 표준지보패턴의 적정성 검증 및 개선을 위하여 수치해석을 통한 지보량 적정성 분석을 수행하였다. 일반구간 표준지보패턴은 암반등급이 낮은 구간의 패턴일수록 변위가 크게 나타나는 경향을 보였으나 최대 13.62 mm로 안전한 것으로 검토되었으며, 지보재 응력은 모두 허용기준치 이내로 검토되어 제안한 일반구간 표준지보패턴의 지보량은 적정한 것으로 판단되었다. 도시구간 표준지보패턴은 암반등급이 낮은 구간의 패턴일수록 변위가 크게 나타나는 경향을 보였으나 최대 12.89 mm로 안전한 것으로 검토되었으며, 지보재 응력은 모두 허용기준치 이내로 검토되어 제안한 도시구간 표준지보패턴의 지보량은 적정한 것으로 판단되었다. 다만 도시구간 PD-2-1,2 패턴의 경우 숏크리트 휨압축응력 안전율이 높게 산정되어 숏크리트 두께를 한단계씩 하향하여 재검토를 수행하였다. 재검토 결과 숏크리트 휨압축응력의 안전율은 다소 낮아지나, 그 차이가 미소하여 숏크리트 두께 축소가 가능할 것으로 판단되었다. 그러나 PD-2-1 패턴의 경우 숏크리트 두께를 50 mm로 축소하게 되면 기존 복선터널 표준지보패턴 보다 적은 지보량을 적용하게 되므로 원안유지가 적절한 것으로 사료되었고, PD-2-2 패턴의 경우 숏크리트 두께를 한단계 하향시킨 80 mm 축소가 타당한 것으로 사료되었다.
또한 400 km/h급 대단면 터널 표준지보패턴은 기존 복선터널 단면 대비 굴착단면적 증가를 고려하여 전 패턴 반단면 굴착을 적용하였기 때문에 하반 굴진장에 따른 안정성 검토를 수행하였다. 검토결과 상ㆍ하반 굴진장 동일조건과 하반 굴진장 2배 조건의 변위 및 지보재 응력의 차이는 매우 미소하게 나타나 하반 굴진장 2배 적용이 가능한 것으로 사료되었다. 다만 굴진장 2 m 이상의 경우 굴진장을 2배 증대시키게 되면 최장 굴진장인 3.5 m를 초과하게 되므로 하반굴진장이 1.5 m 이하의 지보패턴에만 적용하는 것이 적절하다고 사료되었다.
본 연구에서 제안한 400 km/h급 대단면 터널 표준지보패턴을 고속철도 터널에 적용할 경우 대단면 터널 안정성 확보가 가능할 것으로 판단되었다. 앞으로 지속적인 연구수행을 통해 수치해석으로 모사하기 난해한 강지보재와 구조해석을 통한 콘크리트라이닝에 대한 검증이 이루어져 추가적으로 보완되어야 할 것으로 사료된다. 향후 400 km/h급 대단면 터널 표준지보패턴 설계기준 제시를 통하여 400 km/h급 대단면 터널의 안정성, 현장 대응성 및 경제성 향상에 기여할 수 있게 되기를 기대한다.
