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

장대 터널 공사에서 예정된 공기를 준수하기 위해서는 복수의 막장을 동시에 굴착하는 다점 분할 시공이 필수적이며, 이는 각 작업면과 연결된 임시 사갱(Access Tunnel)의 건설을 동반한다. 본 프로젝트에서는 기존에 계획된 사갱만으로는 공기 준수가 어렵다고 판단되어, 시공 속도 향상을 위한 추가 임시 우회터널(Bypass Tunnel)을 설계하였다. 시공이 이미 진행 중인 상황임을 고려하여, 기존 설계 데이터를 최대한 활용함으로써 단기간 내에 신뢰성 있는 설계 방법론을 수립하는 것을 목적으로 하였다. 특히 터널 교차부의 구조적 안정성 확보를 최우선 과제로 삼았다. 복잡하고 시간이 많이 소요되는 3차원 수치해석 과정을 최적화하기 위해, 기존의 교차부 설계 데이터와 3차원 경계요소해석(BEM)을 병용하여 신속한 안정성 검토를 수행하였다. 분석 결과의 타당성을 검증하기 위해 한계 변형률(Critical Strain) 접근법을 적용하여 각 지보 패턴별 안정성을 평가하였으며, 공사 완료 후 환경 영향을 최소화하기 위한 효율적인 임시 터널 복구 방안을 제안하였다.

본 연구는 터널 강관 보강 그라우팅 시공 시, 지반의 불균질성으로 인해 실제 주입되는 그라우트 양이 m별로 다르다는 점에 착안하여, 주입량을 정밀하게 예측 및 평가할 수 있는 새로운 알고리즘 모델을 제안하였다. 이에 본 연구에서는 측정된 데이터에 다르시 법칙을 포함한 물리적 법칙을 적용하여 데이터를 1 m 단위로 세분화함으로써 고해상도 주입량 분포를 도출하였다. 제안된 모델의 신뢰성을 검증하기 위해 수평시추코어 분석, NMR 검층을 수행하였다. 검증 결과, 제안된 모델은 일반적인 암반 조건에서 실측값과 높은 상관성을 보였으며, 파쇄대 및 경암 구간에서 발생하는 막힘 현상이나 수압 할렬과 같은 비선형적 주입 거동을 규명하는 유효한 진단 도구임을 확인하였다. 본 연구는 그라우팅 주입량 관리의 정밀도를 획기적으로 높여 터널 시공의 안정성 확보 및 경제적인 품질 관리에 기여할 것으로 기대된다.

도심지 전력구 쉴드 TBM 터널은 도로 하부 및 각종 매설물 인근에 시공되는 경우가 많아, 굴착 과정에서 발생하는 지반침하가 사회·경제적 위험으로 확대될 수 있다. 특히 풍화토 지반은 물성의 공간적 변동성과 불확실성이 커서 평균값 기반의 결정론적 평가만으로는 잠재적 침하 리스크를 충분히 설명하기 어렵다. 이에 본 연구에서는 풍화토 지반의 불확실성을 명시적으로 반영하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션과 3차원 유한차분해석을 결합하여 토피고가 다른 조건(20, 30, 40 m)에서 전력구 쉴드 TBM 터널 굴착 시 지표침하 및 천단침하 거동을 확률론적으로 평가하였다. 해석 결과, 지표침하는 토피고 증가에 따라 평균값과 이론값 초과확률( P e x )이 감소하여 토피고 20, 30, 40 m에서 초과확률이 각각 9%, 3%, 1%로 나타났고 신뢰도 지수(𝛽)는 1.34, 1.88, 2.33으로 증가하였다. 반면 천단침하는 토피고 증가에 따라 평균 침하 및 허용기준 초과 가능성이 증가하여 파괴확률( P f )이 2%, 8%, 25%로 증가하고 𝛽는 2.05, 1.41, 0.67로 감소하였다. 본 연구는 풍화토 지반 쉴드 TBM 터널의 침하를 단일 값이 아닌 분포 및 위험도로 제시함으로써 결정론적 접근의 한계를 보완하고, 초과확률–신뢰도지수 기반의 정량적 리스크 평가 틀을 제안하였다.

터널 굴착 과정에서는 암반 파쇄와 지하수 유입 증가로 인해 황화광물의 산화 반응이 촉진되며, 이에 따라 산성배수(Acid Mine Drainage, AMD)가 발생할 수 있다. 이러한 산성배수는 지하수 및 인근 수계의 수질을 악화시키고 터널 구조물의 장기적인 유지관리 문제를 발생할 수 있다. 본 연구에서는 경상남도 밀양시 A터널 구간을 대상으로 지질 및 수리지질학적 특성을 분석하고, 터널 굴착에 따른 지하수 유동 변화와 산성배수의 확산 거동을 수치해석을 통해 평가하였다. 현장조사 결과 터널 내 집수정에서 pH 2.04–4.89 범위의 강산성 지하수가 계측되었으며, 일부 구간에서는 지표수 유입 등의 영향으로 pH 6.9–7.39 범위의 중성에 가까운 값을 보였다. DEM 분석 결과 대상 지역의 지하수 유동은 동측 및 남측 방향으로 형성되는 경향이 확인되었다. 지하수 유동 수치해석 결과 터널 굴착에 따른 최대 영향면적은 굴착 완료 시 약 0.461 km²로 나타났으며, 이후 시간이 경과함에 따라 점차 감소하는 경향을 보였다. 또한 산성배수 확산 거동 분석 결과 황산이온 농도 기준으로 오염물질은 굴착 완료 후 10년 시점에서 최대 약 84 m까지 확산되는 것으로 예측되었다. 본 연구 결과는 터널 굴착에 따른 지하수 유동 변화와 산성배수 확산 거동을 이해하는 데 기초자료로 활용될 수 있으며, 향후 터널 설계 및 유지관리 단계에서 산성배수 발생 가능성을 예측하고 관리 방안을 수립하는 데 기여할 것으로 판단된다.

본 연구는 고준위 방사성 폐기물 처분장의 핵심 구성 요소인 벤토나이트 완충재의 초기 설계 조건을 최적화하기 위해 수치해석과 대리 모델을 결합한 통합 프레임워크를 제안한다. 벤토나이트 완충재는 복잡한 열-수리-역학적 복합 거동을 보이며, 이는 초기 건조밀도와 함수비 등 다수의 설계 인자에 의해 비선형적으로 결정된다. 기존의 유한요소 해석은 방대한 계산 비용으로 인해 광범위한 최적화 수행에 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 본 연구는 KRS⁺ 시스템을 대상으로 Bentonil-WRK, KJ-Ⅱ, MX80, FEBEX 4종의 벤토나이트에 대한 수치해석 결과를 바탕으로 가우시안 프로세스 회귀 기반 대리 모델을 구축하였다. 구축된 모델은 최고 온도, 포화 시간, 팽윤압 도달 시간을 신속하게 예측하며 높은 신뢰성을 확보하였다. NSGA-II 알고리즘을 통한 다목적 최적화 결과, KJ-Ⅱ와 MX80이 우수한 성능과 안정성을 제공함을 확인하였다. 특히 KJ-Ⅱ는 설계 목적에 따른 유연한 최적해 그룹을 제공하여 공학적 의사결정에 유리한 특성을 보였다. 본 연구의 방법론은 처분 시스템의 장기 건전성 평가를 위한 정량적 가이드를 제공할 것으로 기대된다.

본 연구에서는 2027년 수행 예정인 KURT 기반 준실규모 처분실증연구(KURT THMC COupled and INteraction test, K-COIN)에 적용하기 위한 완충재 전주기 공정 중 블록 제작 및 성능검사 공정 설계를 목표로 예비 연구를 수행하였다. 준실규모(실규모 대비 1/1.3 축소, 약 900 kg급) 디스크형 벤토나이트 블록을 10,000 ton급 일축 압축 프레스를 이용하여 제작하였으며, 재하 속도, 최대 압력 유지 시간, 하중 제거 후 구속 시간, 벤토나이트 원료 종류 및 함수비가 블록 품질에 미치는 영향을 검토하였다. 그 결과 재하 속도는 블록 품질에 영향이 거의 없었으며, 최대 압력 유지 시간과 구속 시간이 건조밀도 증가와 표면 결함 억제에 더 중요한 변수로 나타났다. 또한 함수비 16% 조건이 블록의 무결성 확보에 가장 유리한 조건으로 확인되었다. 품질검사 후보기술로서 탄성파, 감마선 감쇠, 전기비저항 측정을 수행하여 비파괴검사 기술의 적용 가능성을 검토한 결과, 감마선 감쇠는 건조밀도와, 전기비저항은 함수비와 가장 뚜렷한 상관관계를 보였다. 추가적으로 일축압축강도와 이미지 기반 결함비를 이용하여 블록의 건전성과 표면 품질 평가 방법을 검토하였다. 본 연구는 대형 완충재 블록의 제작 및 성능검사 공정에 대한 국내 초기 실증 결과를 제시한 것으로, 향후 실제 처분장 적용을 위한 한국형 완충재 블록 설계 및 제작 그리고 품질관리를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.