1. 서 론
2. 2-Arch 터널 안정성 평가방안에 대한 고찰
2.1 2-Arch 터널 편측굴착에 따른 중앙벽체 거동 검토
2.2 시공완료 조건만을 고려한 구조안정성 검토
3. 시공단계별 지반안정성 검토를 통한 편압 영향 분석
3.1 지반안정성 검토개요
3.2 편측굴착에 따른 편압 영향 분석
4. 편압 영향을 고려한 구조안정성 검토
4.1 구조안정성 검토개요
4.2 편압 영향을 고려한 중앙벽체 안정성 평가
5. 결 론
1. 서 론
도심지구간 철도시설물 인프라의 확장으로 인해 도심지 2-Arch 터널 적용 사례가 증가하고 있다. 그러나 최근 2-Arch 터널 붕괴사고가 발생됨에 따라 2-Arch 터널 안정성 확보방안에 대한 관심이 집중되고 있다. 일부구간의 2-Arch 터널이 붕괴되는 사유로는 지반조건 등 복합적인 붕괴원인이 존재하나 편압에 의한 중앙벽체의 변형 및 파손을 붕괴의 주요 원인 중 하나로 추정할 수 있다. 2-Arch 터널은 중앙터널 굴착 후 중앙벽체를 설치하여 좌ㆍ우 확폭터널 굴착에 의한 상부하중을 지지하는 터널 구조물 형식으로 중앙벽체에 대한 안정성을 확보하는 것이 중요하다. 실제 굴착시 시공성 및 공기 확보 등을 고려하여 과도한 편측 굴착을 시행하는 경우가 있으나, 설계시 Matsuda의 제안식에 근거한 연직하중으로 반영하여 편압 영향이 고려되지 않은 시공완료 조건에 대하여 안정성을 평가하고 있다. 즉, 2-Arch 터널의 주요 붕괴원인으로 추정되는 편압에 의한 영향이 고려되지 않은 터널 안정성 검토가 일부 설계에 반영되어 있을 것으로 우려된다. 이에 따라 본 연구에서는 시공단계별 지반안정성 검토를 선행하여 확폭터널 편측 굴착으로 발생되는 중앙벽체의 거동을 분석하고, 구조안정성 검토와 연계하여 시공중 중앙벽체의 편압 영향을 고려한 중앙벽체 안정성 평가방안을 제안하고자 하였다.
2. 2-Arch 터널 안정성 평가방안에 대한 고찰
2.1 2-Arch 터널 편측굴착에 따른 중앙벽체 거동 검토
2-Arch 터널은 일반적으로 지반조건이 불량하거나 대단면 굴착이 불리할 경우에 적용된다. 중앙터널을 먼저 굴착한 후 중앙벽체를 설치하므로 상부 지반의 하중을 분산시키며, 소규모 단면으로 굴착함으로 굴착안정성 확보에 유리한 터널 구조물 형식이다. 2-Arch 터널의 안정성을 검증하기 위해 수행되는 지반안정성 검토에서도 이러한 일련의 시공단계를 고려하게 된다. 그러나 일부 시공현장에서는 시공장비 운용 및 공기 확보 등의 사유로 좌ㆍ우 확폭터널을 동시에 굴착하지 않고 막장간 일정 이격거리를 두고 편측 굴착을 시행하고 있다.
편측굴착에 따른 영향을 검토하기 위해 확폭터널을 동시굴착하는 경우와 편측굴착하는 경우에 대해 시공단계별 지반안정성을 수행하였다. 편측굴착은 강관다단 그라우팅을 2열 중첩 설치하는 조건(L=12.0 m, C.T.C 6 m)을 고려하여 좌ㆍ우 확폭터널 막장면의 최대이격거리를 6 m로 설정하고 좌측터널을 6 m 선행 굴착하고 우측터널을 후행 굴착하였다. 여기서, 해석조건은 암반Ⅴ등급, 토피고 30 m이다. Fig. 1 및 Table 1과 같이 동시굴착시 2-Arch 터널 내측으로 발생하는 중앙벽체의 수평변위가 매우 유사한 값을 나타내는 반면, 편측굴착시 후행으로 굴착된 우측터널에서 변위가 증가하는 것으로 나타났다. 이때 편측굴착시 발생한 최대 수평변위는 동시굴착 대비 약 25%가 증가하는 것으로 분석되었다. 지반조건 및 토피고 등 터널안정성에 불리한 조건에서는 편측굴착에 따른 최대 수평변위 발생영향이 보다 크게 작용할 것으로 판단되는 바, 상부 지반의 연직하중 뿐만아니라 편측 굴착에 따른 편압 영향을 고려하여야 할 것으로 사료된다.
Table 1.
Displacement of the central column due to tunnel excavation
| Sort | X-displacement | Z-displacement |
| Sequential Excavation | -1.80 ~ +1.74 | 11.74 |
| Asymmetric Excavation | -2.25 ~ +1.28 (△0.45, 25%) | 11.89 |
2.2 시공완료 조건만을 고려한 구조안정성 검토
중앙벽체의 구조안정성 검토시 Matsuda et al.(1997)가 제안한 이완하중을 작용하중으로 반영하고 있다(Fig. 2). Matsuda는 계측결과와 해석자료를 토대로 중앙벽체에 작용하는 하중을 식 (1), (2)와 같이 제안하였다. 여기서, 는 터널 폭, 는 토피고, 는 중앙벽체에 작용하는 하중의 폭으로 좌ㆍ우 확폭터널의 중심간 거리를 나타낸다. 제안식에서 볼 수 있듯이 확폭터널이 완공된 조건의 중심간 거리를 적용하고 있다. 즉, 실제 시공중 중앙벽체에 작용할 수 있는 편압 영향을 고려하지 않은 불안전측 설계가 수행되고 있는 실정이다.
앞서 수행된 지반안정성 검토 결과와 같이 시공중 편측굴착으로 인해 2-Arch 터널 중앙벽체에 수평거동이 증가하는 경향이 확인되었으나, 중앙벽체 구조안정성 평가시 편압 영향을 고려하지 않아 설계하중이 과소 적용될 수도 있을 것으로 우려된다. 따라서 본 연구에서는 중앙벽체 안정성 평가시 시공중 편측굴착에 따른 편압을 고려하여 안정성 평가방안을 제안하고자 하였다. 이를 위해 시공중 시공단계를 모사할 수 있는 지반안정성을 통해 중앙벽체의 편측굴착에 따른 거동을 분석하고 이를 연계한 구조안정성 검토방안을 모색하고자 하였다.
3. 시공단계별 지반안정성 검토를 통한 편압 영향 분석
3.1 지반안정성 검토개요
본 연구에서는 2-Arch 좌ㆍ우 확폭터널의 편측굴착시 발생되는 편압 영향을 분석하기 위해 선정된 매개변수에 따른 시공단계별 지반안정성 검토를 수행하였다. 이때, 도심지구간에 설치되는 2-Arch 정거장터널을 주요 대상으로 지반조건이 다소 불량하고 토피고가 작은 현황을 고려하여 매개변수를 4, 5등급의 암반등급과 10~30 m의 토피고로 선정하였다(Table 2). 2-Arch 터널단면은 Fig. 3과 같이 최근 서울지하철 O호선 설계사례를 참조하여 2-Arch 중앙벽체의 폭은 400 mm, 길이는 3.0 m, 설치간격은 5.5 m이며, 설계강도는 35 MPa를 적용하였다. 지반안정성 검토시 유한요소법(FEM) 해석프로그램인 MIDAS/GTS NX를 활용하였으며, 매개변수와 터널단면 등 검토제원을 토대로 Fig. 4와 같이 모델링을 수행하였다. 2-Arch 터널 시공단계는 중앙터널 굴착 및 지보재 설치가 완료된 후 중앙벽체를 설치하고 좌ㆍ우 확폭터널 굴착 및 지보재 설치를 수행하는 과정을 모사하였다. 이때, 좌측 확폭터널은 일반적인 강관다단 그라우팅의 2중첩 설치간격(L=12.0 m, C.T.C 6 m)을 고려하여 6 m 선행 굴착하고 우측 확폭터널을 후행 굴착하여 편측굴착을 모사하였다.
Table 2.
Parameters for rock mass grade and depth of cover
| Sort | Rock mass grade | Depth of cover |
| Parameters | Ⅳ, Ⅴ | 10 m, 20 m, 30 m |
3.2 편측굴착에 따른 편압 영향 분석
편측굴착에 따른 시공단계별 해석을 통해 2-Arch 터널의 편압 영향을 분석하고자 중앙벽체에 발생하는 변위를 분석하였다. Fig. 5는 중앙벽체가 설치되는 시점부터의 좌ㆍ우 확폭터널의 편측굴착에 의해 발생되는 최대 수평변위 및 최대 연직변위의 발생경향을 나타낸다. 중앙벽체에 발생되는 변위는 암반조건이 불량하고 토피고가 높을수록 증가하는 경향을 보였다. 암반조건이 양호하고 토피고가 작은 경우 편측굴착에 의한 수평변위는 0에 가까운 값을 보였으나, 암반조건이 불량하고 토피고가 높아질수록 연직변위와 수평변위가 크게 증가하였다. 또한 수평변위는 연직변위의 약 5~55% 수준으로 발생되어 비교적 영향이 적으나, 암반등급 및 토피고 등 안정성에 불리한 조건을 조우할 경우 수평변위가 중앙벽체 안정성에 미치는 영향이 급증하는 것으로 검토되었다.
Table 3과 Fig. 6과 같이 좌ㆍ우 확폭터널 굴착시 터널중심으로 변위가 집중됨에 따라 중앙벽체 상부에서는 연직변위가 발생하였다. 중앙벽체 상부에 발생한 연직변위는 중앙벽체 거더 형상에 따라 균등하게 분포하였다. 반면, 선행굴착된 좌측에서는 비교적 작은 수평변위가 발생하고 후행굴착된 우측에서는 좌측보다 큰 수평변위가 나타났다. 이는 좌ㆍ우 확폭터널의 편측굴착의 영향에 따른 변위차로 사료되며, 편측굴착으로 인해 중앙벽체에 편압이 작용하여 중앙벽체에 전반적인 수평변형을 유발시킬 수 있을 것으로 판단된다.
Table 3.
Maximum displacement of the central column
4. 편압 영향을 고려한 구조안정성 검토
4.1 구조안정성 검토개요
본 연구에서는 2-Arch 터널의 지반안정성 검토결과를 통해 중앙벽체에 발생하는 변위를 구조안정성 검토와 연계하여 시공중 편측굴착을 고려한 중앙벽체의 안정성을 검토하고자 하였다. 이를 위해 구조안정성 범용 프로그램인 MIDAS/CIVIL을 활용하여 지반안정성 검토를 통해 산정한 수평변위 및 회전변위를 중앙벽체에 추가적으로 부여하여 발생되는 부재력을 산정하였다(Fig. 7). 이때, 지점부는 축방향으로 경계조건을 고정하였고 바닥부는 지하구조물 연직방향 지반반력계수 산정식을 통해 지반물성치를 스프링계수로 변환하여 적용하였다.
편측굴착에 따른 중앙벽체 안정성을 분석하기 위해 당초 Matsuda의 제안식을 통한 이완하중만을 고려했을 경우와 지반안정성 검토를 통한 중앙벽체의 수평변위를 추가했을 경우에 대하여 중앙벽체의 단면력을 검토하였다. 이때, 불량한 지반에 국한된 Matsuda의 제안식을 양호한 암반에 적용할 수 있도록 Do et al.(2007)이 제안한 하중감소계수를 적용하여 이완하중을 보정하였다. 지반안정성 검토를 통해 산출된 중앙벽체의 최대 수평변위 및 회전변위를 구조안정성 적용시 중앙벽체에 강제부여하여 중앙벽체에 발생되는 부재력을 분석하였다. 본 검토시 적용된 이완하중 및 지반안정성 검토를 통해 선정된 중앙벽체 수평변위는 Table 4와 같다.
Table 4.
Load and displacement applied to the central column for structural stability analysis
4.2 편압 영향을 고려한 중앙벽체 안정성 평가
지반안정성 검토와의 연계를 통해 편압에 의한 중앙벽체의 구조안정성을 검토하였다. 먼저 이완하중만을 고려한 경우에 대하여 매개변수별 부재력을 산출하여 단면력을 검토하였다(Table 5). 이때, 단면력을 확보할 수 있도록 철근의 규격 및 간격을 조정하였다. 검토 결과, 암반등급이 불량하고 토피고가 증가할수록 부재력이 증가하나 적정한 철근량 적용시 모든 매개변수에서 단면력을 확보할 수 있는 것으로 검토되었다.
Table 5.
Section force for structural stability analysis (relaxed rock load)
지반안정성 검토와 연계한 편압 영향을 반영하여 구조안정성 검토를 수행하였다. Fig. 8은 편압 영향 고려시 중앙벽체에 발생하는 부재축별 모멘트 발생경향을 나타낸다. 당초 이완하중만을 적용한 경우 Z축 모멘트만이 발생하고 중앙벽체 횡방향으로의 모멘트인 Y축 모멘트는 발생되지 않았다. 그러나 편압 영향을 고려한 경우 중앙벽체의 횡변형으로 인해 Y축 모멘트가 발생되었으며 매개변수 조건이 불리할수록 모멘트가 증가하는 것으로 나타났다. Table 6은 편압 영향을 고려한 구조안정성 단면력 검토결과를 정리한 것이다. 축력과 Z축 모멘트는 이완하중만 적용한 경우와 유사하게 산출되었으나, 편압 영향으로 Y축 모멘트가 추가됨에 따라 Y축 모멘트에 대한 단면력 검토를 수행하였다. 이때, 철근배근 조건은 이완하중만을 고려한 경우와 동일하게 적용하였다.
Table 6.
Section force for structural stability analysis (relaxed rock load + uneven pressure)
편압으로 인해 발생되는 모멘트는 축방향이 변경됨에 따라 설계강도가 감소되어 중앙벽체의 안정성이 저하되는 것으로 확인되었다. 암반Ⅳ등급은 이완하중만을 고려한 경우와 동일한 철근량 적용시 모든 토피고에서 단면력을 확보하였으나, 암반Ⅴ등급은 토피고가 20 m 이상일 경우 설계강도를 초과하는 것으로 검토되었다. 이완하중을 고려한 철근보강계획을 수립하더라도 지반조건 및 토피고 등 편압 영향이 증가될 경우 단면력 확보를 위해 철근량 증대 및 중앙벽체 단면적 확대 등의 추가적인 안정성 확보가 필요할 것으로 사료된다.
이완하중에 의해 발생되는 중앙벽체의 모멘트는 편압영향을 고려한 경우보다 크게 발생하나 편압에 대한 설계강도가 감소하여 중앙벽체 안정성에 미치는 영향이 증가될 것으로 사료된다. 이에 따라 Table 7과 같이 이완하중과 편압영향에 의한 모멘트 비율인 편압영향계수(U.P.F)를 제안하며 이를 통해 편압의 영향을 간편하게 반영하여 편측굴착에 의한 중앙벽체의 안정성을 평가할 수 있을 것으로 판단된다. 다만, 본 연구에서 선정된 검토조건과의 유사성을 고려하여 제안된 편압영향계수를 적용해야할 것으로 사료된다.
Table 7.
Suggestions for Uneven Pressure Factor (U.P.F)
5. 결 론
최근 이슈화되고 있는 2-Arch 터널의 안정성 측면에서 당초 2-Arch 중앙벽체의 안정성 평가방법의 문제점을 지적하고 개선방안을 제안하고자 하였다. 중앙벽체 설계시 중앙벽체에 부여하는 이완하중은 완공단계 조건을 고려하여 연직하중으로만 작용시켜 구조안정성을 검토하나, 실제 시공시 편측굴착 영향에 따라 편압이 발생되어 수평방향으로의 하중 및 변형에 따른 영향을 고려할 필요성을 제기하였다. 본 연구에서는 편측굴착에 따른 영향을 분석하기 위해 암반등급 및 토피고에 따른 지반안정성 검토를 수행하였다. 암반등급이 불량하고 토피고가 높을수록 연직변위와 더불어 수평변위가 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 발생 수평변위는 연직변위 대비 약 5~55% 수준으로 나타났으며 편측굴착으로 인한 편압 작용이 발생한 것으로 사료된다.
편압 영향에 대한 구조안정성을 평가하기 위해 이완하중만을 고려한 경우와 강제변위하중을 활용하여 편압 영향을 고려한 경우에 대하여 중앙벽체의 단면력을 검토하였다. 이완하중만을 고려한 경우는 토피고가 높아질수록 중앙벽체의 부재력이 증가하나, 적정한 철근 배근시 설계강도 이내로 평가되어 단면력을 확보할 수 있었다. 한편 편압 영향을 고려한 경우는 이완하중만을 고려한 경우와 비교하여 축력 및 부재의 Z축 모멘트는 유사하게 발생하였으나, 중앙벽체의 횡방향에 대한 부재의 Y축 모멘트가 추가적으로 발생되었다. 이에 따라 이완하중만을 고려한 경우 검토된 철근량과 동일하게 적용하여 Y축에 대한 단면력을 검토하였다. 단면 검토 방향이 변경되어 설계강도가 감소되어 중앙벽체의 안정성이 저하되는 것으로 나타났다. 암반Ⅳ등급은 비교적 편압 영향이 미소하여 모든 토피고에서 단면력 확보가 가능하였다. 그러나 암반Ⅴ등급에서는 편압 영향이 토피고에 따라 급격하게 증가하여 토피고 20 m 이상에서 설계강도를 초과하는 부재력이 발생되었다. 따라서 이완하중만을 고려하여 단면력을 확보할 수 있는 철근보강계획을 수립하더라도 편압 영향이 큰 지반조건에서는 중앙벽체의 안정성이 저하될 수 있으므로 설계시 편압 영향을 고려한 중앙벽체 안정성 평가가 필요할 것으로 사료된다.
본 연구에서는 2-Arch 터널의 편측굴착이 중앙벽체 안정성에 미치는 영향을 확인하였다. 이에 따라 당초 연직하중만을 고려한 중앙벽체 안정성 평가시 편측굴착이 이뤄지는 일부 시공현장의 여건을 고려하지 않아 충분한 단면력을 확보하지 못할 수 있을 것으로 사료되는 바, 편측굴착 영향을 고려한 중앙벽체 안정성 평가가 수행되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 본 연구에서 제안한 편압영향계수(U.P.F)를 활용하여 편측굴착에 따른 편압 영향을 간편하게 반영한 안정성 평가를 수행할 수 있을 것으로 사료된다.
