1. 서 론
2. 세그먼트 라이닝 구조 안정성 검토 방안 제안
2.1 문제점 분석
2.2 세그먼트 라이닝 구조 안정성 검토항목 제안
3. 세그먼트 라이닝 해석
3.1 현황분석
3.2 세그먼트 라이닝 단면, 제원 및 모델링
3.3 작용하중
4. 세그먼트 라이닝 11단계 구조 안정성 검토
4.1 세그먼트 탈형 검토
4.2 세그먼트 적재 검토
4.3 세그먼트 운반 검토
4.4 세그먼트 조립 검토
4.5 TBM 잭 추력 검토
4.6 뒤채움 주입압
4.7 국부적 뒤채움 주입압 검토
4.8 주요구간 안정성 검토
4.9 조인트버스팅 검토
4.10 장기변형 검토
4.11 기타 검토
4.12 세그먼트 11단계 검토결과 요약
5. 결 론
1. 서 론
최근 도심지 지하공간의 포화로 인해 풍화된 지반이나 하천 하부를 통과하는 터널 계획이 증가하고 있다. 이에 따라 도심 내 기존 구조물의 안정성을 확보하기 위해 기계화 시공이 점점 더 많이 적용되고 있다. 그중에서도 쉴드 TBM 굴착공법은 주변 구조물에 미치는 영향을 최소화할 뿐만 아니라, 세그먼트 라이닝을 활용한 비배수 터널 방식을 적용하여 하천의 자연환경을 보존하면서 하천 하부를 안전하게 통과할 수 있다는 장점이 있어 최근 설계에 활발히 도입되고 있다.
그러나 쉴드 TBM 굴착공법은 기계 굴착과 동시에 숏크리트 등의 임시 지보재 없이, 사전에 제작된 세그먼트 라이닝을 영구 지보재로 적용하는 방식이므로 기존의 현장타설라이닝과 시공 과정 및 적용 하중 등에서 많은 차이가 있다.
따라서 이를 안전하게 적용하기 위해서는 별도의 안정성 검토가 필수적이다. 이에 본 연구에서는 세그먼트 라이닝의 시공 과정 및 하중을 고려하여 필요한 구조 검토 항목을 분류하고, 수치해석을 활용한 안정성 검토를 수행하여 TBM 굴착공법의 안정성을 검증하는 방안을 제시하고자 한다.
2. 세그먼트 라이닝 구조 안정성 검토 방안 제안
2.1 문제점 분석
세그먼트 라이닝은 현장이나 공장에서 사전에 제작된 프리캐스트 라이닝을 조립·설치하는 구조물로, 주로 쉴드 TBM 터널에 적용된다. 터널 외부에서 제작되는 세그먼트 라이닝은 터널 내부에서 직접 타설되는 일반적인 현장타설라이닝과 달리 제작, 적재, 운반, 조립 등의 과정을 거치게 되며, 이 과정에서 세그먼트에 파손이나 균열이 발생할 가능성이 있다(Fig. 1). 또한, 쉴드 TBM 공법의 특성상 발생하는 뒤채움 주입압, 세그먼트 연결부에 작용하는 축력 등으로 인해 기존 NATM 터널에 비해 다양한 안정성 검토가 필수적이다.
그러나 국내 설계 기준에서는 제작, 운반 및 이동, 시공, 운용 단계에서의 하중을 고려하도록 명시하고 있을 뿐, 세그먼트 라이닝의 안정성 검토 항목이 구체적으로 제시되지 않았다. 이에 따라 현재 국내에서는 기존의 선행 연구에서 검토된 항목을 기준으로 안정성을 평가하는 실정이다(Table 1). 쉴드 TBM 터널의 안정성을 확보하기 위해서는 국내 설계 기준에 세그먼트 라이닝 구조 안정성 검토 사항을 명확하게 규정하고, 이를 바탕으로 체계적인 안정성 검토를 수행할 필요가 있다고 판단된다.
Table 1.
Segment structure analysis design standard
| Category | Content |
| KDS 27 40 10 (2023) |
4. Design 4.2 Structural Analysis (4) The load applied to the segment lining should be calculated by considering the loads applied during the manufacturing, transportation, and movement stages, the loads applied during the construction stage, the loads applied during the operation stage, and other loads, and the seismic loads applied during the seismic design. It should be designed to withstand repeated vibrations caused by vehicle operation. (5) According to the on-site storage plan of the segment, the structural stability of the segment during storage should be reviewed. |
| KR C-12045 (2024) |
4. Design 4.2 Structural Analysis (1) Follow KDS 27 40 10(4.2). |
2.2 세그먼트 라이닝 구조 안정성 검토항목 제안
국외의 경우 세그먼트 구조 안정성을 체계적으로 검토할 수 있도록 국제터널공학회(ITA, 2019)에서 제시한 설계 가이드라인을 통해, 세그먼트 설계 시 필요한 검토 항목을 제작 및 임시 단계, 시공 단계, 운영 단계로 구분하고 임시 및 영구 하중을 평가하도록 규정하고 있다. 이를 참고하여, 본 연구에서는 쉴드 TBM의 시공 과정을 반영하여 총 11단계의 세그먼트 라이닝 구조 안정성 검토항목을 제안하였다(Table 2).
Table 2.
Segment 11-step structural stability review
본 연구에서 제안하는 세그먼트 라이닝 구조 안정성 검토항목은 다음과 같다. 1단계 세그먼트를 강재거푸집에서 탈형하는 과정의 동하중을 고려한 세그먼트 탈형 검토, 2단계 세그먼트 제작 후 야적장에 세그먼트 1링(8EA)을 겹겹이 적치하는 과정의 하중을 고려한 세그먼트 적재 검토, 3단계 세그먼트 차량 운반 시 동하중을 고려한 세그먼트 운반 검토, 4단계 세그먼트 리프팅 장비를 이용하여 조립 시 진동하중을 고려한 세그먼트 조립 검토, 5단계 세그먼트 링 조립 후 TBM 발진 시 잭추력을 고려한 TBM 잭 추력 검토, 6단계 세그먼트 배면 원형공간에 그라우트 주입 시 균일 주입압을 고려한 뒤채움 주입압 검토, 7단계 국부적 빈 공간에 2차 그라우트 주입 시 불균일 주입압을 고려한 국부적 뒤채움 주입압 검토, 8단계 지반 및 수위 등 다양한 하중조건을 고려한 주요구간 안정성 검토, 9단계 조인트에 작용되는 축력을 고려한 조인트버스팅 검토, 10단계 세그먼트의 장기적인 변형 및 뒤틀림을 고려한 장기변형 검토, 11단계 지진하중·내화·내구성·TBM 받침대·TBM 반력대 등의 기타 검토 등 총 11단계로 구분하여 세그먼트 라이닝의 구조적 안정성을 종합적으로 평가하고자 하였다.
3. 세그먼트 라이닝 해석
3.1 현황분석
세그먼트 라이닝의 11단계 구조 안정성 검토를 수행하기 위해 쉴드 TBM 공법이 적용된 ○○철도터널을 검토 구간으로 선정하였다. 해당 터널은 저토피 토사 구간, 하천 통과 구간, 대심도 토사 구간, 정거장 하부통과 구간 등 다양한 지반 조건을 포함하며, 도심지 구조물과 근접한 구간이 많아 쉴드 TBM 공법이 계획된 터널이다(Fig. 2). 본 연구에서는 다양한 조건의 주요 구간을 포함한 세그먼트 라이닝 11단계 구조 안정성 검토를 통해 터널의 안정성을 검증하고자 하였다.
3.2 세그먼트 라이닝 단면, 제원 및 모델링
앞서 분석한 터널 구간에 적용된 세그먼트 라이닝 단면은 Fig. 3과 같다. 세그먼트 라이닝의 외경은 8.65 m, 두께는 0.35 m, 종방향 길이는 1.8 m이며, 설계강도는 60 MPa이다. 키 세그먼트(Key Segment)로 인해 불균등 분할 방식이 적용되었으며, 한 링당 총 세 가지 종류의 세그먼트가 각각 1개, 2개, 5개로 구성되었다. 또한, 세그먼트 이음 및 링 간 이음을 수치해석으로 표현하기 위해 2링 빔-스프링 모델을 적용하였으며, 이때 세그먼트 이음에는 회전 스프링, 링 이음에는 전단 스프링을 적용하였다(Fig. 4).
3.3 작용하중
해당 구간에서 고려해야 할 작용하중은 자중, 이완하중, 수압, 활하중, 전차선 하중의 총 5가지이다. 기본적으로 프로그램에서 자동 계산되는 자중을 활용하여, 부재의 자중을 콘크리트 라이닝 설계 시 외력으로 적용하였다. 검토 대상 구간은 전반적으로 지반 조건이 불량하며, 풍화토부터 퇴적층까지 다양한 지층이 분포하고 있어 전토피 하중을 이완하중으로 적용하였다. 수압의 경우, 쉴드 TBM 터널이 비배수 터널임을 고려하여 지하안전영향평가에서 산정된 지하수위 상승고 3.1 m를 반영한 전수압을 적용하였다. 활하중은 KRL-2012 표준 열차하중을 바탕으로 여객·화물 혼용선의 열차하중을 적용하였으며, 전차선 하중은 KR C-12040 콘크리트 라이닝 기준을 따른 값을 사용하였다. 하중조합은 Table 3과 같다.
4. 세그먼트 라이닝 11단계 구조 안정성 검토
4.1 세그먼트 탈형 검토
세그먼트 탈형 강도와 세그먼트 인양기계의 진동조건을 고려하여 세그먼트를 몰드에서 탈형시 발생할 수 있는 균열을 검토하였다. 세그먼트 탈형 해석결과는 Fig. 5 및 Table 4와 같으며, 검토결과 모든 유형의 세그먼트들이 안전율 6 이상을 확보하여 구조적으로 안정한 것으로 판단되었다.
Table 4.
Segment stripping review results
4.2 세그먼트 적재 검토
세그먼트 적재 시, 침목 내·외측 100 mm 이격 조건을 적용하여 1링(세그먼트 8개)에 대한 하중을 고려한 안정성 검토를 수행하였다. 세그먼트 적재 해석 결과는 Fig. 6 및 Table 5와 같으며, 검토결과 모든 유형의 세그먼트가 안전율 10 이상을 확보하여 구조적으로 안정한 것으로 판단되었다.
Table 5.
Segment storage review results
4.3 세그먼트 운반 검토
세그먼트를 차량에 적치하여 운반하는 과정에서 발생할 수 있는 편심을 고려하여 동하중을 적용한 안정성 검토를 수행하였다. 세그먼트 운반 해석 결과는 Fig. 7 및 Table 6과 같으며, 검토결과 모든 유형의 세그먼트가 안전율 8 이상을 확보하여 구조적으로 안정한 것으로 판단되었다.
Table 6.
Segment transportation review results
4.4 세그먼트 조립 검토
세그먼트를 차량에 적치하여 운반하는 과정에서 발생할 수 있는 편심을 고려하여 동하중을 적용한 안정성 검토를 수행하였다. 세그먼트 운반 해석 결과 Fig. 8, Table 7과 같으며, 검토결과 모든 유형의 세그먼트가 안전율 6 이상을 확보하여 구조적으로 안정한 것으로 판단되었다.
Table 7.
Segment handling review results
4.5 TBM 잭 추력 검토
쉴드 TBM 추진 시 발생하는 추력이 세그먼트에 국부적으로 압력을 가하는 조건을 고려하여 할렬파괴 안정성 검토를 수행하였다. 이때 허용압축강도는 0.4fck 로 24 MPa이며, 허용쪼갬인장강도는 로 3.41 MPa이다. 세그먼트 조립 해석결과는 Fig. 9, Table 8과 같으며, 모든 조건에서 안전율이 1.3 이상으로 나타나 구조적으로 안정한 것으로 판단되었다.
Table 8.
Segment thrust jack forces review results
| Category | Compressive stress | Tensile stress | Safety factor | Results |
| TBM thrust jack forces | 12.08 MPa ＜ 24.0 MPa | 2.48 MPa ＜ 3.41 MPa | 1.38 | O.K |
4.6 뒤채움 주입압
세그먼트 설치 후, 굴착면과 세그먼트 배면 사이에 뒤채움재가 충진되는 조건을 고려하여 그라우트 균질 주입압에 대한 안정성 검토를 수행하였다. 뒤채움 주입압 해석결과는 Fig. 10. Table 9와 같으며, 검토 결과 주입압이 700 kPa 이하로 관리될 경우 안정성이 확보될 것으로 판단되었다.
Table 9.
Back-grouting pressure review results
4.7 국부적 뒤채움 주입압 검토
세그먼트 설치 후, 굴착면과 세그먼트 배면 사이에 뒤채움재가 충진되는 조건을 고려하여 그라우트 불균질 주입압에 대한 안정성 검토를 수행하였다. 뒤채움 주입압 해석결과는 Fig. 11. Table 10과 같으며, 검토 결과 주입압이 600 kPa 이하로 관리될 경우 안정성이 확보될 것으로 판단되었다.
Table 10.
Localized back-grouting pressure review results
4.8 주요구간 안정성 검토
주요구간 세그먼트 라이닝 안정성 검토는 저토피 토사 구간, 하천 통과 구간, 대심도 토사 구간, 정거장 통과 구간과 같이 지반조건이 불량하거나 지장물 하부를 통과하는 곳을 선정하여 수행하였다. 주요구간 안정성 검토 해석결과는 Fig. 12, Table 11과 같으며, 4개의 구간 모두 기준치 이내로 파악되어 안정한 것으로 판단되었다.
Table 11.
Main zone review results
4.9 조인트버스팅 검토
세그먼트 접속부의 그루브, 시공오차 및 변위발생으로 인한 편심하중을 고려하여 할렬파괴에 대한 안정성 검토를 수행하였다. 이때 허용압축강도는 0.4fck 로 24 MPa이며, 허용쪼갬인장강도는 로 3.41 MPa이다. 세그먼트 조립 해석결과는 Fig. 13, Table 12과 같으며, 조인트버스팅 안전율은 3 이상으로 구조적 안정성이 확보된 것으로 판단되었다.
Table 12.
Joint bursting review results
| Category | Compressive stress | Tensile stress | Safety factor | Results |
| Joint bursting | 5.57 MPa ＜ 24.0 MPa | 1.07 MPa ＜ 3.41 MPa | 3.19 | O.K |
4.10 장기변형 검토
불량한 지반 구간에 대해 탄성보 이론을 활용하여 최대 모멘트를 산정하고, 이를 바탕으로 장기 변형에 대한 안정성 검토를 수행하였다. 탄성보이론을 통한 라이닝 변형 발생시 최대 휨모멘트 산정 식은 을 활용하였다(Géotechnique, 1961).여기서 E는 세그먼트의 탄성계수이며, 는 조인트를 고려한 세그먼트의 유효 단면2차모멘트, 는 변형 발생 거리, r은 세그먼트의 반지름을 의미한다. 검토결과는 Table 13과 같으며, 모든 조건에서 안전율이 2 이상으로 구조적 안정성이 확보된 것으로 판단되었다.
Table 13.
Loads induced due to additional distortion review results
4.11 기타 검토
쉴드 TBM 공법을 적용하고 세그먼트 라이닝을 설치하기 위해서는 TBM 장비의 굴진을 위한 받침대와 반력대의 검토가 필수적이다. 받침대는 장비 하중을 고려해야 하며, 반력대는 장비의 작용력을 반영한 검토가 필요하다. 해석결과는 Fig. 14, Table 14와 같으며, 검토결과 받침대와 반력대의 안전율은 2 이상으로 구조적으로 안정한 것으로 판단되었다.
Table 14.
Prop and reaction prop review results
세그먼트 라이닝의 기타 검토에는 받침대 및 반력대 외에도, 일반적으로 콘크리트 라이닝에서 수행되는 내진, 내화, 내구성, 염해, 탄산화 등의 해석이 필수적인 요소로 포함된다. 이러한 검토 과정은 콘크리트라이닝 해석과 큰 차이가 없으며, 따라서 동일한 방식으로 구조 안정성 검토를 수행할 필요가 있다.
4.12 세그먼트 11단계 검토결과 요약
세그먼트 11단계 검토결과 안정성 확보가 되었으며 안전율은 Table 15와 같다. 제작 단계는 모두 안전율 6이상으로 안정성이 확보되었고, 시공단계의 잭추력은 안전율 1.38로 안정성이 확보되었다. 뒤채움 주입압 및 국부적 주입압은 주입압이 600 kPa일 경우 모두 안정성 확보가 가능하였으며, 운영 단계는 모두 안전율 1이상으로 안정성이 확보되었다.
Table 15.
Segment 11-step structural stability review
5. 결 론
세그먼트 라이닝은 사전에 제작된 프리캐스트 라이닝을 조립하여 설치하는 방식이므로, 기존의 현장타설라이닝과는 달리 제작, 적재, 운반, 조립 등의 과정에 대해 별도의 구조 검토가 필요하다. 그러나 국내 설계기준에서는 세그먼트 라이닝의 안정성 검토 항목이 명확하게 제시되지 않아 설계 과정에서 혼선이 발생할 우려가 있다. 국내에서 쉴드TBM 공법이 적용된 설계성과품을 살펴보면 실제로 파손이 가능하여 안정성 검토가 필요한 단계를 누락하고, 주로 세그먼트 적재, TBM 잭 추력, 주요구간 안정성 검토 등에 대한 검토만 이루어져 시공 및 운영단계에 대한 안정성이 미확보된 경우가 발생한다.
본 연구에서는 국제터널공학회(ITA, 2019)에서 제시한 세그먼트 라이닝 검토 항목을 참고하여, 11단계 구조 안정성 검토 항목을 제안하였다. 이 항목들은 탈형, 적재, 운반, 조립, 잭 추력, 뒤채움 주입압, 국부적 뒤채움 주입압, 주요 구간, 조인트 버스팅, 장기 변형, 기타로 분류되며, 세그먼트 라이닝 제작 단계부터 시공 후 운영 단계까지 모두 고려되었다. 이로 인해 기존의 세그먼트 파손 및 균열 가능성이 저감되고, 터널 안정성을 개선할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서 제시한 11단계 구조 안정성 검토 항목이 국내 설계에 반영되어 세그먼트 라이닝이 적용된 터널의 안정성이 향상될 것으로 기대된다.
