1. 서론

터널의 형상이 대단면으로 바뀌어 갈수록 위험도는 증가하게 되며, 기존 소단면에 적합한 공법들을 대단면 굴착에 적용할 경우에 안정성을 확신할 수 없게 된다. 산악지형이 많은 우리나라의 지형적 특성상 필연적으로 터널의 건설량이 꾸준히 증가하고 터널이 장대화 대단면화 되어지고 있는 상황이다. 터널의 굴착공법에 의하여 주변지반의 안정성이 크게 좌우되며 지형․지질, 환경조건, 터널의 단면형태, 구배, 단위공구의 길이 및 공기 등을 고려하여 지질조건에 적합한 굴착공법을 선정한다. 특히 막장이 자립할 수 있는 단면의 크기가 중요한 요인이 된다. 대단면 굴착에 있어서 막장 불안정과 터널의 변형이 붕괴로 이어지는 것을 방지하기 위하여 지반의 이완이나 침하량을 최소한으로 억제하는 것이 중요한 과제이다.

 대단면 NATM터널에서 지반자체로 막장의 안정을 유지하기 위해 분할굴착공법을 사용한다. 경제성 및 시공성을 고려하면 전단면 굴착이 유리하지만, 최근 도심지 등에서 지하공간의 활용 경향을 볼 때에 연약지반에서도 이용공간의 대형화 경향을 피할 수 없으므로 자립성이 좋지 않은 지반에의 대단면 안전 굴착을 목적으로 하는 분할굴착공법이 필요하다고 생각한다. 이처럼 분할굴착을 해야 한다면 더 나은 응력 상태를 유지할 수 있는 분할굴착공법을 강구해야할 것이다. 기존 터널굴착방법에 따른 터널주변지반 영향에 대한 연구에서 터널의 안정성에 큰 영향을 미치는 터널 주변지반의 파괴정도를 분석하였을 때에 전단면이나 상부반단면 굴착에 비해 사분할 굴착방법이 가장 적은 파괴영역을 발생시켜 가장 안전한 것으로 알려져 있다 (김영민, 1999). 대단면 NATM 시공에서 CD굴착 (중벽분할굴착)공법은 굴착 폭을 작게 하여 막장의 자립성이 향상되고 중벽으로 지지함으로써 천단의 안정성을 향상 시키는 시공 사례가 소개되고 있다.

따라서 본 연구에서는 터널의 단면분할 굴착공법 중 CD굴착(중벽분할굴착)공법에서 굴착순서에 따른 응력분포를 수치해석적인 방법을 이용하여 관찰하고, 막장주변의 응력집중을 최소로 하는 최적의 막장 이격거리와 굴착순서를 도출하고자 하였다. 해석에 사용한 프로그램은 국내에서 상용화되고 있는 3차원 연속체 해석 프로그램인 FLAC-3D Ver 2.1을 사용하였다.

2. 기본이론

2.1 굴착공법

 산악 터널에서의 굴착 공법(굴착 단면의 분할법에 의해 결정되는 시공법)은 막장의 자립성, 지반의 지지력, 지표면 침하의 허용치 등을 고려해서 결정되지만 시공성, 경제성, 공사 기간에도 크게 영향을 미치기 때문에 사전의 지질 조사 결과를 충분히 검토해서 선정한다.

 일반적으로 터널의 전단면을 한번에 굴착하는 공법이 시공성의 면에서나 경제성의 면에서도 우수하지만 지반 강도가 낮으면 막장의 자립성에 의해 굴착할 수 있는 단면의 성상, 크기가 제한되기 때문에 터널 단면을 분할해서 굴착하게 된다. 굴착 공법의 선정은 터널 단면을 어떻게 분할해서 굴착하는가를 결정하는 것이다.

 산악 공법에서 대표적인 굴착공법 중 터널 단면을 중벽에 의해 좌우로 2분할하고 각 분할 단면을 2~3단 벤치로 굴착하는 공법이 있다. 좌우 어느 한 쪽 반단면을 선진 굴착하고 다른 한쪽의 반단면을 그 후에 굴착하기 때문에 선진 터널과 후진 터널 사이에 중벽이 형성됨으로 중벽 분할 공법이라고 한다. 이 공법에는 CD (Center Diaph-ragm)공법, CRD (Cross Diaphragm)공법이 있으며, 전자는 각 벤치를 폐합시키지 않고, 후자는 폐합함으로서 구별된다. 피복 두께가 얕은 토사 지반의 대단면 터널에 적용 사례가 많다.

2.2 막장이격거리에 따른 안정성 검토

터널 시공시 대상지반의 상태가 견고하지 못하여 전단면 굴착에 의한 터널 시공이 불가능할 경우 분할굴착공법을 선정한다. 분할굴착공법 적용시 상․하 막장간 이격거리를 bench길이라고 하며 이에 따라 long bench, short bench, mini bench등으로 나누고 터널 막장의 상태, 암종, 자립정도에 따라 달리 적용한다. 그러나 일반적으로 터널시공 현장에서는 단순히 시공성만을 고려하여 상부 반단면을 50m 이상 굴착하는 long bench 공법이 무분별하게 사용되고 있다. 따라서 터널 시공중의 장․단기 안정성을 위해서는 막장이격거리에 따른 안정성 검토를 수행하여야 한다.

3. 수치해석을 통한 안정성 검토

3.1 지반 모델링

본 해석에서 적용된 터널단면의 직경은 19.26 m으로서 4차선 도로 터널단면을 적용하였다. 경계조건은 예비해석 검증을 통해 해석시의 영향을 최소화할 수 있게 충분한 경계를 두어 좌․우 3.5D, 하부 3D, 토피고 50m로 길이 160m, 높이 120m, 폭 140m의 mesh를 적용하였다.

3.2 해석방법 및 조건

모델의 경계는 수직면과 바닥 수평면은 자유도를 구속하였다. 지반의 파괴조건은 Mohr-Coulomb식을 적용하여 탄소성해석을 하였으며 초기지압은 측압계수를 1.0으로 설정하였다.

대단면 터널 굴착시에 중벽분할굴착공법을 적용하였을 경우 4개 막장의 이격거리에 따른 응력집중도와 터널 단면에서의 최대변위를 분석하여 최적의 막장이격거리를 도출하고자 암반등급3과 암반등급5에 대해 설계변수를 암반등급과 막장이격거리로 하여 해석을 수행하였다.

 굴착순서는 Fig. 2에 나타낸 것처럼 터널단면을 종․횡으로 나누어 수평방향으로 2분할하여 상부반단면이 먼저 굴착되는 것을 Case1, 종방향으로 2분할하여 터널의 오른쪽이 먼저 굴착되는 것을 Case2라 하였다. 해석의 각 조건은 Table 1과 같이 굴착순서와 암반등급별로 각 막장간 이격거리를 2m~40m까지 2m씩 증가시키면서 적용하였다. 4개의 막장은 모두 같은 이격거리를 유지하면서 굴진되고 굴진장은 암반등급3에서 2.0m, 암반등급5에서 1.0m으로 하였으며 암반의 순수한 거동 관찰을 목적으로 지보는 하지 않았다.

터널 단면에서의 천단변위, 내공변위, 중벽변위, 막장변위를 측정한 위치를 Fig. 3과 같이 표시한다. 내공변위는 벤치높이에서 1.0 m 위에서 측정하였고 천단변위는 중벽의 지지로 인해 발생변위가 작을 것으로 예상되어 center에서 1.7m 떨어진 지점을 측점으로 하였다. 내공변위는 통상 터널내 두 점간 상대변위를 의미하나 본 연구에서는 좌․우측 벽 변위의 절대값의 합으로 나타내었다.

3.3 대상지반 물성

대상지반은 양호한 지반조건의 암반등급3과 풍화암정도의 암반등급5에 대해 해석을 실시하였으며 암반의 순수한 거동을 관찰하기 위하여 지보는 하지 않았다. 적용된 지반 물성치는 기존 터널 안정성 해석 시 사용된 자료를 참고로 하여 결정하였다. 적용된 대상지반 물성치는 아래의 Table 2와 같다.

4. 수치해석 결과

4.1 암반등급3

양호한 지반조건인 암반등급3에 대한 각 Case의 내공변위와 천단변위의 최대값을 나타낸 결과는 Table 3과 같다. Case1에서 내공변위와 천단변위는 막장 이격거리 2m일 때 가장 크고 점차 감소하여 16m에서 내공변위 2.83mm, 천단변위 3.91mm으로 가장 작은 값을 나타내며 그 이후에는 다시 증가하는 양상을 보인다. Case2에서도 내공변위 2.99mm, 천단변위 3.72mm으로 막장이격거리 16m인 경우 변위가 최소로 되는 것을 알 수 있다. 내공변위와 천단변위의 최대값을 Fig. 4와 같이 나타낸다.

Case2에서 Case1에 비해 내공변위는 약간 증가하는 반면 천단변위는 감소하는 것을 알 수 있다. 천단변위가 감소하는 것은 상반의 왼쪽 막장이 나중 굴착될 때까지의 중벽 지지 효과로 생각되며 막장이격거리 16m이후 천단변위 증가는 무지보 span의 길이가 길어지면서 휘어짐 현상에 의한 것으로 생각된다.

터널이 굴착될 때에 각 단계에서의 변위를 알아보기 위해 굴착단계에 따른 내공변위, 천단변위, 막장변위를 측정하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 내공변위와 천단변위는 굴착된 막장의 한 막장 후방위치에서 측정하였으며 막장변위는 굴착된 막장면의 변위값을 측정하였다. 내공변위와 막장변위는 막장이격거리 8m이후에 수렴하는 양상을 보이고 천단변위는 막장이격거리 16m이후에 소폭 증가하는 것을 알 수 있다. Fig. 5와 6에서 보면 천단변위는 Case1이 더 크고 내공변위는 Case2가 더 크게 나타나지만 그 차이가 매우 미소하며, Case1과 Case2의 막장이격거리별 변위의 감소 경향은 비슷하다.

4.2 암반등급5

불량한 지반조건인 암반등급5에 대한 결과는 지반조건이 불량하여 전체적으로 변위값이 크게 증가한 것을 알 수 있으며 Case1에서 안정적인 막장이격거리는 8m일 때로 내공변위 28.74mm, 천단변위 30.78mm로 계산되었다. Case2의 경우 또한 내공변위 29.54mm, 천단변위 28.23mm로 막장이격거리 8 m일 경우 변위가 최소값을 나타내는 것을 알 수 있다. 내공변위와 천단변위의 최대값을 Table 4와 Fig. 7과 같이 나타낸다.

Case1과 Case2 사이에 내공변위의 차이는 근소하나 천단변위는 Case2의 값이 좀더 작은 것을 알 수 있다. 막장이격거리가 짧을 경우보다는 막장이격거리가 길어지면서 천단변위의 차가 증가하는 모습을 나타낸다. 이것은 무지보 span이 길어질수록 중벽의 지지력이 천단변위 발생을 억제시키는데 효과가 있다고 생각되어진다. 

암반등급5를 적용하여 해석한 결과 굴착직후 막장면에서의 변위와 굴착단계별 변위 경향성을 다음 그림과 같이 나타낸다. 내공변위와 천단변위는 막장이격거리는 모두 8m 이후에 수렴해 가는 것을 알 수 있다. Fig. 8과 9에서 천단변위는 Case1이 더 크고 내공변위는 Case2가 더 크게 나타나지만 그 차이가 매우 미소하며, 암반등급3 해석결과와 마찬가지로 Case1과 Case2의 막장이격거리별 변위의 감소 경향은 비슷하게 나타나고 있다.

5. 결론

본 연구에서는 대단면 터널에서 중벽분할굴착공법을 적용할 경우 막장면의 변위 발생과 응력집중현상을 최소로 하는 굴착순서 및 막장 이격거리를 검토하기 위하여 3차원 연속체 해석을 수행하였다.

양호한 지반조건인 암반등급3과 불량한 지반조건 암반등급5에 대해 해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1.대단면 터널에서는 분할굴착시에 작업공간의 충분한 확보로 각 막장의 동시 굴진이 가능하므로 양호한 지반조건 암반등급3에서는 16m이상, 불량 지반조건 암반등급5에서는 8m 이격거리를 두고 굴진 할 경우 가장 안정하다는 결과가 나왔다. 하지만 이결과는 수치해석을 통한 정성적인 결과 값이므로 향후 시공에 적용하기 위해서는 실측 또는 실험결과등과 비교검증이 필요하다고 판단된다.

2.최대 주응력 분포도에서 3등급의 경우 16m부터 상반 오른쪽 막장의 응력집중현상이 완화되는 것을 알 수 있으며 5등급의 경우 8m 이후에 응력집중현상이 완화되지만 16m 이후에는 하반에 응력집중 범위가 넓어지는 것을 알 수 있다.

3.3등급과 5등급 모두에서 막장이격거리가 길어질수록 천단변위가 증가하는 것을 볼 수 있는데 이것은 무지보 span의 길이가 증가하면서 휨 현상에 의한 것이라 생각된다.

4.터널단면을 횡으로 분할하여 상부반단면이 먼저 굴진되는 Case1보다 종으로 분할하는 Case2에서의 천단변위가 더 작게 나타나는 것을 알 수 있으며 이것은 중벽 지지력에 의한 천단변위 발생 억제 효과라 판단된다.

5.향후 측압계수별 Case1과 Case2에 대한 비교와 안정한 막장이격거리 및 측압계수가 큰 저토피 지반에서의 안정성에 대한 검토 또한 필요하다고 판단된다.