Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association ISSN:2233-8292(Print) 2287-4747(Online) 한국터널지하공간학회 논문집

본 연구는 대심도 수직구 시공 시 불가피하게 발생하는 수직도 오차(Inclination)가 다양한 공학적 특성을 가진 층상 지반의 구조적 안정성에 미치는 역학적 영향을 규명하는 데 목적이 있다. 일반적으로 원형 수직구는 기하학적 대칭성을 바탕으로 한 응력 아칭 효과(Stress Arching Effect)를 통해 안정성을 확보하도록 설계되지만, 실제 현장에서는 천공 장비의 기계적 한계, 지중 불연속면의 비대칭 분포 및 지반의 불균질성으로 인해 설계치를 상회하는 경사가 발생하곤 한다. 본 연구에서는 3차원 개별요소법(Three-Dimensional Distinct Element Method, 3DEC)을 활용하여 수직구의 경사도(0°, 5°, 10°, 15°)가 풍화암, 연암, 경암층이 적층된 복합 지층 지반에 미치는 영향을 수치해석적으로 분석하였다. 분석 결과, 경사도가 증가함에 따라 대칭적 응력 상태가 파괴되어 특정 지층 경계면(Interface)에서 전단 응력 집중이 가속화되며, 특히 강성이 낮은 상부 풍화암 구간에서 변위 증폭률이 수직 상태 대비 최대 210%에 달하는 것으로 나타났다. 또한, 지보재인 록볼트와 숏크리트의 부하가 경사 방향에 따라 비대칭적으로 작용하여 특정 구간에서 지보 능력이 상실될 위험을 확인하였다. 본 연구의 결과는 향후 대심도 수직구 설계 시 시공 오차를 고려한 지층별 차등 보강 설계 및 위험 지층 구간 선정의 공학적 근거로 활용될 수 있다.

본 연구는 스퀴징 조건의 단층 파쇄대 구간을 통과하는 철도 터널에서 장기 노반 융기를 정량적으로 평가하기 위한 수치해석 프레임워크를 제안하였다. 시간 의존적 크리프를 모사하기 위해 FLAC3D 기반의 Burgers-Mohr 점탄소성 모델을 적용하였으며, 차분진화(Differential Evolution, DE) 역해석을 통해 유동학적 매개변수를 보정하였다. 역해석 보정 타겟의 구성을 위해 대상 현장의 실측 계측값을 선형 외삽하여 합성 시계열 곡선을 생성하였으며, 이러한 방법론적 가정은 유사 스퀴징 터널의 장기 관측 데이터에 의해 경험적으로 정당화된다. 20년 장기 수치해석 결과, 무보강 조건에서 노반 융기량이 수렴 없이 30.87 mm까지 증가하여 궤도 안정성을 위협하는 것으로 나타났다. 마이크로파일 보강 적용 결과, 융기 속도가 84.7% 저감되었으며, 20년 최종 융기량은 22.50 mm로 억제되어 27.1%의 저감 효과가 확인되었다. 나아가 40개의 Sobol 표본 시나리오를 활용한 다목적 파레토 최적화를 통해, 파일 길이 14.5 m, 종방향 간격 2.0 m, 굴착 후 2년 차 시공 조건을 최적 설계안으로 도출하였으며, 해당 설계안은 비용지수 0.46 수준에서 42.1%의 융기 저감 효과를 달성하였다. 본 프레임워크는 스퀴징 터널에서의 마이크로파일 설계를 위한 정량적이고 경제적으로 합리적인 근거를 제시한다.

토사지반에서의 터널은 천장부에 대한 사전보강에도 불구하고 상반 굴착 및 하반 굴착의 초기 단계에서 숏크리트 단부의 지지력이 부족하면 단부의 침하가 발생할 수 있다. 이러한 침하는 터널 변상으로 이어지며, 심한 경우 터널 붕괴를 초래하여 인명 및 재산 피해를 유발할 수 있다. 따라서 숏크리트 단부의 지지력 확보를 위한 보강설계가 필요하나, 설계실무에 직접 적용할 수 있는 구체적인 설계방법은 아직 충분히 제시되어 있지 않은 실정이다. 이에 본 연구에서는 토사터널 숏크리트 단부 보강을 위한 간편 설계방법을 제안하였다. 제안된 방법은 설계하중 산정, 숏크리트 단부의 확폭에 따른 지지력 평가, 그리고 leg pile 보강을 위한 허용 하중 산정 절차로 구성하였다. 또한 터널 토피고에 따른 이완하중 산정 방법을 수치해석과 비교하였으며, pile 천공경과 지반조건 등의 변수에 대한 민감도 분석을 수행하여 각 인자가 leg pile 설계에 미치는 영향을 검토하였다. 본 연구에서 제안한 설계방법은 일부 가정과 불확실성을 포함하므로, 향후 수치해석 또는 현장시험 등을 통한 추가 검증이 필요하다. 하지만, 보수적인 접근 방법을 적용함으로써 설계상의 불확실성을 일정 부분 줄인 것으로 판단되며, 제안한 간편 설계방법은 토사터널 숏크리트 단부 보강설계 실무에 활용할 수 있는 수식을 체계적으로 정리하였다는 점에서 의의가 있다고 사료된다.