1. 서 론
2. 이론적 배경 및 안정성 평가기준
2.1 Pull-back 공법 개요
2.2 쉴드TBM 시공에 따른 지반침하 특성
2.3 안정성 평가 기준
3. 쉴드TBM Pull-back 공법 수치해석 모델링
3.1 수치해석 개요
3.2 단계별 시공 과정 및 모사
4. 해석 결과 분석 및 고찰
4.1 지표 및 천단침하 분석
4.2 구조물 응력 결과 분석
4.3 결과 비교 및 고찰
5. 결 론
1. 서 론
최근 도심지 터널 공사는 지상부 시설물의 고밀도화와 제한된 작업공간, 그리고 민원 및 안전성 요구의 증가로 인해 굴착 안정성과 지반변형 제어가 핵심 기술 요소로 부각되고 있다. 특히 쉴드TBM (Tunnel Boring Machine) 공법은 굴착면 안정성 확보와 시공 품질의 균일성 측면에서 널리 활용되고 있으나, 장거리 및 대심도 구간에서는 장비 이상, 공정 전환 및 유지관리 등의 이유로 쉴드TBM의 해체 및 회수 과정이 필연적으로 수반된다. 이러한 쉴드TBM 해체 단계는 일반적인 굴착 단계와 달리 구조물 지지 조건의 변화와 장비 구성요소 제거, 공정 전환에 따른 지반 교란이 동시에 발생하여 지반 침하 및 구조 안정성 문제가 복합적으로 나타날 수 있다.
터널 굴착에 따른 지반 변위는 굴착면 안정성, 지반 손실(ground loss), 지반 강성 및 지층 조건, 굴착 심도, 지보 조건 등의 복합적인 영향에 의해 결정되며, 이는 터널 및 인접 구조물 안정성 평가의 핵심 요소로 활용된다. Peck (1969)은 터널 침하 분포를 가우시안 곡선으로 제시하며 침하 예측의 기초를 확립하였고, Mair and Taylor (1999)는 도심지 기계화 터널 시공 환경에서의 지반 거동과 변위 발생 요인을 종합적으로 정리함으로써 굴착 조건에 따른 안정성 평가를 제시한 바 있다. 최근에는 Franza and Marshall (2019)이 터널 굴착에 따른 지반 변위 예측 기법을 경험 반해석적 방법으로 비교하고 각 방법의 적용 조건과 한계를 고찰하였으며, Islam and Iskander (2021)는 쌍굴 터널(twin tunnelling) 시공에 따른 지반 침하 거동을 현장계측, 수치해석 및 사례 연구를 중심으로 종합적으로 검토하여 터널 침하 예측 및 관리기준 설정을 위한 최신 연구 동향을 제시하였다. 그러나 기존 연구는 주로 쉴드TBM 굴진 단계의 침하 거동 및 지반 안정성 평가에 집중되어 있으며, 쉴드TBM 내부해체 및 Pull-back 공법 적용 과정과 같이 시공 단계와 지지조건이 변화하는 과정에서의 지반-구조물 거동 특성에 관한 연구는 상대적으로 부족하다.
Pull-back 공법은 도달수직구 설치가 어려운 조건에서 굴진 가능한 지점까지 쉴드TBM을 굴진한 후 내부 장비 해체 및 이를 발진수직구 방향으로 이동·반출하여 회수하는 공법으로 도심지와 같이 작업공간이 제한된 도심지 전력구 터널에서는 효과적인 대안이 될 수 있다. 실제 국내 적용 사례에서도 쉴드TBM 갱내 해체공법은 기존 전력구 또는 수직구와의 접속터널 시공에 주로 활용되었으며, 도달수직구 생략을 통한 공사비 절감, 공사부지 점용 최소화 및 소음·진동 저감 등의 효과가 있는 것으로 보고되었다(Youn et al., 2025). 그러나 Pull-back 공법 적용 과정에서는 장비의 단계적 해체, 지반 보강, 구조물 지지 조건 변화가 연속적으로 발생하므로, 시공 단계별 지반 거동과 구조물 응력 특성의 변화를 정량적으로 검토할 필요가 있다. 특히 지반조건과 보강조건에 따라 침하 발생 양상 및 영향 범위가 달라질 수 있으며, 다양한 적용 조건을 고려한 안정성 검토가 요구된다.
이에 본 연구에서는 쉴드TBM Pull-back 공법 적용 과정을 시공 단계별로 모사하고, 다양한 지반 및 보강조건을 고려한 3차원 유한차분해석을 수행하여 단계별 지반과 구조물의 거동을 평가하였다. 단계별 거동 평가를 위하여, 쉴드TBM 굴진, 막장압 해제 및 내부 장비 반출 과정을 모사하였다. 또한 지반조건과 보강조건에 따른 지반 변위 및 구조물 응력 변화를 비교·분석함으로써, Pull-back 및 후속 접속 시공과정에서의 지반·구조물 거동 특성을 평가하고, 취약지반에서의 안정성 관리 및 보강방안 수립을 위한 기초자료를 제시하고자 하였다.
2. 이론적 배경 및 안정성 평가기준
2.1 Pull-back 공법 개요
Pull-back 공법은 쉴드TBM 터널 굴진 완료 후, 도달수직구를 통한 직접 반출이 어려운 조건에서 쉴드TBM을 내부에서 일부 해체하고, 해체된 장비를 기존 터널을 따라 굴착 반대방향인 발진수직구 측으로 회수·반출하는 공법이다. 일반적인 쉴드TBM 터널 공사에서는 굴진 종료 지점에 도달수직구를 설치하여 이를 통해 장비를 해체·반출하지만, 도심지와 같이 작업 공간 확보가 제한되거나 인접 구조물로 인해 추가로 수직구 설치가 어려운 경우에는 Pull-back 공법을 적용할 수 있다(Fig. 1(a)). 이 공법은 별도의 반출 공간이나 추가 굴착 없이 기존 터널 내부를 활용하여 장비를 회수할 수 있으므로, 시공성 및 경제성 측면의 장점을 가진다.
기설수직구와 접속하는 조건에서 Pull-back 공법의 시공 과정은 쉴드TBM 굴진 완료 후 장비 정지, 막장압 해제, 내부 장비 해체 및 반출, 잔여 구간 굴착, 그리고 기설수직구와의 접속 완료 단계로 구분할 수 있다. 굴진 완료 후 막장압을 해제하고 쉴드TBM 해체 및 반출을 준비하며, 이후 내부 장비와 부속 설비를 단계적으로 해체하게 된다. 해체된 장비는 발진수직구 방향으로 순차적으로 반출되며, 최종적으로 잔여 구간에 대한 수동 굴착 및 보강 작업을 수행하여 시공을 완료한다. Fig. 1(b)는 Pull-back 공법의 시공단계를 나타내었다.
쉴드TBM 내부 장비 해체 순서는 장비의 구조와 해체 방식에 따라 달라질 수 있지만 일반적으로 후통부, 중통부 및 전통부 순으로 후방 장비부터 해체하여 반출한다(Youn et al., 2025). 현장조건에 따라 상이할 수 있지만, 일반적으로 후통부에서는 후방대차와 호이스트를 우선 반출한 후, 쉴드잭(추진잭), 이렉터 및 송배니관 또는 스크류컨베이어 등을 단계적으로 해체 및 반출한다. 중통부에서는 방향전환잭(중절잭), 그리퍼잭 등 주요 유압 장비를 순차적으로 해체하며, 전통부에서는 구동부 메인베어링, 커터헤드 및 붕괴 감지잭 등을 최종적으로 반출하게 된다.
일반적으로 Pull-back 공법 적용 시에는 장비 해체 순서, 잔여 굴착 구간의 보강 조건 및 수직구 접속부 안정성 등을 주요 검토사항으로 고려해야 한다. 특히 풍화토 이하의 강성이 낮은 지반조건에서는 굴착 완료 이후 내부해체 시 추가 지반변형이 발생할 수 있으므로, 내부해체 진행 단계 변화에 따른 지반 및 구조물의 거동 특성을 함께 검토할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 Pull-back 공법의 단계별 시공 과정을 수치해석으로 모사하고, 지반조건과 보강 조건 변화에 따른 지반변형 및 기설수직구, 스킨플레이트, 세그먼트 라이닝의 구조물 안정성을 평가하였다.
2.2 쉴드TBM 시공에 따른 지반침하 특성
쉴드TBM은 커터헤드, 메인 드라이브, 스킨플레이트 등으로 구성된 본체부와 배토 시스템, 전력 공급 장치, 후방대차 등으로 구성된 보조 설비로 구성된다. 굴진 중에는 막장압을 통해 굴착면의 안정성을 확보하고, 쉴드 후방에 설치되는 세그먼트 라이닝과 테일보이드 뒷채움 주입재를 통해 굴착 완료 구간의 주변 지반을 지지한다. Pull-back 공법 적용 과정에서는 막장압 해제와 내부 장비 제거로 인해 굴진 단계와 다른 지지조건이 형성되므로, 이에 따른 지반변형과 구조물 응력의 변화를 검토할 필요가 있다.
터널 굴착 과정에서는 지반의 응력 재분포와 지반 손실(ground loss)이 발생하며, 이에 따라 지표면 침하와 터널 주변 지반변형이 나타날 수 있다. 쉴드TBM 굴착 시 지반 침하는 굴착 진행에 따라 막장 전방에서 발생하는 선행침하, 쉴드 통과 시 발생하는 침하, 그리고 세그먼트 설치 이후 테일보이드 발생과 뒷채움 주입 과정에서 발생하는 후방침하가 누적되면서 나타난다. 이러한 지반 침하 거동은 종방향으로 S자 형태의 침하 곡선을 형성하며, 터널 중심선을 기준으로 횡방향에서는 일반적으로 터널 중심선에서 최대값을 갖는 정규분포 형태의 침하 곡선으로 표현된다. 터널 굴착 시 발생하는 지반손실은 지표면 침하의 직접적인 원인이 되며, 이를 설명하기 위해 Peck (1969)은 침하곡선을 가우시안 분포 형태로 표현하였으며, Fig. 2는 쉴드TBM 굴착 시 지반 손실에 따른 대표적인 횡방향 침하곡선을 나타내었다. 이 경험식에 따르면 터널 중심부에서 최대 침하량 가 발생하고, 변곡점까지의 거리 에 의해 침하 분포 폭이 결정되며, 식 (1)과 같이 침하곡선을 표현할 수 있다. 침하곡선의 단위 터널 길이당 면적 와 지반손실률 은 각각 식 (2)와 식 (3)으로 산정할 수 있다.
여기서, : 터널 중심선으로부터 거리 에서의 지표침하량, : 터널 중심에서의 최대 지표침하량, : 터널 중심으로부터의 횡방향 거리, : 터널 중심으로부터 침하 곡선 변곡점까지의 거리, : 최종 터널의 직경, : 단위 터널 길이당 지반 손실량, : 지반 손실률을 나타낸다.
이와 같이 터널 굴착에 따른 지반침하는 지반 및 시공조건에 따라 다양한 형태로 나타날 수 있으며, 본 연구에서는 기존의 지반침하 이론을 수치해석 결과에서 나타난 지표침하의 크기와 경향을 비교·검토하기 위한 참고자료로 활용하였다.
2.3 안정성 평가 기준
Pull-back 공법 적용 과정에서 발생하는 지반변형과 구조물의 응력 변화를 바탕으로 안정성을 검토하기 위하여, 평가 항목을 지반 안정성과 구조물 안정성으로 구분하였다. 지반 안정성은 시공 단계별 지표 및 천단침하를 중심으로 검토하였으며, 구조물 안정성은 기설수직구, 세그먼트 라이닝 및 스킨플레이트에 발생하는 응력을 평가하였다. 지표침하는 터널 굴착 시 발생하는 침하 거동 특성을 고려하여 산정된 Peck (1969)의 경험식으로 산정한 수치해석 결과의 크기와 경향을 검토하였으며, 터널 천단침하량은 일본토질학회에서 제시되어 국내 터널 설계 및 시공에 도입된 관리 기준과 비교하여 안정성을 평가하였다. 구조물 안정성은 각 부재에서 발생한 응력을 관련 구조설계기준에 따른 허용응력과 비교하였다.
Pull-back 공법 적용에 따른 지반 안정성은 지표침하와 천단침하를 기준으로 평가하였다. 지표침하는 내부해체 과정에서 지상부에 미치는 영향 평가를 목적으로 하며, 천단침하는 막장압 해제 및 내부해체와 이후 잔여 굴착에 따른 터널 주변 지반의 변형을 평가하기 위한 항목이다. 지표침하량은 단선 터널과 단일 지층에서 해석을 수행하기에 Peck (1969)의 경험식을 사용하였으며, 체적 손실률과 침하구폭 계수 를 이용하여 산정된 의 값을 Table 1에 나타내었다. 천단침하량은 한국터널공학회(KTA, 2004) 터널의 이론과 실무에서 제시된 지반조건별 관리기준을 참고하였으며, Table 2에 나타내었다. 해당 기준은 침하량의 크기에 따라 안정상태, 주의가 필요한 상태 및 안정성에 영향을 미칠 수 있는 상태로 구분되며, 본 연구에서는 각 해석조건에서 발생한 최대 천단침하량의 상대적 수준을 검토하는 데 활용하였다.
Table 1.
Prediction of surface settlement based on Peck’s method (1969)
| Ground type |
Equationt (Peck, 1969) | Volume loss | t () |
Maximum settlement (mm) |
| Soft rock | 0.002 | 0.45ㆍ32 = 14.4 | 0.55 | |
| Weathered rock | 0.004 | 0.5ㆍ32 = 16 | 0.99 | |
| Weathered soil | 0.006 | 0.6ㆍ32 = 19.2 | 1.23 |
Table 2.
Management criteria for tunnel crown settlement (KTA, 2004)
Ground Level | Hard rock | Soft rock | Weathered rock |
| Ⅰ | 0.3–0.5 | 0.5–1.0 | 1.0–3.0 |
| Ⅱ | 1.0–1.5 | 1.5–4.0 | 4.0–9.5 |
| Ⅲ | 3.0–4.0 | 4.0–11.0 | 11.0–27.0 |
구조물의 안정성 평가는 Pull-back 공법 적용 과정에서 하중조건이 변화하는 스킨플레이트, 기설수직구, 세그먼트 라이닝을 대상으로 수행하였다. 각 구조물에서 발생한 최대 응력을 관련 설계기준에 따른 허용응력과 비교․검토함으로써 구조적 안정성을 평가하였다. 강재 구조물의 안정성 평가기준은 강구조 설계기준(KDS 14 30 00)을 적용하였으며, 콘크리트 구조물의 압축응력 평가는 기설 수직구의 설계기준강도() 27 MPa의 30%인 8.1 MPa를 비교 기준값으로 가정하고, 이를 해석에서 산정한 최대 압축응력과 비교하였다. 스킨플레이트의 물성치는 강구조 설계기준의 강재 기준을 적용하였으며, 강재의 항복강도()는 325 MPa, 인장강도()는 490 MPa이며, 허용응력 설계법 안전계수에 따라 1.75 (지하 구조물 안전계수)로 설정하여, Table 3에 나타난 바와 같이 산정하였다. 세그먼트 라이닝의 안정성 평가는 압축응력과 인장응력을 중심으로 수행하였으며, 관리기준은 Table 4와 같이 1차(안전), 2차(주의), 3차(정밀분석) 단계로 구분하였다. 이에 따라 세그먼트의 허용 압축응력은 1차 기준인 안전 상태의 값을 기준 값으로 설정하여 안정성 평가를 실시하였다. 이에 따라 세그먼트 압축응력은 8.1 MPa이며, 인장응력은 2.53 MPa임을 확인하였다. 종합적으로, 본 연구의 구조물 안정성 평가는 세그먼트, 스킨플레이트 및 기설수직구 등 주요 구조물의 응력이 상기 허용 기준을 초과하지 않는지를 검토하는 방식으로 수행하였다.
Table 3.
Evaluation criteria for shield structural stability (MOLIT, 2024)
| Yield strength () (MPa) | Safety factor | Allowable yield stress (MPa) |
| 325 | 1.75 | 185.7 |
| Tensile strength () (MPa) | Safety factor | Allowable tensile stress (MPa) |
| 490 | 1.75 | 280 |
Table 4.
Segment lining stability evaluation criteria (Woo, 2024)
3. 쉴드TBM Pull-back 공법 수치해석 모델링
3.1 수치해석 개요
본 연구에서는 쉴드TBM Pull-back 공법 적용에 따른 지반 및 구조물의 안정성을 평가하기 위하여 실제 전력구 터널의 시공 조건을 반영하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 해석 영역은 굴착에 따른 경계면 영향을 최소화하기 위하여 굴착 진행 방향(x-axis) 70 m, 횡방향(y-axis) 70 m 및 지반 깊이(z-axis) 60 m로 설정하였다. 또한 터널 천단부의 토피고는 32 m로 적용하였으며, 모델 측면 경계에서는 경계면의 노드는 경계면과 직교하는 방향으로 구속하였다. 해석 모델의 형상 및 경계조건은 Fig. 3에 나타내었다.
해석에 적용된 터널은 굴착 직경 3.55 m의 쉴드TBM 터널로 모사하였으며, 쉴드TBM 스킨플레이트 길이는 9.5 m로 설정하였다. 쉴드TBM 장비는 실제 형상을 모두 구현하기보다 Pull-back 시공 과정에서 지반 거동에 영향을 미치는 주요 구조부재를 중심으로 단순화하여 모델링하였다. 쉴드TBM 장비는 스킨플레이트와 커터헤드를 모델링하였으며, 세그먼트 라이닝과 뒷채움 주입재(Backfill)를 모사하였다. 세그먼트 라이닝 두께는 200 mm, 뒷채움 주입재 두께는 75 mm, 스킨플레이트 두께는 40 mm로 적용하였다. 접속 대상인 기설수직구는 콘크리트 구조물로 모델링하였으며, 쉴드TBM 터널 및 기설수직구 단면 형상은 Fig. 4에 나타내었다.
지반은 연속체로 가정하여 Solid 요소로 모델링하였으며, 지반의 응력–변형 거동을 모사하기 위해 Mohr-Coulomb (MC) 탄소성 모델을 적용하였다. 지반조건에 따른 영향을 평가하기 위하여 연암, 풍화암 및 풍화토로 구분하고, 각각의 대표 물성치를 적용하였다. 각 지반의 단위중량, 점착력, 내부마찰각, 변형계수 및 포아송비는 Table 5에 정리하였다. 또한 스킨플레이트 및 세그먼트 라이닝은 Shell 요소를 적용하고, 수직구 콘크리트 및 뒷채움재는 Solid 요소로 구성하였다. 구조물 중 강재 구조물 물성치는 강구조 설계기준(KDS 14 30 00; MOLIT, 2024)을 참고하여 설정하였으며, 해석에 적용한 구조물 물성은 Table 6에 나타내었다.
지반과 구조물의 상호작용을 고려하기 위하여 인터페이스 요소를 적용하였으며, 정지토압계수()는 연암 및 풍화암 지반에서 일반적으로 적용되는 범위를 고려하여 0.5로 설정하였다. 또한 본 연구에서는 지하수위를 고려하지 않은 초기 간극수압을 0으로 가정하여 수치해석을 수행하였다.
Pull-back 공법의 실제 시공 과정을 반영하기 위하여 쉴드TBM 굴진, 막장압 해제 및 잔여 구간 굴착과 기설수직구 접속을 단계별로 모사하였다.
Table 5.
Ground properties used for numerical analysis (Seoul Metropolitan Government, 2006)
Table 6.
Material properties of structural components used in numerical analysis
3.2 단계별 시공 과정 및 모사
Pull-back 공법은 쉴드TBM 굴착 완료 이후 내부 장비 해체 및 반출, 잔여 구간 굴착 및 구조물 접속 등 여러 시공 단계로 구성되며, 각 단계에서 지반 및 구조물의 하중 조건이 변화하게 된다. 따라서 본 연구에서는 실제 Pull-back 공법의 시공 절차를 반영하여 단계별 수치해석을 수행하였으며, 해석 단계는 Table 7과 같이 총 5단계로 구분하여 모사하였다.
Table 7.
Construction sequence for numerical simulation of the shield TBM Pull-back method
STEP 1은 쉴드TBM 굴착 시작 단계로, 쉴드TBM이 굴진을 시작하는 상태를 모사하였다. STEP 2는 계획된 해체 위치까지 쉴드TBM을 굴진시키는 단계로, 세그먼트 라이닝을 장비 후방에 1.2 m 간격으로 설치하면서 내부해체 목표 지점까지 굴착을 수행하였다. STEP 3은 Pull-back 공법 적용 단계로, 굴착 완료 후 막장압을 해제하고 쉴드TBM 내부 장비를 단계적으로 해체·반출하는 과정을 모사하였다. 수치해석에서는 실제 장비 해체·반출 과정을 단순화하여 스킨플레이트와 커터헤드 요소를 제거하는 방식으로 구현하였다. STEP 4는 기존 수직구 접속을 위한 잔여 구간 수동굴착 단계로, 쉴드TBM 해체 이후 남은 구간에 대해 수동굴착을 수행하는 조건을 적용하였다. 본 연구에서는 Pull-back 공법 적용 후 접속 과정에서 가장 불리한 조건으로 판단되는 잔여 구간 수동 굴착 단계에서의 안정성을 평가하기 위하여 지반조건별 보강공법 적용 여부에 따른 해석 CASE를 구성하였다. STEP 5는 수동굴착 완료 후 기존 수직구와 터널을 연결하고 내부 RC 콘크리트 라이닝을 시공하는 최종 완료 상태를 모사하였다.
잔여 구간 수동굴착 단계에 적용한 다양한 보강조건은 Fig. 5와 같다. CASE 1은 별도의 보강을 적용하지 않은 무보강 조건이며, CASE 2는 굴착 전 지반 강성 증대를 위한 선행 그라우팅을 적용한 조건이다. CASE 3은 굴착면 안정성 확보를 위하여 숏크리트와 록볼트를 적용한 조건이며, CASE 4는 선행 그라우팅과 숏크리트 및 록볼트를 동시에 적용한 복합보강 조건이다. 각 CASE는 실제 현장에서 적용 가능한 대표적인 보강 방안을 고려하여 구성하였으며, 보강공법에 따른 지반 변위 및 안정성 확보 효과를 비교·분석하였다.
본 연구에서는 시공 단계별 지반 변위, 응력 재분배 및 구조물 거동 특성을 평가하였으며, 특히 STEP 4의 잔여 구간 수동굴착 단계에서 보강공법에 따른 안정성 개선 효과를 중점적으로 검토하였다. 이를 바탕으로 Pull-back 공법 적용 및 후속 접속 과정에서 지반조건과 보강공법이 지반 및 구조물의 안정성에 미치는 영향을 분석하였다.
4. 해석 결과 분석 및 고찰
4.1 지표 및 천단침하 분석
Pull-back 및 후속 접속 시공과정에서의 지반 거동을 평가하기 위하여 연암, 풍화암 및 풍화토의 3가지 지반조건과 무보강(CASE 1), 그라우팅(CASE 2), 숏크리트 및 록볼트(CASE 3), 복합보강(CASE 4)을 적용하여 총 12개 해석조건을 비교하였다. Fig. 6은 시공 단계별 변위 변화가 가장 뚜렷하게 나타난 풍화토 지반을 대상으로 CASE 1과 CASE 4의 해석 결과를 대표적으로 제시하고 보강 전·후의 지반 거동을 비교하였다.
해석 결과, 쉴드TBM 굴착 단계(STEP 1–2)에서는 막장압과 쉴드에 의한 지지효과로 지반변형이 비교적 제한적으로 나타났으며, 막장압 해제와 내부 장비 해체가 이루어지는 STEP 3 이후 응력 재분배가 발생하면서 침하가 증가하였다. 이후 잔여 구간 수동굴착이 수행되는 STEP 4에서는 굴착면 주변의 지지효과가 감소하면서 추가적인 변형이 발생하였고, STEP 5의 RC 라이닝 타설 이후에는 침하 증가가 크지 않았다. 이러한 단계별 거동은 연암과 풍화암에서도 유사하게 나타났으나, 지반 강성이 낮아질수록 STEP 3–4에서의 침하 증가가 상대적으로 크게 나타났다.
특히 풍화토의 무보강 조건(CASE 1)에서는 최대 천단침하가 88.10 mm로 나타나 다른 지반조건에 비해 현저히 큰 변형이 발생하였으며, 복합보강 조건(CASE 4)에서는 3.90 mm로 크게 감소하였다. 이는 그라우팅에 의한 지반 강성 증가와 숏크리트 및 록볼트에 의한 굴착면 구속효과가 막장압 해제 및 수동굴착 과정에서 발생하는 응력 재분배와 지반 이완을 억제한 결과로 판단된다. 따라서 Pull-back 이후 후속 접속 시공에서는 잔여 구간 굴착단계의 지반변형 관리가 중요하며, 특히 강성이 낮은 지반에서는 적절한 보강을 통한 변형 억제가 필요한 것으로 판단된다.
Fig. 7은 3가지 지반조건과 4가지 보강조건을 조합한 총 12개 해석조건에서 발생한 최대 지표침하와 최대 천단침하를 비교한 결과로, 지반 강성 변화에 따른 침하 특성과 잔여 접속구간 굴착 시 보강공법의 적용에 따른 변형 억제효과를 정량적으로 비교하기 위해 제시하였다.
최대 지표침하의 경우, 보강조건에 따라 연암에서는 0.22–0.26 mm, 풍화암에서는 0.18–0.34 mm의 지표침하가 발생하여 차이가 크지 않았다. 이는 연암과 풍화암의 상대적으로 높은 지반 강성과 약 32 m의 토피로 인해 굴착부에서 발생한 변형이 지표까지 전달되는 과정에서 감소하였기 때문으로 판단된다. 반면 풍화토에서는 무보강 조건(CASE 1)에서 2.99 mm의 최대 지표침하가 발생하였으며, 그라우팅을 적용한 CASE 2에서는 1.18 mm, 복합보강을 적용한 CASE 4에서는 0.07 mm로 감소하여 보강에 따른 변형 억제효과가 뚜렷하게 나타났다. 숏크리트 및 록볼트를 적용한 CASE 3에서는 -0.19 mm의 미소한 상향변위가 발생하였으며, 이는 매우 작아 뚜렷한 지반 융기보다는 보강 적용에 따른 지표침하가 거의 억제된 수준으로 판단하였다.
최대 천단침하는 지표침하에 비해 지반조건과 보강공법에 따른 차이가 더욱 뚜렷하게 나타났다. 연암에서는 무보강 조건(CASE 1)의 4.99 mm가 복합보강 조건(CASE 4)에서 2.84 mm로 감소하여 약 43%의 저감효과가 나타났으며, 풍화암에서는 6.58 mm에서 2.90 mm로 감소하여 약 56%의 저감효과가 확인되었다. 특히 연암과 풍화암 모두 CASE 1과 그라우팅을 적용한 CASE 2의 차이는 크지 않았으나, 숏크리트 및 록볼트가 적용된 CASE 3부터 침하가 뚜렷하게 감소하였다. 이는 해당 지반조건에서는 지반 강성 증가뿐만 아니라 굴착면을 직접 구속하는 보강이 천단부 변형 억제에 효과적으로 작용한 결과로 판단된다. 풍화토에서는 지반 강성이 낮아 무보강 조건(CASE 1)에서 최대 88.10 mm의 큰 침하가 발생하였으나, CASE 2, CASE 3 및 CASE 4에서 각각 13.10, 7.00 및 3.90 mm로 감소하여 보강효과가 가장 뚜렷하게 나타났다. 특히 복합보강 조건에서는 그라우팅에 의한 지반 강성 증가와 숏크리트 및 록볼트의 굴착면 구속효과가 함께 작용하여 CASE 1 대비 약 96%의 침하 저감효과가 확인되었다. 종합적으로 지표침하보다 천단침하에서 지반조건 및 보강조건에 따른 차이가 더욱 뚜렷하게 나타났으며, 특히 강성이 낮은 풍화토 지반에서는 지반 강성 증대와 굴착면 지지를 병행하는 복합보강이 변형 억제에 효과적인 것으로 분석되었다.
4.2 구조물 응력 결과 분석
Pull-back 공법 적용 시 구조물의 안정성을 평가하기 위하여 스킨플레이트, 세그먼트 라이닝 및 기설수직구 접속부에 발생하는 응력 분포를 분석하였다. 구조물 응력은 쉴드TBM 굴착 완료 후 막장압 해제, 내부 장비 해체 및 잔여 구간 수동굴착 과정에서 발생하는 하중 재분배의 영향을 반영하며, 지반조건 및 보강조건에 따른 변화를 비교·검토하였다.
스킨플레이트는 Pull-back 공정 시 내부 장비 해체 및 반출이 이루어지는 동안 주변 지반을 지지하는 주요 구조 부재로, 막장압 해제 및 내부 장비 제거에 따른 지지조건 변화에 따라 응력 분포가 변화할 수 있다. 전체 해석 케이스에서 스킨플레이트의 최대 압축응력은 약 22–27 MPa 범위로 천단부에서 발생하였으며, 최대 인장응력은 약 20–26 MPa 범위로 주로 측벽부에서 나타났다. Fig. 8은 대표적으로 연암 무보강 조건(CASE 1)을 대상으로 내부해체 전·후의 스킨플레이트 응력 분포를 비교하여 나타낸 것이다.
풍화토 지반에서 상대적으로 높은 응력이 발생하였으나, 허용응력 기준치와 비교할 경우 압축응력은 허용 응력(185.7 MPa)의 약 15%, 인장응력은 허용 인장응력(280 MPa)의 약 9.5% 수준으로 나타났다. 따라서 Pull-back 공정에 따른 응력 증가는 구조적 손상을 유발할 수준에는 미치지 않는 것으로 평가되었다. 또한 응력 집중은 주로 내부 장비 해체가 진행되는 접속부 인근에서 발생하였으며, 장비 반출 완료 후 응력은 점차 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 응력 증가가 일시적인 시공 단계 효과임을 의미하며, 구조물 응력은 지반조건에 따라 일부 차이를 보였으나 허용응력 대비 2–15% 수준으로 나타나 구조적 안정성에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 평가되었다.
세그먼트 라이닝은 쉴드TBM 굴진 완료 후에도 터널 주변 지반을 지속적으로 지지하는 주요 구조물로, Pull-back 및 후속 접속 시공과정에서 발생하는 지지조건 변화에 따라 응력 영향을 직접적으로 받을 수 있다. 해석 결과 전체 조건에서 세그먼트 라이닝에서 발생하는 최대 압축응력은 약 2.01–2.31 MPa, 최대 인장응력은 약 0.26–0.53 MPa 범위로 나타났다. 풍화토 지반에서 상대적으로 큰 인장응력이 발생하였으나 허용 인장응력(2.53 MPa)의 약 8% 수준으로 모든 해석조건에서 허용기준을 만족하였다. 또한 보강공법 적용 시 천단침하는 크게 감소하였으나 세그먼트 라이닝 응력 변화는 상대적으로 제한적으로 나타났다. 이는 보강공법이 세그먼트 라이닝에 작용하는 하중을 직접 감소시키기보다는 주변 지반의 변형을 억제하는 역할을 수행하기 때문으로 판단된다. 따라서 침하량 감소 효과는 크게 나타났으나 세그먼트 라이닝 응력 변화는 상대적으로 제한적인 것으로 분석되었다.
기설수직구는 신설전력구 터널이 접속하는 과정에서 응력 집중이 발생하였으나 모든 해석 조건에서 허용응력 이하로 나타났다. 최대 압축응력은 연암지반에서 약 1.26–1.80 MPa, 풍화암 지반에서 약 1.16–1.57 MPa, 풍화토 지반에서 약 0.77–1.60 MPa 범위로 나타났다. Fig. 9는 대표적으로 연암 무보강 조건(CASE 1)을 대상으로 신설전력구 터널의 접속 전·후의 기설수직구 응력 분포를 비교하여 나타낸 것이다.
응력 분포를 비교한 결과, 지반조건에 따른 발생 응력 차이는 존재하였으나 그 변화 폭은 크지 않은 것으로 나타났다. 기설수직구 접속 이후 RC 구조물은 충분한 강성을 보유하고 있어 지반조건에 차이는 크지 않은 것으로 판단하였다. 또한 보강공법 적용에 따른 응력 변화 역시 제한적으로 나타나 구조물 안정성에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 평가되었다. 따라서 기설수직구의 구조적 안정성은 지반조건 및 보강조건 변화에 크게 영향을 받지 않는 것으로 평가되었다.
Fig. 10은 지반조건 및 보강조건에 따른 스킨플레이트, 세그먼트 라이닝 및 기설수직구의 최대 압축·인장응력을 각각의 허용응력과 비교한 결과이다. 스킨플레이트의 압축 및 인장응력은 모든 해석조건에서 강재 허용응력에 비해 충분히 낮은 수준으로 나타났으며, 세그먼트 라이닝과 기설수직구의 압축 및 인장응력 또한 콘크리트 허용응력 이하로 확인되었다. 또한 세 구조물 모두 지반조건 및 보강조건에 따른 응력 변화폭은 크지 않은 것으로 나타나, 본 해석조건에서는 구조적 응력 변화가 상대적으로 제한적인 것으로 평가되었다.
4.3 결과 비교 및 고찰
본 연구에서는 Pull-back 및 후속 접속 시공과정에서 지반조건과 보강조건에 따른 지반변형 및 구조물 응력 특성을 비교·분석하였으며, 그 결과를 Table 8에 종합하여 정리하였다. 해석 결과, 지반변형은 지반조건과 보강조건에 따라 뚜렷한 차이를 보인 반면, 주요 구조물의 발생응력 변화는 상대적으로 제한적인 것으로 나타났다.
Table 8.
Summary of ground and structural stability evaluation results
Fig. 11에 나타낸 바와 같이 지반조건에 따른 침하 거동을 비교한 결과, 연암 및 풍화암에서는 지표침하와 천단침하가 비교적 제한적으로 발생한 반면, 풍화토에서는 특히 무보강 조건에서 큰 변형이 나타났다. 이는 풍화토의 상대적으로 낮은 지반 강성과 변형계수로 인해 Pull-back 과정에서의 지지조건 변화와 잔여 접속구간 굴착에 따른 지반변형이 보다 크게 나타난 결과로 판단된다. 따라서 본 해석조건에서는 지반 강성이 낮을수록 시공단계 변화에 따른 침하가 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타났다. 보강조건에 따른 영향도 지반조건에 따라 차이를 보였다. 연암 및 풍화암에서는 보강 적용에 따른 침하 감소폭이 상대적으로 제한적이었으나, 풍화토에서는 보강공법 적용에 따라 천단침하가 크게 감소하였다. 특히 그라우팅, 숏크리트 및 록볼트를 병행한 복합보강 조건에서 가장 큰 침하 저감효과가 나타났다. 이러한 결과는 강성이 낮은 지반에서 지반 강성 증대와 굴착면 지지를 병행하는 것이 잔여 접속구간 굴착에 따른 변형 억제에 효과적임을 보여준다.
Fig. 12는 지반조건 및 보강조건에 따른 스킨플레이트, 세그먼트 라이닝 및 기설수직구의 발생응력을 비교한 결과이다. 전체적으로 구조물의 발생응력은 모든 해석조건에서 각각의 허용기준 이하로 나타났으며, 지반조건 및 보강조건에 따른 응력 변화폭도 크지 않았다. 특히 보강 적용에 따라 천단침하는 크게 감소한 반면 구조물의 응력 변화는 상대적으로 제한적으로 나타나, 본 해석조건에서 보강효과는 구조물 응력의 감소보다는 주변 지반의 변형 억제 측면에서 보다 뚜렷하게 나타난 것으로 분석되었다.
종합적으로, 본 해석조건에서는 지반조건과 보강조건의 영향이 구조물 응력보다 지반변형에서 뚜렷하게 나타났으며, 특히 풍화토에서는 낮은 지반강성과 변형계수로 인해 변형이 크게 발생하였다. STEP 3에서는 막장압 해제와 내부 장비 해체에 따른 지지조건 변화 및 응력 재분배가, STEP 4에서는 잔여 구간 수동굴착에 따른 굴착면 구속효과 감소가 주요 원인으로 작용하였다. 그라우팅은 지반강성을 증가시키고 숏크리트와 록볼트는 굴착면을 구속하므로, 두 효과를 병행한 복합보강에서 침하 저감효과가 가장 크게 나타났다. 따라서 Pull-back 및 후속 접속 시공에서는 STEP 3과 STEP 4의 지반변형을 중점적으로 관리하고, 강성이 낮은 지반에서는 적절한 보강계획을 수립할 필요가 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 도심지 전력구 터널 시공 시 도달수직구 설치가 제한되는 조건을 고려하여 쉴드TBM Pull-back 및 후속 접속 시공과정에서 지반조건과 보강조건에 따른 지반 및 구조물의 거동 특성을 분석하였다. 이를 위해 FLAC3D를 이용한 3차원 수치해석을 수행하고, 연암, 풍화암 및 풍화토 지반을 대상으로 쉴드TBM 굴진, 막장압 해제, 내부 장비 해체·반출, 잔여 구간 수동굴착 및 기설구조물 접속 과정을 단계별로 모사하였다. 또한 잔여 접속구간 굴착 단계에서는 무보강, 그라우팅, 숏크리트 및 록볼트, 복합보강 조건을 적용하여 지반변형과 구조물 응력 차이를 비교·분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
1. Pull-back 및 후속 접속 시공과정에서 지반변형은 지반조건에 따라 뚜렷한 차이를 보였다. 연암 및 풍화암에서는 지표 및 천단침하가 비교적 제한적으로 나타난 반면, 풍화토에서는 시공단계 변화에 따른 침하가 크게 증가하였다. 따라서 풍화토와 같이 강성이 낮은 지반조건에서는 접속구간 굴착 시 적절한 보강공법을 적용하고, 시공단계별 지반변형에 대한 안정성 검토를 수행할 필요가 있다.
2. 시공 단계별 침하를 비교한 결과, 막장압 해제 및 내부 장비 해체가 수행되는 STEP 3과 잔여 구간 수동굴착이 진행되는 STEP 4에서 추가적인 침하가 크게 나타났다. 따라서 Pull-back 해체 단계뿐 아니라 이후 기설수직구와의 접속을 위한 잔여 구간 수동굴착이 수행되는 동안을 Pull-back 공법 적용 시 주요 관리단계로 설정할 필요가 있다.
3. 보강공법 적용 결과 모든 지반조건에서 침하량 감소 효과가 확인되었으며, 그라우팅과 숏크리트 및 록볼트를 함께 적용한 복합보강(CASE 4)에서 가장 큰 저감효과가 나타났다. 특히 풍화토에서는 무보강 조건의 88.1 mm에서 복합보강 조건의 3.9 mm로 감소하여 약 96%의 침하 저감효과가 확인되었다. 강성이 낮은 풍화토와 같은 지반에서 지반 강성 증대와 굴착면 지지를 병행하는 보강이 변형 억제에 효과적인 것으로 판단된다.
4. 구조물 안정성 평가 결과, 스킨플레이트, 세그먼트 라이닝 및 기설수직구에서 발생한 응력은 모든 해석조건에서 각각의 허용응력 이내로 나타났다. 또한 지반조건 및 보강조건 변화에 따른 구조물의 응력 변화폭은 상대적으로 크지 않아, 본 해석조건에서는 구조물 응력이 허용범위 이내로 평가되었다.
5. 종합적으로, 본 연구에서 고려한 해석조건에서는 Pull-back 공법 적용 시 구조물 응력보다 지반변형이 안정성 확보를 위한 주요 평가항목으로 나타났다. 따라서 실제 현장 적용 시에는 구조물 안정성 검토와 함께 시공단계별 지표 및 천단침하를 중점적으로 관리해야 하며, 특히 풍화토와 같이 강성이 낮은 지반조건에서는 현장 여건을 고려한 보강계획을 수립하고 시공 중 계측관리를 병행해야 한다. 또한 본 연구는 균질한 단일 지층과 이상화된 시공조건을 가정하였으며, 지하수, 암반 불연속면, 보강품질의 불확실성, 실제 장비하중 및 구조물 접합부의 상세 거동 등을 충분히 고려하지 못한 한계가 있다. 따라서 실제 현장 적용 시에는 지반 및 지하수 조건, 접속부의 구조적 특성, 보강범위 및 시공품질 등을 반영한 추가적인 안정성 검토가 필요하며, 특히 강성이 낮은 지반에서는 시공단계별 지표 및 천단침하에 대한 계측관리를 병행할 필요가 있다.
