1.서론

급속한 산업 발달과 도시의 인구집중현상 등으로 인하여 도심지에서 교통 및 공공시설의 확장 필요성이 증가하고 있다. 도심지에서는 사회기반시설의 확충을 위한 공간의 부족이 심화됨에 따라 지하 상하수도, 가스관로, 통신 및 전력 공급시설 등에서 지하공간 활용방안으로 터널이 많이 건설되고 있다. 그러나 이러한 지하구조물은 기존의 지상구조물, 도로, 고속도로, 철도 등의 하부를 통과하여야 하는 시공여건이 매우 불리한 지역이나 지반조건이 불리한 지역에 건설되는 경우가 많다. 특히 도심지 얕은 심도의 터널에서는 크리프, 팽창과 같은 특수한 거동을 하는 연약한 점성토, 연약한 함수층의 풍화대와 연약하고 파쇄된 암반과 같은 다양하고 복잡한 지반에서 지표침하로 인한 인접구조물의 안정성을 유지하면서 굴착중 터널의 안정성을 유지할 수 있는 터널 굴착 방법이 필요하게 되었다.

서울 지하철의 경우에는 지표로부터 심도가 30m 이하인 연약한 지반에 시공되는 터널이 대부분이며 이러한 지반조건이 불량한 도심지 터널은 산악터널이나 대심도 암반 터널과는 달리 터널 주변지반의 변위가 터널 및 주변 구조물의 안정성을 지배하는 주요한 요소로 대두되고 있다.

록볼트와 숏크리트를 중요한 지보부재로 사용하는 NATM 공법은 터널 반경방향 주변과 막장 후방에 국한된 지반보강을 실시함으로써 내공변위 (convergence)를 억제한다. 이러한 NATM 공법을 연약한 지반에 적용할 경우에는 보강이 막장 후면만으로 제한되며 막장 전방 코어 (core)에서 발생하는 변형은 무시된다. 이에 따라 막장 전방에서 발생된 변형까지 흡수하기 위한 변형성이 좋은 라이닝 설치가 필요하나 실제로 얕은심도 파쇄대지반에서의 복잡한 응력-변형 조건에서 사용은 부적당하다. 따라서 막장 전방을 체계적으로 사전 보강하는 RPUM (Reinforced Protective Umbrella Method)의 굴착방법 등이 최근 들어 사용되고 있다. 특히, 막장 전방의 변형이 막장에서의 압출변위 (extrusion) 형태로 나타나기 때문에 RPUM과 더불어 막장을 수평보강할 경우 막장 자체의 안정성과 최종 천단변위 또는 지표침하와 같은 지반 거동을 억제함으로써 터널 전체의 안정성이 향상된다. 따라서 본 연구에서는 파쇄대 지반에서 RPUM과 함께 시공되는 수평보강에 의한 터널 거동을 분석하여 터널의 안정성을 판단할 수 있도록 하며, 이러한 수평보강에 의한 터널의 안정성 개선효과를 정성적으로 평가할 수 있도록 하였다.

2.터널 막장의 안정성평가

현재 널리 사용하는 터널굴착공법은 대상 지반과 터널굴착의 개념에 의하여 NATM 공법 (New Austrian Tunnelling Method), NMT 공법 (Norwegian Method of Tunnelling), 이탈리아 터널공법 (Italian Tunnelling Method) 등이 적용되고 있다. 이 중 이탈리아 터널공법은 1985년에 이탈리아의 Roma-Florence의 고속철도 터널에서 터널막장을 유리 섬유봉 (glass fiber)으로 보강을 하여 주변지반의 침하와 막장의 변형형상을 제어하기 위하여 적용된 이후부터 연약한 점성토나 파쇄가 심한 암반과 같은 복잡한 거동 양상을 보이는 지반의 터널굴착에서 막장 보강 방법으로 많이 활용되고 있다. 일반적으로 NATM 공법에서는 굴착 후에 발생하는 막장 후방의 터널주변 변형을 계측결과에 따라 숏크리트, 록볼트 등의 지보재로 보강하거나 분할굴착을 하는데 반하여, 이탈리아 터널공법은 굴착 전에 막장 전방의 코어 (advance core)를 제트그라우팅, 유리섬유 재료 등으로 보강하여 안정시키고 전단면 굴착을 하는 방법으로 RPU 공법과 함께 사용되어 굴착 전에 막장 전방을 사전 보강하는 개념의 터널굴착 방법이라고 할 수 있다.

2.1 연약한 지반조건에서 터널 막장의 안정성 평가

터널 굴착중 발생하는 여러 가지 불안정한 형태는 굴착지반의 특성과 응력분포에 따라 결정된다. 점성토층에 굴착하는 터널은 압출이나 전단파괴가 일어나고, 이암이나 혈암과 같은 연암에서는 암반의 이완, 팽창, 압출이 일어나며 화강암이나 편마암 같은 경암에서는 파단, 파열, 층분리와 같은 형태의 터널 안정성에 영향을 미치는 문제가 발생한다.

파쇄대가 있는 연약한 암반이나 연암에서의 터널 굴착시의 막장안정에 관한 연구는 Hoek (Hoek, E., 1999), Mihalis 등 (Mihalis, Kavvadas and Anagnostopoulos, 2001), Bhasin (Bhasin, 1994)에 의하여 수행되었다. 현재까지 초기응력과 터널크기 및 형상이 비교적 단순한 2차원 수치해석에 있어서 터널의 안정성에 영향을 미침에도 불구하고 무시되어 왔으나, 실제적으로는 연약한 암반 조건에서 굴착할 때에 매우 중요한 역할을 한다.

Hoek과 Mihalis 등은 초기 응력 ()과 터널크

기를 고려한 터널안정계수를 제시하였고, Bhasin은 암

반의 일축압축강도 ()에 대한 접선 응력 ()의 비

를 근거로 하여 연암의 압출정도에 따른 안정계수를 제시하였다.

그림 1에서 터널 굴착에 따른 암반 변형은 터널직경 약 1/2 거리의 막장 전방에서 시작되어 터널직경 1.5배 거리의 막장 후방까지 계속 증가하여 최대치에 도달하며, 막장에서는 이미 전체 반경방향 변위의 약 1/3이 발생하고 터널 막장에서 내측으로 변형이 발생하고 있다. 이러한 변형이 터널의 굴착에서 안정성에 미치는 영향은 초기 응력수준에 대한 암반 강도의 비에 따라 결정된다.

연약한 지반조건이나 큰 토피하중 때문에 터널굴착이 어려운 지반조건에서 전단면 (full section)굴착이나 대단면 터널의 분할굴착 등을 실시하는 경우에는 굴착시에 보강공법을 사용할 필요가 있다. 보강공법을 적용하면 고유 지반특성이 개량되고, 대표적 지반정수 값이 낮은 잔류 응력상태로 되는 소성영역에서 발달되는 변형을 억지시킨다. 또한 터널굴착에서 보강공법은 굴착단면의 증가, 굴진장의 증가, 연약한 지반조건에서 안정성 유지등에 도움이 되며 굴착작업시 대형기계의 사용이 용이하다.

NATM 공법에서는 록볼트와 숏크리트를 중요한 지보 부재로 하여 터널 주변과 막장 후방에 국한된 내공변위를 억제하는 반경 방향의 지반보강이 이루어져 왔다. 이러한 개념의 보강 기술을 연약한 지반조건에 적용하는 경우에는 보강이 막장 후면에 제한되어 그림 2와 같이 막장 전방 코어에서 발생하는 변형을 무시하므로 이미 발생한 변형을 흡수하기 위한 변형성 있는 라이닝의 설치가 필요하지만 이는 실제적으로 복잡한 응력-변형 조건에서는 부적당하다는 것이 증명되었다.

따라서 막장 후방에 대한 보강보다는 막장 전방에 대한 능동적인 보강을 수행함으로써 선행변위의 변형을 흡수할 필요가 있다. 막장 전방을 체계적으로 보강하는 보강기술 (umbrella of grouted pipe, mecha-nical pre- cut, reinforcement of the face)의 개발로 분할굴착을 최소화하고 전단면굴착이 가능하여 기계화 시공이 원활하게 되었다. 이러한 보강기술은 내공변위-구속 (convergence-confinement method)방법을 사용하여 접근할 수 있고, 이 접근방법은 단순하지만 터널 안정을 위하여 지보구조와 지반 자체가 상호 작용하는 효과적인 보강기술임을 알 수 있다.

2.2 지반의 변형거동

터널 굴착시 지반의 변형거동은 막장 전방의 코어, 막장과 터널벽체의 안정 등에 관계되며 선행변위, 막장압출변위, 내공변위의 형태로 나타난다. 이러한 변형거동은 그림 3과 같이 막장-전방 코어에서 막장압출변위와 선행변위에 따른 지반 탈락이나 막장 붕괴와 함께 막장 후방에서 천정과 터널벽체에서의 지반 탈락이나 벽체 붕괴와 같은 내공변위에 의한 영향으로 나타난다.

전방 코어는 막장 전방에 위치하여 터널 직경과 같은 크기의 직경과 높이를 가지는 원통형의 형태를 가지는 영역을 말하며 막장압출변위는 전방 코어 내부에서 발달한 굴착작용에 의한 변형거동으로 전방 코어의 강도 및 변형 특성과 관계가 있다. 이러한 막장압출변위는 터널 축방향에서 막장표면에 나타나고 기하학적 형상은 다소 축대칭이거나 원통형으로 나타난다. 선행변위는 터널 막장 전방의 이론적 단면에서의 변위이며 전방 코어의 강도 및 변형 특성과 초기 응력상태의 관계에 의존하다. 터널의 내공변위는 전방 코어의 거동 (선행변위, 막장 압출변위)과 밀접한 관계가 있는 막장 후방의 변형거동이다.

즉 터널에서 전방 코어의 변형은 전체 변형과정과 변형의 구성요소인 막장압출변위, 선행변위, 내공변위가 발생하는 원인이 되며, 전방 코어의 강성은 장․단기적으로 터널 안정성을 유지하는데 매우 중요한 역할을 수행한다.

2.3 터널 막장의 역학적 거동

앞서 서술한 바와 같이 전방 코어의 변형특성은 굴착에 따른 지반의 변형응답을 결정하는 중요한 요소이며 직접적인 원인이 된다. 터널굴착에서 전방 코어의 변형특성이 지반 변형응답의 원인이므로 적합한 보강대책으로 강성을 유지하여 지반응답을 조절하기 위해서는 전방 코어를 이용하는 것이 효과적이다. 전방 코어의 지반 강도와 변형특성을 유지하거나 개량함으로서 전방 코어의 강성 조절이 가능해지고 터널의 변형응답을 조절할 수 있다. 특히 전방 코어에서 일어나는 막장압출변위와 막장 통과 후에 터널주변에서 발생하는 내공변위 사이에는 밀접한 관계가 있으므로 전방 코어의 막장압출변위 구속과 같은 변형특성을 조절함으로서 터널의 변형을 인위적으로 감소시킬 수 있다.

불확실한 응력상태에 관계된 지반 강도와 변형 특성을 조절하기 위하여 막장 전방 코어와 터널사이에서 적합한 안정대책을 도입하여 치수를 조절하고 균형을 이룰 수 있다. 지반이 탄-소성 범위에서 응력을 받을 때 응력상태가 지반 특성보다 작으면 전방 코어에 수평방향 보강을 하지 않더라도 반경방향 보강만으로 터널이 자립할 수 있고, 반대로 응력상태가 크다면 터널굴착 후에 반경방향 보강이 아닌 전방 코어에 수평방향 보강이 필요하다. 지반이 파괴 범위의 응력을 받으면 굴착하려는 터널에 선행구속력을 가하여 전방 코어를 보강해야 하며 막장에서는 적합한 구속작용으로 추가 보강이 필요하다. 이러한 경우 터널주변에 지반 물성이 개선된 보호 천정부를 형성시켜 전방 코어의 형태와 크기를 유지하도록 하고, 이러한 보강대책이 불충분하면 전방 코어가 독립적으로 지지하지 못하므로서 발생하는 잔류변형 (resid-ual convergence)을 흡수하기에 충분한 크기로 터널주변 반경방향으로 지반 보강이 필요하다.

3.터널 막장 보강방법

터널 안정성을 확보하기 위한 터널 막장의 보강방법을 선정하기 위하여서는 막장 거동을 판단하고 분류하여 거동에 따른 선행구속 또는 구속과 같은 적절한 보강대책을 수립하여야 한다. 터널에서 막장과 전방 코어 시스템의 안정은 굴착시 지반의 변형 응답에서 중요한 역할을 하고 장․단기적으로 터널 안정을 가져온다. 터널안정에서 전방 코어가 존재하여 유리한 영향을 미치는 것을 알고 있으나 그 영향을 이용하거나 막장의 불안정을 해결하려는 시도는 많이 이루어지지 않았다.

터널 막장 수평보강공법의 적용 사례에 관련된 논문과 수치 모델링에 의한 연구논문이 유럽지역을 중심으로 발표되고 있다. Mastropietro (Mastropietro, 1979)는 파쇄된 이회토 (marl) 지반에서 5m의 강봉을 이용한 막장 수평보강사례를 최초로 발표한 바 있으며, Barbacci 등 (Barbacci, Pelizza, Stangatelli and Turco, 1990)은 팽창성 점토지반의 수로터널에서 3.0m 길이의 Swellex 볼트와 12m 길이의 마이크로 파일을 이용한 막장 보강 사례를 보고한 바 있다. Lunardi 등 (Lunardi, Focaracci, Giogi and Papacella, 1992)은 유리섬유 강봉을 이용한 수평보강공법을 적용하고 현장에서 보강재의 응력을 측정하여 얻어진 터널 거동을 보고한 바 있다.

최근에는 Grasso 등 (Grasso, Mahtab, Pelizza and Rabjoli, 1993)이 축대칭 유한요소해석을 수행하여 수평보강재의 보강효과를 정성․정량적으로 평가하였으

며, 보강효과를 정량화하는 방법으로서 등가 점착력

() 개념을 식 (1)과 같이 제시하였다. 여기서 와

는 지반의 점착력과 내부마찰각이며,는 보강재로

인한 최소주응력 증가량을 나타낸다.

  (1)

한편, Peila (Peila, 1994)와 Peila 등 (Peila, Oreste, Pelizza and Poma, 1996)은 각각 유한요소법 및 유한차분법을 이용하여 매개변수 연구를 수행하고 그 결과를 토대로 식 (2)로 정의되는 막장 등가압력을 이용하여 막장 수평보강효과를 정량화하는 방법을 제안하였다. 여기

서, n은 보강재수, A는 보강재의 단면적, 는 보강재의 항복강도,는 막장단면적, 은 보강재의 주면면적, 그리고 는 지반과 보강재 사이의 마찰응력으로 정의

된다.

 (2)

막장 수평보강을 통한 터널 안정성 확보에 관한 관심이 증가되면서 이에 관련된 연구가 이루어지고 있다. Calvello와 Taylor (Calvello and Taylor, 1999) 및 Yoo와 Shin (Yoo and Shin, 1999)은 각각 원심모형시험 및 3차원 유한요소해석을 통해 수평 보강 막장의 거동 메커니즘에 관한 매개변수 연구를 수행하고 그 결과를 제시한 바 있다. 특히, Yoo와 Shin은 수평 보강 막장의 거동 메커니즘과 아울러서 보강재 길이 및 타설 본수와 변위억제 효과와의 정량적인 관계를 제시하였다.

적정한 보강방법을 선정하기 위하여서는 막장과 터널의 응력-변형거동에 관한 막장전방 지반의 전방 코어 강성의 중요성이 터널 안정을 위하여 필히 고려되어야 하며 터널 거동에 따라 적절한 보강형태를 선정한다. 이러한 거동범주에 근거하여 터널의 변형 현상을 조절하여 완벽한 터널의 안정을 달성하기 위하여 적용하는 선행구속력, 구속력 또는 선지보의 보강작용 형태를 결정한다.

막장 보강에 의한 지반 개선효과는 막장 보강이 이루어진 국부적인 지반에 미치는 영향과 막장 전방의 지반물성 개선에 따른 전반적인 지반 거동효과로 대별된다. 국부적인 지반개선 효과는 전단저항의 증가, 구속압력, 국부적인 아치효과에 의한 기계적인 지보로 나타나게 된다.

그라우팅, 제트그라우팅은 인위적인 지반의 시멘트화 고결현상에 의하여 전단저항이 증가하는데 그라우팅은 지반이 투수성이 충분히 커서 침투와 주입재의 확산이 용이하여야 하며 제트그라우팅은 전단강도가 약하므로 직경 40㎝~100㎝의 일정한 수평기둥을 형성시켜야 한다. 네일링은 구속압력을 가하여 그림 5의 식 (3)와 같이 전단 저항의 증가에 상응하는 구속압력의 증가가 발생하게 된다.

즉, 구속압력을 점착력증가 로 나타내면 다음과 같다.

  (3a)

  (3b)

여기서,는 구조체의 저항 단면,는 구속압력,

는 구조체를 포함하는 재료의 항복강도 특성이며,은

수평 종방향 간격,는 직각단면 간격,은 재료거동에 의한 안정계수이다.

전반적인 지반 개선 효과는 국부적인 아치효과의 연속성으로 형성되는데 포어폴링에 의한 국부아치효과에 의하여 발생하는 보 (beam) 효과와 그라우팅, 제트그라우팅과 네일링에 의한 전단저항과 구속압력의 증가에 따른 막장 안정과 구속이 이루어지고 그라우팅과 제트그라우팅에 의한 전단 저항의 증가효과로 인하여 전반적인 지반의 아치효과가 형성된다

막장 보강방법은 전방 코어에 미치는 역할에 따라 보호대책 (protective intervention)과 보강대책 (rein-forcement intervention)의 두 가지로 구분할 수 있으며 각각의 기술적인 방법은 그림 6, 그림 7과 같다. 극단적인 응력-변형 조건에서는 막장 전방코어의 보호와 보강작용이 혼합된 효과를 얻기 위하여 2가지 또는 그 이상의 보강대책을 조합하여 사용하기도 한다.

4.수치해석에 의한 보강효과 검토

터널의 안정성평가를 위한 거동특성을 얻기 위한 방법으로 이론적인 해를 구하는 것은 많은 제약조건과 가정사항에 따라 실제적인 문제 해결에 적합하지 않으며, 실물 또는 모형실험을 하기에는 극히 국한된 상태에서만 가능하다. 따라서, 본 연구에서는 수치해석을 이용한 매개변수 해석을 수행하여 다양한 지반조건에서 보강방법에 따른 막장의 압출변위와 터널의 거동을 얻고자 한다. 이러한 결과를 통하여 막장 보강의 효율성을 평가하고, 막장의 안정성 향상을 위한 보조공법사용으로 터널 전체의 안정성이 향상되는 것을 입증하고자 한다.

본 장에서는 수치해석을 사용하여 다양한 지반조건에서 터널 보강공법 조합에 따른 막장 압출변위 및 천단변위, 지표침하의 거동특성을 산정하며, 보강재의 보강범위 및 보강방법을 매개변수로 한 매개변수 해석을 수행하여 막장 보강의 효율성과 막장 보강이 터널의 거동특성과 안정성에 미치는 영향을 검토한다.

4.1 해석조건

터널주변의 지반은 파쇄대로 간주하여 해석 대상 전체를 균질한 지반으로 가정하고, 응력장 및 변위장의 방향적 일관성을 유지할 수 있도록 등방성을 가지는 것으로 하였다.

4.1.1 터널의 제원과 경계조건

그림 8은 FLAC3D를 이용하여 모형화한 굴착된 터널을 나타내고 있다. 터널의 형태는 원형으로 간략화 하였으며 내부직경 D는 지하철 단선터널 형상을 반영한 등가직경을 고려하여 7.9m로 하였다. 본 연구에서는 터널바닥과 하부경계면의 거리를 터널직경의 3배인 3D, 터널 폭에 대하여 수평방향으로 4D와 터널의 진행방향으로 6D의 해석영역을 설정함으로서 경계면의 영향을 최소화하였다. 또한, 터널 천단에서 지표까지의 토피고는 얕은 심도의 터널을 고려하여 3D로 설정하였다. 이와 같이 3차원으로 모형화된 터널과 주변지반은 7,812개의 영역과 9,152개의 절점으로 이루어져 있으며, 보강재로 사용되어진 파일 (pile), 쉘 (shell), 케이블 (cable)의 구조요소가 총 1,741개 사용되었다.

보강재로 사용되어진 숏크리트의 두께는 20cm이며, 사용된 숏크리트와 유리섬유, 강관의 제원 및 물성은 표 1과 같다.

4.1.2 해석순서 및 지보재 모형화

해석은 초기응력 (측압계수 1.0) 형성을 위한 초기화, 굴착 및 보강 순으로 수행하였다. 전단면굴착을 모형화하였으며, 길이방향으로 모형화된 굴착면을 한번에 굴착하는 것으로 하였다. 지보재는 굴착과 동시에 설치하였으며, 해석경우에 따라 지보재의 조합을 달리하였다. 지보재의 구성은 숏크리트와 RPU 및 유리섬유로 구성되며 모형화된 지보재 각각의 형상은 그림 9와 같으며, 보강재 요소는 표 1의 물성으로 모형화하였다. RPU 강관은 보요소로 모형화하였으며, 그라우팅 보강은 보강재로 사용하는 강관의 직경과 같은 두께 10cm의 쉘요소로 모형화하였다. 유리섬유 막장 보강은 케이블 요소로 모형화하여 막장부터 주어진 길이만큼 막장 전방에 설치한 것으로 하였다.

4.1.3 막장 보강재의 타설본수

보강재의 타설본수가 많아질수록 터널의 안정성은 높아지게 되어있다. 하지만 시공성과 경제성을 고려하여 적정한 타설본수를 결정하여야 한다. 터널의 안정성을 충분히 확보하기 위해서는 보강재의 타설본수 증가에 따른 터널의 거동을 분석함으로써 보강효과의 유효성을 검토하고 이를 통하여 보강재 타설본수를 결정할 수 있다. Yoo와 Shin (Yoo and Shin, 1999)의 연구에서 수치해석적인 방법으로 보강재수 변화에 대한 막장압출변위와 지표변위의 변화를 통하여 임계보강재수를 제안하고 있다. 본 연구에서는 주어진 단면에 대한 임계보강재수로부터 보강재의 유효면적을 막장의 1m2당 보강재의 타설본수를 적용함으로서 보강재수의 밀도개념을 사용하였다. 참고문헌을 통하여 보강효과의 한계를 1본/m2로 제한하여 그 이상의 보강재 설치에 의한 보강효과는 없는 것으로 가정하였다.

4.2 해석결과 및 고찰

매개변수 해석을 수행하여 터널을 구성하는 지반조건 및 굴착방법, 지보재의 종류 및 특성 등에 따른 막장면을 포함한 터널의 거동을 수치해석적으로 산정하며, 수치해석의 결과를 통하여 터널의 안정성을 예측하고자 한다.

4.2.1 천단변위

점착력이 2.0tonf/m2인 취약한 지반 ����의 천단변위는 막장에 의한 3차원적인 보강효과가 나타나지 않고 오직 1차 지보로 사용된 숏크리트에 지배되는 값임을 알 수 있다. 특히, RPU 보강과 막장면 수평보강이 적용되지 않은 경우에는 숏크리트가 설치된 구간에서 일정한 천단변위 값을 나타내고 있으므로 숏크리트가 기능을 발휘하는 시간이 길어지게 되면 추가의 변형이 지속적으로 발생하여 붕괴로 이어질 가능성이 있다. RPU 보강과 막장면 수평보강에 따라 비율은 일정하지 않으나 보강량이 늘어날수록 천단변위가 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

4.2.2 내공변위

내공변위도 천단변위와 유사한 경향을 나타내고 있다. 파쇄대 지반 ����에서는 막장면을 경계로 내공변위의 불연속이 발생하기 때문에 이 경우 역시 숏크리트의 강도발현이 늦어지면 추가 변형이 예상된다. 내공변위에 있어서도 보강효과가 표출되는 취약지반에서는 RPU 보강과 막장면 수평보강의 보강량이 증가하면 내공변위량이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

4.2.3 지표침하

종방향 지표침하와 횡방향 지표침하는 취약한 지반에서 큰 변형은 발생하나 불연속적인 침하형태는 나타나지 않는다. 지표침하 역시 보강재의 보강량이 증가하거나 지반 물성이 불량하면 보강재에 의한 보강효과가 증대하는 것을 확인할 수 있다.

4.2.4 막장면 수평보강에 의한 압출변위의 억제

그림 14, 그림 15는 RPU 보강이 병행되는 경우에 있어서 막장 안정을 위한 유리섬유의 막장면 수평보강에 따른 전방코어의 압출변위를 도시한 것이다. 불량한 지반으로 모형화된 막장 보강이 이루어지지 않은 경우 압출변위가 과다하게 발생되어 수치해석의 수렴범위를 벗어나 해석이 종료가 되지 않았으며 막장 불안정에 의한 붕괴가 발생되는 것으로 간주된다. 전 대상에 대하여 유리섬유의 길이가 터널 직경의 1.0배인 경우와 1.5배인 경우에서 그 차이가 크지 않게 나타났으나 막장 보강을 하지 않은 경우에 비해서는 큰 구속효과를 얻고 있다. 따라서 막장면 수평보강을 위한 유리섬유의 길이는 전방코어에 해당하는 1.0D만으로도 충분한 것을 알 수 있다.

표 3은 막장면에서의 압출변위의 최대값을 보강조건에 따라 비교한 것으로 유리섬유에 의한 막장 보강효과를 얻기 위하여 유리섬유의 보강이 이루어지지 않은 경우의 최대 압출변위에 대한 보강된 경우의 압출변위의 비도 함께 나타내었다.

RPU 보강을 하지 않은 경우에는 대변형이 발생되어 유한차분해석시 불균형력이 수렴되지 못하고 발산되어 최종해석을 수행할 수 없었다. RPU 보강을 수행한 경우 해석범위 내에서 막장 보강 효과로 최대 79%까지 압출변위 억제효과를 얻을 수 있으며, 취약한 지반일수록 막장 보강이 필수적임을 알 수 있다.

4.2.5 압출변위 억제에 의한 천단변위의 변화

전술한 바와 같이 전방 코어의 안정성 확보는 터널 전체의 안정성을 확보하기 위한 필수적인 요소라 할 수 있다. 이는 전방 코어 안정을 위하여 보강에 의한 압출변위의 제어에 따른 터널의 거동을 평가함으로써 확인할 수 있다.

그림 16은 각 지반조건에 대한 최대 천단변위의 변화를 보강조건에 따라 보강효과로 표현한 것이다. 즉, 막장으로부터 가장 멀리 떨어진 최대 천단변위를 무보강 조건에서의 최대 천단변위에 대하여 감소비로 나타낸 것이다. 취약한 지반조건인 점착력 2tonf/m2에서는 최대 보강상태에서 천단변위가 무보강상태에 비하여 48% 감소

됨으로서 큰 보강효과를 얻을 수 있으며, 각 보강조건별 평균 30%의 보강효과를 얻을 수 있다. 점착력이 5tonf/m2인 경우 상대적으로 양호한 지반으로서 최대 7%, 평균 4%의 보강효과를 얻을 수 있어 불량한 지반에서 보강효과가 크게 나타나는 것을 입증할 수 있다.

RPU 보강을 제외한 막장 보강유무에 따른 천단변위 억제효과는 얻을 수 있으나 막장 보강재의 길이변화에 대해서는 대부분 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 하지만 RPU 보강에 의한 천단변위의 억제효과는 상대적으로 크게 나타나므로 천단변위의 변위억제를 위해서는 RPU 보강이 보다 효율적임을 알 수 있다.

4.2.6 압출변위 억제에 의한 지표침하량의 변화

그림 17은 각 지반조건에 대한 최대 지표침하량의 변화를 보강조건에 따라 보강효과로 표현한 것이다. 즉, 막장으로부터 가장 멀리 떨어진 터널 입구 상단 지표에서의 지표침하량을 무보강 상태의 최대 지표침하량에 대하여 감소된 비로 나타낸 것이다. 취약한 지반조건인 점착력이 2tonf/m2인 경우 최대 보강상태에서 최대 지표침하량 감소비는 77%로서 큰 보강효과를 얻을 수 있고, 각 보강조건별 평균 50%의 보강효과를 얻을 수 있으며, 이러한 값은 천단변위에 대한 보강효과와 유사한 경향을 보이는 값이다. 점착력이 5tonf/m2인 경우에는 최대 2%, 평균 1%로 보강효과가 크게 줄어들어 불량한 지반에서 보강효과가 크게 나타나는 것을 입증할 수 있다.

천단변위의 분석결과와 마찬가지로 RPU 보강을 제외한 막장 보강유무에 따른 최대 지표침하량 억제효과는 얻을 수 있으나 막장 보강재의 길이변화에 대해서는 대부분 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 하지만 RPU 보강에 의한 최대 지표침하량의 억제효과는 상대적으로 크게 나타나므로 최대 지표침하량의 침하억제를 위해서는 RPU 보강이 보다 효율적이며, 불량한 지반에 대하여 복합적인 보조공법의 시공으로 최대의 보강효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

4.2.7 막장 보강에 의한 전방코어의 응력변화

그림 18은 막장전방코어 터널중심축에서 터널 축방향응력의 변화를 나타낸 것이다. 막장 보강효과가 큰 경우 보강시 막장에서 약 15.6, 15.2tonf/m2의 축방향압축응력을 유지함에 따라 막장면에 내압을 가하는 것과 동일한 막장 안정효과를 가지고 있다. 상대적으로 보강효과가 적은 경우에는 보강전에 비하여 큰 응력 변화를 나타내지 못하고 보강시 막장에서 약 4.9tonf/m2의 축방향압축응력을 유지한다. 특히, 유리섬유의 길이에 해당하는 보강 범위 내에서는 압축응력을 유지하다가 보강범위를 벗어나는 전방코어에서 무보강상태의 응력곡선을 따라가는 것을 볼 수 있어 유리섬유의 길이가 막장안정에 큰 매개변수임을 알 수 있다. 하지만 전방코어 1.0D 이후에는 유리섬유의 길이에 의한 영향이 크지 않아 막장 보강의 유효범위가 1.0D의 코어에 국한되는 것을 알 수 있어 경제적인 보강범위를 결정할 수 있다.

5.결론

얕은 심도에서의 터널 시공은 대부분 불량한 지반에서 이루어지므로 굴착시 막장안정을 위한 보강공법이 필수적으로 수행되어야 한다. 본 연구에서는 기존의 터널공사에 사용되고 있는 RPU 보강방법과 함께 막장을 능동적으로 보강할 수 있는 막장 수평보강공법을 수행함으로서 내공변위, 막장 압출변위 및 지표침하를 제어하여 터널의 안정성을 향상시킬 수 있는 효과를 확인할 수 있었다. 즉, 막장에 대한 안정성 향상방안이 터널 전체의 안정성을 향상시켜 안전하고 경제적인 시공을 가능케 할 수 있음을 확인하였다.

1. 막장 안정을 위하여 유리섬유를 사용한 막장 안정 보강공법은 막장 압출변위를 능동적으로 제어할 수 있어 막장 및 전방코어의 안정성 향상에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

2. 막장면 수평보강공법을 독립적으로 사용하면 지반 조건에 따라 큰 차이를 보이나 지반이 연약한 경우에 최대 79%의 막장 안정효과를 보이며, RPU 공법과 병행하면 보다 안정된 상태를 유지할 수 있음을 알 수 있다.

3. 막장의 압출변위에 대한 천단변위와 지표침하 비는 막장 보강 후 일정한 값에서 수렴되는 경향을 나타내므로 천단변위와 지표침하는 막장의 압출변위에 종속적인 값이다. 즉, 막장 압출변위를 제어하게 되면 터널의 천단변위와 지표침하가 종속적으로 제어되는 것을 알 수 있다. 따라서 막장 수평보강공법을 사용하여 압출변위를 제어하면 터널의 최종 천단변위와 지표침하량이 감소한다. 또한, 불안정한 지반에 대하여 병행시공되는 RPU 보강의 범위가 증가함에 따라 천단변위와 지표침하비가 줄어들어 막장 변위와 함께 천단변위와 지표침하가 동시에 억제되는 것을 알 수 있다.

4. 터널 굴착에 따라 막장 전방코어 터널중심축에서의 터널 축방향응력은 막장에서 자유면이 되므로 0이 되어야 하나 점성토의 경우 막장에서 약 15.4tonf/m2의 축방향압축응력을 유지함에 따라 막장면에 내압을 가하는 것과 동일한 막장의 안정효과를 가지고 있다.

5. 실제 터널의 시공시 막장 보강에 의한 터널의 안정성 향상을 평가하기 위해서는 다층지반에서의 보강효과를 산정하여야 하며, 다양한 지반 물성값에 대한 응답의 분석이 이루어져야 실용적인 막장 보강의 범위를 결정할 수 있을 것으로 사료된다.