Research Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. July 2020. 451-468
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2020.22.4.451


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. Pre-cutting 공법의 개요

  •   2.1 자유면(free surface)의 효과

  •   2.2 Pre-cutting 공법

  • 3. Pre-cutting 공법을 적용한 터널 확폭 수치해석

  •   3.1 수치해석 모델링

  •   3.2 수치해석 케이스

  • 4. 수치해석 결과 분석

  •   4.1 기존터널과 확폭터널의 거동 분석

  •   4.2 지반등급에 따른 최대변위 비교 분석

  • 5. 결 론

1. 서 론

단면이 작게 만들어진 노후화된 터널에서는 교통량의 증가에 의해 만성적인 정체현상이 발생하게 되며, 라이닝의 노후화 및 지반조건의 변형 등, 안정성 측면에서도 문제가 발생할 수 있다. 새로운 터널을 건설하는 것은 이를 해소하기 위한 하나의 방법이다. 하지만 도심지나 우회로를 이용할 수 없는 지역에서 신설터널을 건설하는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 기존의 터널을 확대하는 터널 확폭의 수요가 증가하고 있다. 이러한 수요의 증가에 따라 터널 확폭 시 기존터널에 미치는 영향 및 확폭터널의 거동을 분석하는 것은 필수적이라고 할 수 있다. 일반적으로 터널의 확폭 시 기존터널 외부를 굴착하는 경우뿐만 아니라 일반터널의 굴착에서도 발파공법이 많이 사용된다. 굴착을 위하여 발파를 진행할 경우, 계획했던 발파 설계선을 따라 정확한 굴착이 어려우며, 설계 단면보다 더 굴착이 되는 여굴이 발생하게 된다. 이러한 여굴부는 숏크리트를 타설하여 충전하게 되며 결과적으로 경제적 손실이 발생하게 된다. 또한, 발파를 수행할 경우 이로 인해 진동 및 소음이 발생하게 된다. 진동 및 소음은 주변 지반에 영향을 줄 뿐만 아니라 인근 지역에 영향을 미치며, 각종 민원의 원인이 된다. 따라서 이러한 영향을 최소화 할 수 있는 Pre-cutting 기술의 적용에 따른 분석 역시 동반되어야 한다.

Seo et al. (2008)은 1차로 터널을 2차로, 3차로, 4차로로 확폭하는 경우와 2차로 터널을 3차로, 4차로로 확폭하는 경우로 가정하여 연구를 진행하였으며, 기존터널의 단면이 클수록 확폭터널의 침하가 작게 발생하고 기존터널의 침하는 커지는 것을 확인하였다. Kim et al. (2008)은 연암지반의 강도특성을 4가지로 분류하여 1차로 터널을 3차로 터널로 편측 및 양측 확폭 시 터널의 거동분석을 수행하였으며, 확폭에 따른 지반의 거동은 점착력보다는 탄성계수에 크게 영향을 받는 것을 확인 하였다. Lee et al. (2013)은 2차원 수치해석을 통해 기존의 2차로 병설터널을 4차로 터널로 확폭하는 경우에 대하여 분석을 수행하였으며, 확폭의 형식보다는 필라폭이 필라의 안정성에 더 큰 영향을 미치며, 필라쪽을 향한 편측 확폭이 안정성 측면에서 가장 불리한 것을 확인하였다. Cha et al. (2016)은 초저심도에서 박스형 터널을 편측 확폭할 경우 지반침하의 거동을 분석하였으며, 확폭 시 규모나 지반 강성이 클수록 침하곡선의 중앙부에서 변곡점사이의 거리가 증가하는 것을 확인하였고, 이 부분에서는 내부마찰각보다 점착력의 영향이 큰 것을 확인하였다. You et al. (2017)은 대심도 복층터널에서 전체적인 터널의 확폭이 아닌, 부분적인 터널의 확폭에 대한 단면 및 보강방법에 대한 안정성을 비교분석 하기 위해 2차원 수치해석을 이용하여 민감도 분석을 수행하였으며, 아치형 확폭보다 박스형 확폭이 보다 양호한 안정성을 보여주는 것을 확인하였다. Lee et al. (2020a)은 기존에 운행 중인 지하철 터널에서 부본선을 확폭하는 건설방안에 대한 기초적인 연구를 수행하였다.

이처럼 국내의 터널 확폭에 관련된 선행연구들을 살펴보면 일반적인 굴착을 고려한 경우 또는 보강공법을 사용하여 확폭하는 경우에 대한 연구가 주를 이루고 있다. 따라서 본 연구에서는 핵심적인 기술인 Pre-cutting을 이용하여 확폭을 수행할 경우, 이에 따른 영향분석을 목표로 하여 연구를 수행 하였다. 지반등급 및 기존터널의 크기와 터널 확대 단면을 변수로 하여, 기존 및 확폭터널의 천단에서 발생하는 침하에 초점을 맞추어 분석을 수행 하였다.

2. Pre-cutting 공법의 개요

2.1 자유면(free surface)의 효과

발파에 의해 발생한 진동은 자유면(free surface)을 만나게 되면 이를 통과하여 전달되지 못하고 반사되어 돌아오게 된다(Richart et al., 1970; Santamarina et al., 2001). 스무스 블라스팅(smooth blasting), 라인드릴링(line drilling)과 같은 발파 공법들은 이러한 자유면을 이용한 대표적인 발파방법으로 볼 수 있다. 이러한 자유면의 효과 때문에 발파에서 자유면의 영향에 대한 다양한 연구가 수행되었다(Doo and Yang, 2001; Ki and Kim, 2002; Lee et al., 2012; Oh et al., 2018). 그러나 이러한 발파공법은 연속적인 자유면을 형성하지 못하여 발파에 의한 영향을 효과적으로 차단하지 못하는 단점을 가지고 있다.

Pre-cutting 공법은 기존 발파공법과 다르게 연속적인 자유면을 형성하여 보다 효과적으로 굴착에 의한 영향을 차단할 수 있다. Fig. 1은 일반적인 NATM 공법과 Pre-cutting 공법의 차이점을 보여준다. Pre-cutting에 의해 선행적으로 형성된 자유면에 의해 발파에 의해 발생한 영향이 자유면에서 반사되어 돌아가 주변 지반에의 영향을 최소화 할 수 있다.

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Fig. 1.

Comparison of NATM and pre-cutting

2.2 Pre-cutting 공법

Pre-cutting 공법은 1950년 최초로 도입되었으며(Walsum, 1991), 과거 80-90년대에 프랑스와 이탈리아에서는 약 30여개의 터널이 이 공법을 이용하여 시공되었다(Wang et al., 2018). 해외에서는 주로 굴착장비에 의한 Pre-cutting에 대한 연구가 진행 중이다(Wang et al., 2018; Khan et al., 2019; Zhang et al., 2020). 국내의 경우는 Waterjet을 이용하여 자유면을 형성하는 Pre-cutting에 대한 연구를 수행하였으며(Oh et al., 2012; 2013), Waterjet을 이용한 터널을 굴착하는 신공법을 제안하였다(Cho et al., 2016).

이러한 Pre-cutting 공법을 사용하여 터널을 확폭한 사례로는 이탈리아의 “Motedomini” 터널이 있다(Lunardi et al., 2014; 2016). “Motedomini” 터널의 확폭에서는 TWM (Tunnel Widening Machine)이 사용되었다(Fig. 2). 본 연구에서는 TWM을 확폭에 사용할 경우, 이에 따른 기존 및 확폭터널에 대한 거동 분석을 수행 하였다.

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Fig. 2.

TWM used for widening of “Motedomini” tunnel (Lunardi et al., 2014)

3. Pre-cutting 공법을 적용한 터널 확폭 수치해석

3.1 수치해석 모델링

본 연구에서는 Pre-cutting공법을 적용하여 터널의 확폭 시 지반등급에 따른 거동을 확인하기 위해 Table 1과 같이 지반등급을 달리하여 수치해석을 진행하였다. 터널 확폭에서 지반 거동은 점착력보다 지반의 탄성계수에 큰 영향을 받기 때문에 각 등급별로 탄성계수를 달리하여 두세가지의 지반조건을 고려하였으며, 등급별 점착력은 동일하게 설정하였다(Kim et al., 2008). 수치해석은 FEM 프로그램인 MIDAS GTS NX를 사용하였으며, 지반과 지보재는 각각 Mohr-Coulmb 모델과 Elastic 모델로 설정하였다.

Table 1.

Physical properties of ground according to classification (Park, 2012)

Class Unit weight
(kN/m3)
Elastic modulus
(MPa)
Poisson's ratio Cohesion
(kPa)
Friction angle
(deg.)
1 27 30,000 0.2 5,000 45
2 20,000
1 26 15,000 0.22 3,000 40
2 10,000
1 25 8,000 0.24 1,500 35
2 6,000
1 23 4,000 0.26 700 32
2 3,000
3 2,000
1 22 1,000 0.28 200 30
2 800
3 600
Weathered
rock
1 21 400 0.3 90 32
2 300
3 200

해석은 40 m의 기존터널을 확폭하는 경우에 대하여 수행하였으며, 기존터널의 지보재는 콘크리트 라이닝만을 고려하였고, 확폭터널은 숏크리트만을 고려하였다. 터널 확폭 시공은 1번의 굴진을 1-Cycle로 하여, 각각 3개의 Step으로 구성하였으며, 굴진장에 따라 20-Cycle과 40-Cycle로 수행하였다. 각 Cycle의 첫 번째 Step에서는 Pre-cutting을 수행하였고, 두 번째 Step에서는 숏크리트를 타설하였으며 마지막인 세 번째 Step에서는 기존터널의 라이닝 제거 및 굴착을 수행하였다. 해석에서 사용된 지보재의 물성치는 Table 2와 같으며 숏크리트와 기존터널 라이닝은 지반 등급과 상관없이 각각 5 cm와 40 cm로 설정하였다.

Table 2.

Physical properties of support

Material Unit weight (kN/m3) Elastic modulus (MPa) Poisson's ratio Thickness (cm)
Concrete 25 20,000 0.2 40
Soft shotcrete 24 5,000 0.2 5
Hard shotcrete 24 15,000 0.2 5

지반은 1차로 터널을 기준으로 토피고를 36 m로 하였고 경계조건의 영향을 최소화하기 위해 좌우측과 하단부의 지반경계를 4차로 터널의 직경의 5배 이상으로 설정하였다(Fig. 3). 터널의 크기와 상관없이 터널의 바닥부를 일정하게 설정하였으며, Pre-cutting의 두께 또한 모든 해석케이스에서 50 cm로 설정하였다.

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Fig. 3.

Modeling in numerical analysis

3.2 수치해석 케이스

기존터널이 각각 1차로, 2차로, 3차로일 경우를 고려하였으며, 최대 확폭터널을 4차로로 제한하여 수행하였다. 1차로에서 2차로, 3차로, 4차로로 확폭하는 경우와 2차로에서 3차로, 4차로로, 3차로에서 4차로로 확폭하는 경우에 대하여 해석을 수행하였으며, 각각의 터널의 재원은 Table 3과 같으며, 각각의 케이스별 굴착면적은 Table 4와 같다.

Table 3.

Tunnel specification according to the number of lanes (Seo et al., 2008)

Number of lanes R1 (m) R2 (m) A1 (deg.) A2 (deg.) http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2020-022-04/N0550220408/images/kta_22_04_08_T3.jpg
1-lane 3.9 2.7 60 70
2-lane 6.0 4.1 60 69.6
3-lane 8.3 5.3 60 55
4-lane 10.4 6.1 55 58.8
Table 4.

Excavation area along the enlarged lane

Number of lanes Expanding 1 lane (m2) Expanding 2 lanes (m2) Expanding 3 lanes (m2)
1-lane 31.11 72.81 117.14
2-lane 30.80 75.14 -
3-lane 30.94 - -

Ⅰ등급에서 Ⅳ등급지반에서는 굴진장을 2 m로, 풍화암 지반에서는 1 m로 설정하였으며, Ⅴ등급 암반에서는 굴진장에 따른 영향을 분석하기 위하여 1 m와 2 m 모두 수행하였다.

4. 수치해석 결과 분석

4.1 기존터널과 확폭터널의 거동 분석

4.1.1 Pre-cutting에 의한 터널 확폭 시 거동 분석

터널의 확폭이 진행됨에 따라 기존터널과 신설되는 확폭터널의 거동을 분석하기 위하여 각 터널의 천단침하를 이용하였다. 모든 케이스에서 확폭터널과 기존터널의 거동은 동일한 것으로 확인되었으며, 변위가 가장 크게 발생한 1차로에서 4차로로 확폭하는 경우를 대표로 선택하여 확폭터널과 기존터널의 거동을 확인하였다.

확폭터널의 천단침하의 경우, 총 연장이 40 m인 터널을 4 m 간격으로 지점을 나누어 시점부인 0 m에서 종점부인 40 m까지 총 11곳에서 각 Cycle마다 발생하는 천단침하를 추출하였다. Fig. 4는 Ⅲ등급지반의 기존 1차로 터널을 4차로로 확폭할 경우에 확폭터널의 각 지점에서 발생하는 천단침하를 보여준다. Fig. 4(b)에서 보이는 것처럼, 터널의 확폭이 20 m까지 진행 되었을 경우 0 m지점에서는 천단침하가 1.46 mm, 20 m지점에서는 0.57 mm 그리고 40 m 지점에서는 0.1 mm가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 터널의 확폭이 완료가 되면, 모든 지점에서 발생하는 천단침하가 1.79~1.84 mm로 거의 동일하게 수렴하는 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 4.

Crown settlement of enlarged tunnel in class Ⅲ

이처럼, 모든 지반조건과 확대차로에 상관없이 동일하게 터널의 확폭이 진행 중일 경우에는 시점부에서 가까운 지점의 천단침하가 먼 지점의 천단침하보다 크게 발생하였다. 그러나 터널의 확폭이 완료하게 되면 모든 지점의 천단침하는 일정한 값으로 수렴하는 것을 확인할 수 있었다.

기존터널의 경우 2 m 굴착을 수행한 1-Cycle에서부터 4 m 굴착이 수행될 때 마다 변화하는 천단침하를 추출하여 분석하였다. Fig. 5는 Ⅲ등급지반의 기존 1차로 터널에서 각 Cycle마다 변화하는 천단침하를 보여준다. 여기서, 가로축은 굴진면으로부터의 거리이며 Cycle의 수가 증가할수록 굴진면과 종점까지의 거리가 줄어들기 때문에 관측점이 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. Fig. 5에서 보이는 것처럼, 기존터널에서는 굴진면 전방 5 m 내에서 융기가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 융기는 지반등급 및 확대단면의 크기와 상관없이 발생한다. 이는 Fig. 6에서 확인할 수 있는 것처럼, 굴착부 바닥면의 융기에 의해 기존터널 라이닝이 밀려올라가는 현상에 의해 발생하는 것으로 판단된다. 또한 굴진면 전방 20 m 내외에서 천단침하가 수렴하는 것을 확인 할 수 있다. 굴착이 진행될수록 융기량이 점점 감소하여 침하로 이어지는 것을 확인 할 수 있으며, 지반등급이 낮아짐에 따라 침하량의 증가가 융기량의 증가보다 크게 나타난다.

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Fig. 5.

Crown settlement of existing tunnel in class Ⅲ

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Fig. 6.

Uplift of lining of existing tunnel

4.1.2 굴착길이에 따른 거동 분석

Pre cutting의 굴착길이에 따른 거동을 분석하기 위해 Ⅴ등급지반에서 굴착길이를 다르게 하여 총 연장 40 m의 터널을 확폭하는 경우에 대하여 수치해석을 수행하였다. 최대 굴착길이는 실제 시공에서 Pre-cutting의 두께와 시공성을 고려하여 2 m로 가정하였으며, 본 연구에서는 굴착길이를 1 m와 2 m에 대하여 분석을 수행 하였다.

Ⅴ등급(3)지반에서의 기존 1차로 터널을 확폭할 경우, 굴착길이에 따라 발생하는 확폭터널의 천단침하를 Fig. 7에서 확인할 수 있다. Fig. 7(a)와 Fig. 7(b)에서 보이는 것처럼, 0 m 지점에서 동일하게 굴착이 2 m진행 되었을 경우 발생하는 천단침하가 각각 1.63 mm와 1.36 mm가 발생하였고, 굴착이 20 m까지 진행됨에 따라 발생하는 천단침하는 각각 4.86 mm, 4.50 mm로 나타났다. 최종적으로 확폭이 완료되는 시점에서 천단침하는 두 경우 모두 동일하게 5.00 mm로 나타났다. 1차로를 3차로와 4차로로 확폭하는 경우에도 마찬가지로 최종적으로 발생하는 천단침하는 각각 10.30 mm와 14.70 mm로 동일하게 발생하는 것을 확인할 수 있다.

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Fig. 7.

Crown settlement of the enlarged tunnel according to excavation span in class Ⅴ(3)

굴진길이를 짧게 할수록 시공 중에 발생하는 확폭터널의 천단침하는 줄어드는 경향을 보였으나 그 크기는 매우 미세하였으며, 최종적으로 확폭이 완료된 후에 발생한 천단침하는 동일한 것으로 나타났다. 따라서 Pre-cutting의 굴착길이는 확폭터널의 거동에 변화를 주지 않는 것으로 판단된다.

확폭터널에서 발생하는 천단침하와는 달리 기존터널은 Pre-cutting의 굴착길이에 대한 영향이 다른 것을 확인 할 수 있었다. Fig. 8은 Ⅴ등급(3)지반에서 1차로 터널을 2차로, 3차로, 4차로로 확폭할 경우 발생하는 기존 1차로 터널의 천단침하를 보여준다. 1차로에서 2차로로 확폭하는 경우를 보게되면, 2 m의 굴진길이로 확폭을 수행할 경우 최대융기량과 최대침하량은 각각 0.45 mm와 0.41 mm로 나타났으며, 굴진장을 1 m로 수행할 경우 최대융기량은 0.02 mm, 최대침하량은 0.42 mm가 발생하는 것을 확인 할 수 있었다(Fig. 8(a), 8(b)). 1차로를 3차로와 4차로로 확폭하는 경우에서도 동일한 현상일 일어나는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 굴착길이를 짧게 하여 확폭을 수행할 경우, 기존터널에서 발생하는 천단부 융기 현상을 효과적으로 제어할 수 있으나, 침하량의 증가를 불러올 수 있는 것으로 판단된다.

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Fig. 8.

Crown settlement of the existing tunnel according to excavation span in class Ⅴ(3)

4.1.3 기존터널의 크기에 따른 거동 분석

기존 1차로, 2차로, 3차로 터널을 1개차로 확폭함에 따라 발생하는 천단침하를 이용하여 기존 및 확폭터널의 거동을 분석하였다. 확폭터널의 천단침하는 중간점인 20 m지점에서 굴착이 진행됨에 따라 발생하는 침하의 변화를 기존터널의 크기에 따라 비교하였으며, 기존터널의 경우는 각각의 크기별 기존터널의 1-Cycle부터 40-Cycle 중 1-Cycle, 20-Cycle, 38-Cycle에서 발생하는 천단침하를 비교하였다.

Ⅴ등급과 풍화암지반에서 기존터널을 1개 차로 확폭 시 발생하는 확폭터널의 천단침하를 Fig. 9에 나타내었다. Ⅴ등급 조건에서 확폭터널의 천단침하는 확폭이 완료된 거리가 20 m이전에서는 큰 차이를 보여주지 않지만, 20 m를 넘어가게 되면서 각 케이스별로 천단침하의 변화가 달라지는 것을 확인할 수 있다(Fig. 9(a), 9(c), 9(e)). 기존 1차로를 확폭하는 경우에서 천단침하가 발생경향이 가장 급격하게 변화하였고, 3차로를 확폭하는 경우가 가장 완만한 변화를 보여주었다. Table 4에서 확인할 수 있듯이 모든 경우에서 굴착단면은 거의 동일 하였으나, 최종적인 천단침하는 3차로를 확폭하는 경우가 가장 적게 발생하였고 1차로를 확폭하는 경우와 2차로를 확폭하는 경우에 발생하는 침하량은 거의 동일하였다. 이는 기존터널의 크기가 클수록 주변지반에 전해지는 굴착에 의한 영향이 넓은 범위로 분산되어 나타나기 때문인 것으로 판단된다. Ⅰ등급에서 Ⅳ등급조건에서도 Ⅴ등급조건과 동일한 거동을 보여주었지만, 풍화암조건에서 발생하는 확폭터널의 천단침하는 Fig. 9(b), 9(d), 9(f)에서 보이는 것처럼 다른 거동을 보여주었다. 1차로 터널을 확폭하는 경우에서 침하량이 가장 크게 발생하였고, 기존터널의 크기가 클수록 침하량이 적게 발생하는 것을 확인 할 수 있었다. 이를 통해 Ⅴ등급 이하의 지반에서는 지반거동이 탄성계수 외의 요인에서도 영향을 받는 것으로 판단된다.

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Fig. 9.

Crown settlement of the enlargement tunnel in class Ⅴ and weathered rock when expanding one lane

Ⅴ등급과 풍화암조건에서 발생하는 기존터널의 천단침하를 Fig. 10에 나타내었다. Fig. 10(a), 10(c), 10(e)에서 보이는 것처럼 Ⅴ등급지반에서는 지반의 탄성계수가 감소할수록 침하량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 기존터널의 크기와는 상관없이 1-Cycle에서는 거의 침하가 발생하지 않았다. 20-Cycle과 38-Cycle에서의 천단침하의 크기는 기존 2차로 터널을 확폭할 경우가 가장 크게 발생하였고, 1차로 터널을 확폭할 경우에서 가장 적게 발생하였다. Ⅰ등급에서 Ⅳ등급까지의 지반에서 모두 동일한 거동을 보여주었다. 하지만 Fig. 10(b), 10(d), 10(f)에서 보이는 것처럼 풍화암조건에서는 다른 거동을 보여주었다. 기존 2차로 터널을 확폭하는 경우에서는 지반의 탄성계수가 감소하더라도 침하량의 변화가 거의 없었으며, 이외의 경우에서는 탄성계수의 감소에따라 침하량이 감소하다 융기로 이어지는 모습을 확인할 수 있다.

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Fig. 10.

Crown settlement of the existing tunnel in class Ⅴ and weathered rock when expanding one lane

4.2 지반등급에 따른 최대변위 비교 분석

Ⅰ등급에서 풍화암에 이르는 지반조건에서, 각각의 확폭 케이스에 따른 기존 및 확폭 터널의 최대 천단침하를 비교하였다. 뿐만 아니라 굴착부 바닥면에서 발생하는 최대 융기량과 최대 천단침하를 비교하여 지반등급에 따른 거동을 분석하였다.

모든 확폭의 경우에서 발생하는 기존터널과 확폭터널의 최대 천단침하는 Fig. 11과 같다. 모든 확폭 케이스에서 지반의 탄성계수가 5,000 MPa 내외에서 기존터널의 천단침하와 확폭터널의 천단침하가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, Ⅲ등급 이상의 지반조건에서는 기존터널과 확대단면의 크기와 상관없이 안정하다고 할 수 있다.

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Fig. 11.

Maximum crown settlement of existing and enlarged tunnel by enlargement according to ground classification

지반의 탄성계수가 감소함에 따라 천단침하량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 풍화암조건에서 발생하는 천단침하는 Ⅰ등급에서 Ⅴ등급의 조건에서 발생하는 것과는 다른 거동을 보이는 것을 확인할 수 있으며, Fig. 11(d)에서 그 경향이 두드러지는 것을 볼 수 있다. 기존 3차로를 확폭하는 경우에는 Ⅴ등급 이하의 조건에서는 천단침하의 크기가 역전되는 것을 확인 할 수 있다(Fig. 11(f)). 이러한 현상들은 Ⅴ등급 이하의 지반조건에서는 탄성계수 이외의 요인이 천단침하 발생에 영향을 주기 때문에 발생하는 것으로 판단된다.

지반등급에 따라 터널 확폭 시 확폭터널의 천단에서 발생하는 최대 침하량과 굴착부에서 발생하는 최대 융기량를 Fig. 12에서 확인할 수 있다. 기존터널을 3차로로 확폭하는 Fig. 12(b)와 12(d)경우와 기존터널을 4차로로 확폭하는 Fig. 12(c), 12(e) 그리고 12(f)에서 확인할 수 있는 것처럼, 굴착부의 융기량은 굴착단면의 크기와는 상관없이 확폭터널의 크기에 따라 거의 동일하게 발생하는 것을 보여준다. 굴착부에서의 융기는 지반의 탄성계수가 10,000 MPa 이상의 조건에서는 발생하지 않았으나, 그 이하의 탄성계수를 가진 지반조건에서는 굴착부의 융기량이 확폭터널의 천단침하량보다 크게 발생하는 것을 볼 수 있다. 또한 지반의 탄성계수가 대략 2,000 MPa 전후로 굴착부의 융기가 급격하게 증가하는 것을 보여준다. 즉, Ⅳ등급 이상의 지반조건에서는 굴착부의 융기가 비교적 안정적이나, Ⅴ등급 이하의 지반조건에서는 굴착부의 융기로 인한 영향이 클 것으로 파악된다.

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Fig. 12.

Maximum crown and bottom displacement of enlarged tunnel by enlargement according to ground classification

그러나 Mohr-Coulmb 모델을 사용할 경우 특별한 경계조건을 사용하지 않게 되면 실제보다 과다하게 융기되는 현상이 나타기 때문에(Kim, 2006; Lee at el., 2020b), 보다 정확한 결과를 얻기 위해서는 Mohr-Coulmb뿐만 아니라 다양한 모델을 통한 종합적인 평가가 필요하다.

5. 결 론

본 연구의 목적은 터널 확폭에 있어서 Pre-cutting 공법을 적용할 경우, 지반 및 터널의 거동을 파악하는 것에 있다. 이를 위하여 지반등급과 기존 및 확폭터널을 변수로 하여 수치해석을 진행하였으며, 기존 및 확폭터널에서 발생하는 천단침하에 초점을 맞추어 각각의 터널과 지반의 거동을 분석하였다. 이에 따른 결론은 다음과 같다.

1. 확폭터널의 천단침하는 확폭이 진행됨에 따라 시점부에서 크게 발생하고 종점부로 갈수록 점차적으로 감소하는 추세를 보이나, 확폭이 완료 되면 모든 지점의 동일한 값으로 수렴하는 것을 확인하였다. 기존터널의 경우 굴진면 전방 5 m 내에서 융기가 발생하며, 이는 굴착부의 지반융기에 의해 기존 터널 라이닝이 밀려올라가는 효과 때문인 것으로 판단된다.

2. Pre-cutting의 굴착길이를 1 m와 2 m로 수행한 결과, 확폭터널의 천단침하는 굴착길이와 관계없이 일정하게 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 기존터널의 경우, 굴착길이가 짧을수록 천단에서의 융기를 방지하는데 효과적인 것으로 판단된다.

3. 터널 확폭에 있어 기존터널의 크기가 클수록 확폭터널의 천단침하가 작게 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 기존터널의 크기가 클수록 굴착에 의한 영향이 넓은 범위로 분산되어 주변지반으로 전해지기 때문에 나타나는 것이라 판단된다.

4. 지반의 탄성계수에 따른 각각의 최대 천단침하를 분석한 결과, Ⅳ등급 이하의 지반조건에서 기존 및 확폭터널의 천단침하가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 터널 확폭에 있어 Ⅲ등급 이상의 지반조건에서 비교적 안정한 것으로 판단할 수 있다.

5. Ⅲ등급 이하의 지반조건에서 기존 및 확폭터널에 발생하는 천단침하량보다 굴착부에서 발생하는 융기량이 더 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Mohr-Coulomb 모델의 한계에 의한 결과일 수 있기 때문에 보다 정확한 결과를 위해서는 추후의 연구에서 다양한 모델을 통한 검증이 필요하다.

6. 기존 및 확폭터널의 천단침하에 의한 거동을 분석한 결과, Ⅳ등급 이상의 지반조건에서 보여지는 거동은 동일하였다. 하지만 Ⅴ등급 미만의 지반조건에서는 상이한 거동을 보여주었다. 이는 Ⅴ등급 미만의 조건에서는 탄성계수 외의 요인이 지반거동에 영향을 주는 것으로 판단된다. 따라서 Ⅴ등급 이하의 조건에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

Acknowledgements

이 논문은 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2019R1A2C2003636).

저자 기여도

김한얼은 데이터 수집, 데이터 해석, 데이터 분석, 원고작성을 수행하였고, 남경민은 데이터 분석, 원고작성을 수행 하였고, 하상귀는 데이터 분석을 수행하였고, 유한규는 연구 개념 및 설계, 원고검토를 하였다.

References

1

Cha, Y.H., Cho, G.C., Hong, E.S. (2016), "The numerical study on the ground settlement behavior of box type tunnel enlargement", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 18, No. 1, pp. 83-94.

10.9711/KTAJ.2016.18.1.083
2

Cho, G.C., Joo, G.W., Oh, T.M., Hong, E.S. (2016), "New hydro-mechanical tunnel excavation method using an abrasive waterjet system", Japanese Geotechnical Society Special Publication, Vol. 4, No. 6, pp. 132-137.

10.3208/jgssp.v04.k06
3

Doo, J.K., Yang, H.S. (2001), "Effects of burden and free surface on the blast vibration", Explosives and Blasting, Vol. 19, No. 3, pp. 59-65.

4

Khan, B., Jamil, S.M., Jafri, T.H., Akhter, K. (2019), "Effects of different empirical tunnel design approaches on rock mass behaviour during tunnel widening", Heliyon, Vol. 5, No. 12, pp. 1-20.

10.1016/j.heliyon.2019.e0294431890942PMC6928273
5

Ki, K.C., Kim, I.J. (2002), "A study on the ground vibration of the front and the back direction of the free face in the bench blasting", Explosives and Blasting, Vol. 20, No. 2, pp. 21-31.

6

Kim, D.K. (2006), "Study on Mohr-Coulomb and Duncan-Chang models in tunnel analysis", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 7, No. 3, pp. 414-419.

7

Kim, W.K., Baek, K.H., Seo, K.W. (2008), "The behavior characteristics of a working tunnel by the type of enlargement and ground strength", Proceedings of the 2008 Convention of Korea Society of Civil Engineers, Vol. 2008, No. 10, Daejeon, pp. 4152-4155.

8

Lee, H.B., Koh, S.Y., Jun, J.H., Yoon, H.T., Yi, N.H., Choi, H.S. (2020a), "Fundamental study on enlargement method of existing subway tunnel during operation for sidetrack construction", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 22, No. 1, pp. 59-76.

9

Lee, J.H., Jin, H.S., An, J.S., Baek, Y., Yoon, H.S. (2020b), "A study on the suitability of the Mohr- Coulomb model for numerical analysis of ground excavation", The Journal of Engineering Geology, Vol. 30, No. 1, pp. 1-15.

10

Lee, K.K., Kim, G.S., Yang, K.J., Kang, D.W., Hur, W.H. (2012), "A study on movement of the free face during bench blasting", Explosives and Blasting, Vol. 30, No. 2, pp. 29-42.

11

Lee, M.H., Kim, B.J., Jang, Y.S., Yun, J.N., Park, H.G. (2013), "Behavior and pillar stability of enlarged existing parallel tunnels", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 15, No. 5, pp. 537-546.

10.9711/KTAJ.2013.15.5.537
12

Lunardi, G., Agresti, S., Basta, D. (2016), "The widening of the "Montedomini" A14 motorway tunnel in the presence of traffic", Proceedings of the ITA-AITES World Tunnel Congress 2016 (WTC 2016), San Francisco, pp. 1-10.

13

Lunardi, G., Belfiore, A., Selleri, A., Trapasso, R. (2014), "Widening the "Montedomini" tunnel in the presence of traffic: the evolution of the "Nazzano" method", Proceedings of the ITA-AITES World Tunnel Congress 2014 (WTC 2014), Foz do Iguaçu, pp. 1-10.

14

Oh, S.W., Min, G.J., Park, S.W., Park, H., Noh, Y.S., Suk, C.G., Cho, S.H. (2018), "A study on the effect of artificial cutting slot on the fragmentation and vibration propagation in the full-scaled concrete block blasting", Tunnel and Underground Space, Vol. 28, No. 6, pp. 692-705.

15

Oh, T.M., Cho, G.C., Ji, I.T. (2013), "Effects of free surface using waterjet cutting for rock blasting excavation", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 15, No. 1, pp. 49-57.

10.9711/KTAJ.2013.15.1.049
16

Oh, T.M., Joo, G.W., Cho, G.C., Ji, I.T., Jeong, S.Y. (2012), "Vibration reduced rock excavation using waterjet technology", Proceedings of the 2012 World Congress on Advances in Civil, Environmental, and Materials Research (ACEM' 12), Soeul, pp. 3318-3323.

17

Park, J.J. (2012), Analysis of tunnel loads by considering different soil conditions, Master Thesis, Yonsei University, pp. 38-39.

18

Richart, F.E., Woods, R.E., Hall, J.R. (1970), Vibration of Soils and Foundations, Prentice-Hall, New Jersey, pp. 247-262.

19

Santamarina, J.C., Klein, K.A., Fam, M.A. (2001), Soils and Waves, John Wiley & Sons, New York, pp. 195-200.

20

Seo, K.W., Baek, K.H., Kim, W.K. (2008), "A study on the ground behavior by the enlarged tunnel area", Proceedings of the 2008 Convention of Korea Society of Civil Engineers, Vol. 2008, No. 10, Daejeon, pp. 4180-4183.

21

Walsum, E.V. (1991), "Mechanical pre-cutting, a rediscovered tunneling technique", Rock Mechanics and Rock Engineering, Vol. 24, No. 2, pp. 65-79.

10.1007/BF01032499
22

Wang, T., Wang, X., Tan, Z., Li, K., He, M. (2018), "Studies on ground settlement and pre-arching stress of pre-cutting tunnelling method", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 82, pp. 199-210.

10.1016/j.tust.2018.08.021
23

You, K.H., Jin, S.H., Kim, Y.J. (2017), "A stability study of deep and double-deck tunnels considering shape and reinforcing method of an enlarged section by using numerical analyses", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 19, No. 1, pp. 41-56.

10.9711/KTAJ.2017.19.1.041
24

Zhang, X., Li, J., Xia, Y., Lin, L., Li, M., Chen, L. (2020), "Cutting characteristics and layout of pre-cutting machine cutter", Periodica Polytechnica Civil Engineering, Vol. 64, No. 1, pp. 188-197.

10.3311/PPci.15339
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