1.서론

터널시공이 주변 환경에 미치는 영향과 관련된 이슈 중 터널시공으로 지하수위가 저하되는 등 주변 물수지에 미치는 영향에 대한 사회적 관심이 증가함에 따라 터널 시공 중 발생할 수 있는 ‘안정성 혹은 시공성’ 문제와 더불어 ‘지속 가능한 건설기술’이라는 관점에서 매우 중요하게 다루어져야 한다.  즉, 지하수위 아래에서 시공되는 도심지 터널의 경우 시공 중 안정성 확보를 목적으로 지하수를 터널 인버트 하부 이하로 강제 저하시키는 경우가 많았으나 지하수위 저하로 발생하는 지반침하나 환경적 요인을 고려하여 이제는 지하수 저하를 되도록이면 억제하는 방향으로의 시공계획이 요구되고 있다. 아울러서 도심지역이 아닌 산간이나 농촌지역에서의 철도 혹은 도로 터널 시공시 터널이 인근 하천이나 저수지 등을 인접하여 통과하는 시공조건에서는 터널내부로의 유입수를 조절하지 않을 경우 주변 관정이 고갈되고 인근 저수지 수위가 저하되어 주변 물수지 변화에 대한 각종 민원이 발생할 소지가 있다.  최근의 고속철도 터널 시공구간에서 발생한 각종 민원 및 분쟁이 좋은 예라고 할 수 있으며 따라서 설계시 이에 대한 종합적인 검토가 매우 중요한 설계항목으로 대두되고 있다.  특히, 주변 물수지의 문제와 아울러서 특히 도심지 구간에서의 터널시공 환경은 날로 열악해지고 있어 과거에는 상상도 못하는 시공조건에서 극한적인 ‘물과의 싸움'이 예상되는 조건에서의 터널 설계가 이루어지고 있다. 특히, 현재 한창 시공 중인 서울 지하철의 일부구간은 지하수위가 지표면과 거의 일치하며 자갈, 모래층에 시공되도록 설계되어 있어 터널 기술자들에게는 ‘터널시공과 지하수의 상호작용에 대한 고찰’이 요구되는 터널 설계 및 시공 전반에 걸쳐 우리 기술을 향상시킬 수 있는 좋은 기회라 할 수 있다.

터널시공과 지하수의 상호작용이 예상되는 구간에서의 터널 굴착은 지반 내 간극수압의 변화를 동반하여 지반 내 유효응력의 변화를 가져와 터널주변 지반의 하중지지능력을 감소시키고 아울러서 지하수위 저하 구간에서는 흙의 체적변화로 인해 지반변형이 증가된다. 이는 곧 지반침하의 증가, 숏크리트 라이닝 작용하중 증가 및 주변 지반의 하중지지력 감소 등의 문제가 발생하므로 설계단계에서는 물론 시공단계에서도 이에 대한 고려가 필요하다. 터널 설계시 지보패턴 및 굴착공법의 타당성 검토시에는 유한요소법 혹은 유한차분법에 근거한 수치해석기법을 적용하고 있다. 따라서 이와 같이 터널시공과 지하수의 상호작용이 예상되는 구간에 대해서는 역학적 (mechanical) 측면과 수리학적 (hydraulic) 측면이 고려된 응력-간극수압 연계해석이 필요하며 특히, 터널의 거동에 있어 시공 순서 및 과정이 매우 중요하므로 이러한 연계해석에서는 시간개념이 도입된 해석 기법의 적용이 요구된다. 그러나 현재 실무에서 적용하고 있는 각종 터널해석 프로그램의 연계해석 기능의 제한성 및 해석 모델링에서의 기술적인 어려움 등으로 인해 터널굴착과 지하수의 상호작용이 고려된 응력-간극수압 연계해석을 설계에 적절하게 반영한 예는 그다지 많지 않다.

최근 들어 터널시공과 지하수의 상호작용이 터널 및 주변 환경에 미치는 영향의 중요성이 대두되는 실정이며 이에 관련된 연구가 국내ㆍ외에서 수행된 바 있다 (Shin et al 2002a,b; 유충식 2003). 이러한 맥락에서 본 논문에서는 터널시공과 지하수의 상호작용이 우려되는 가상의 시공조건에 대한 3차원 응력-간극수압 연계해석을 이용한 매개변수 연구를 수행하여 터널설계 시 터널-지하수 상호작용 고려의 중요성을 고찰함과 아울러 터널-지하수-숏크리트 라이닝 상호작용 측면에서 지반/라이닝 투수성이 숏크리트 라이닝의 거동에 미치는 영향을 정성ㆍ정량적으로 고찰하였다.

2. 터널굴착과 지하수의 상호관계 - 이론적 고찰

2.1 기본 메카니즘

터널굴착은 지반/암반내의 배수구를 설치하는 것과 같은 맥락이며 따라서 대상 지반/암반의 투수성에 따라 정도의 차이는 있으나 터널 내부로의 지하수 유입을 야기 시킨다. 이러한 터널내 지하수 유입은 주변 수리학적 조건에 따라 그림 1 (a)와 같이 하저에 시공되는 터널의 경우처럼 터널 내부로 지하수 유입이 발생하더라도 주변에서 지속적인 지하수 유입조건이 성립될 경우에는 지하수위가 일정하게 유지되나 그림 1 (b)와 같이 지하수위 유입이 지속적으로 이루어지지 않을 경우에는 지하수위가 저하된다. 도심지 터널 설계의 관점에서 지반침하 등 지하수의 영향이 터널시공에 미치는 영향을 고려할 때 그림 1 (b)와 같이 터널굴착으로 지하수위가 저하하는 시공조건이 보다 중요하게 다루어져야 한다. 즉, 그림 2에서와 같이 터널내부로의 지하수 유입 시에는 주변 지하수위가 저하되며 지반 내 간극수압의 저하는 결국 유효응력의 증가로 이어지게 되어 지반 침하가 발생하게 된다.

2.2 지반침하 평가 및 라이닝 작용 수압

터널 시공시 지하수위 저하로 인한 지반침하는 결국 지하수위 저하량, 즉 터널굴착으로 인한 지하수위 저하로 인한 간극수압 감소량 과 밀접한 관계가 있으며, 터널설계 단계에서는 대상 조건에 대해서 과 침하량의 관계를 설정하여 설계에 반영하는 것이 필요하다. 일반적으로 지하수위 저하를 동반하는 터널시공조건에서의 지반침하 특성은 지표침하가 광범위하게 발생하는 것으로 알려져 있으며 따라서 지반침하로 인한 주변 구조물의 피해 영역 또한 넓어질 수 있다.

지하수위면 아래에서 터널을 시공할 경우 설계관점에서 지반침하 이외의 또 다른 이슈는 라이닝에 작용하는 수압에 관련된 내용이라고 할 수 있다. 일반적으로 터널 라이닝 설계시에는 라이닝 외부에 상부 지하수위에 해당하는 수두를 수압으로 가정하기도 하는데 이러한 가정은 일반적인 시공조건에서 매우 보수적이며 엄밀히 말해 라이닝이 100% 수밀도를 갖는 경우에만 타당하다고 할 수 있다. 그러나 콘크리트 라이닝은 콘크리트 자체가 갖고 있는 투수성과 시공조인트 혹은 건조수축에 의한 균열 등으로 인해 어느 정도의 투수성을 지닌다고 할 수 있다. 따라서 정도의 차이는 있으나 터널 내부로의 침투로 인해 수압의 일부가 해방되므로 라이닝에 작용하는 수압은 지하수위의 전수두보다는 작게 형성된다고 할 수 있으며 이와 아울러서 대상 지반/암반의 투수성에 따라 라이닝 외부수압 또한 달라진다 (KOWACO 1997). 그림 3은 라이닝 작용 수압의 개념도를 보여주고 있다.

2.3. 최근 턴기 설계구간 투수계수 조사

본 연구에서는 최근 수행된 턴키 설계에서 설계사들이 채택한 지층별 투수계수를 조사하였으며 그림 4는 그 결과를 보여주고 있다. 보이는 바와 같이 풍화토의 경우 2.5×10-4～5.0×10-5 cm/s의 범위를 그리고 경암의 경우에는 1.0×10-6～1×10-5 cm/s 정도의 투수계수를 적용한 것으로 나타났다.  이러한 수치는 각 설계사가 현장시험을 결과를 토대로 산정한 것으로서 점토의 투수계수가 1.0×10-6 cm/s의 정도를 보이는 것을 감안할 때 투수계수가 작을 것이라고 생각할 수 있는 경암의 경우도 절리 혹은 불연속면의 분포특성에 따라 상당한 크기의 투수성을 갖을 수 있다는 것을 알 수 있다. 한편, 이러한 투수계수는 터널 시공 전 현장 투수성을 반영하는 것으로서 터널 시공 시 주변에 이완영역이 형성되므로 시공 중 투수계수는 앞서 제시한 수치보다 클 수 있다 (KOW-ACO 1997).

한편, 균열이 없는 콘크리트 라이닝의 투수계수는 일반적으로 10-6 cm/s 정도를 보이는 것으로 알려져 있으며 라이닝 타설 후 발생하는 수축균열이나 시공 조인트로 인해  시공 후 투수계수는 위에 제시한 수치보다 현저히 큰 것으로 알려져 있다 (KOWACO 1997). 

그림 5는 콘크리트 시편에 대한 투수시험 결과를 시간에 따라 나타낸 것으로서 균열이 없는 경우와 균열 발생 후 투수계수의 변화경향을 도시하고 있다. 보이는 바와 같이 콘크리트의 투수계수는 균열폭의 크기에 따라 10-4 cm/s 정도까지 증가하는 경향을 보이고 있다. 숏크리트 라이닝 또한 이러한 범위를 크게 벗어나지 않을 것으로 판단되며 타설 후 발생하는 수축균열이나 하중분담으로 인한 균열이 발생할 경우를 감안하면 숏크리트 라이닝의 투수성은 타설 후 시간이 경과함에 따라 다소 증가할 것으로 사료된다. 이러한 경향을 실무적 관점에서 고찰하면 터널 굴착으로 인해 지하수 유동이 발생하는 구간에서의 숏크리트 라이닝의 유발응력이 지반과 숏크리트의 상대적 투수성에 따라 좌우되므로 (유충식 2003) 숏크리트 배면에 작용하는 수압 및 유발응력은 타설 후 시간 경과에 따라 달라질 수 있다.

3. 서울지역 지반조건이 고려된 매개변수 연구

3.1 해석조건

본 연구에서는 직경 10 m의 터널이 지표면으로부터 30 m 하부에 시공되는 경우를 고려하였으며 해석대상 지반은 서울 도심 지역에서 일반적으로 나타나는 지반조건을 고려하였다 (Shin 등 2002). 즉 그림 6에서 보이는 바와 같이 해석 대상지반의 상부 5 m는 실트질 모래로 이루어진 매립층 및 충적층으로 구성되어 있으며 그 하부에는 두께 15 m의 화강 풍화토층이 화강 풍화암 상부에 위치하는 것으로 가정하였다. 따라서 터널은 화강 풍화암층에 시공되는 것으로 가정하였다. 주 지보재로 두께 30 cm의 숏크리트가 시공되며 하루당 2 m의 굴진속도로 시공되는 것으로 간주하였다 (Shin 등 2002). 해석의 편의상 록볼트는 모델링에서 제외하였다. 한편, 일반적인 도심지에서의 시공조건을 반영하여 터널시공으로 인해 지하수가 저하되는 ‘지하수의 저하’조건을 해석 대상조건으로 하였으며 시공 중 발생할 수 있는 각종 단기문제로 국한하였다.

매개변수에서는 저자의 연구결과 (유충식 2004)를 토대로 주 매개변수로서 터널이 시공되는 풍화암의 투수계수 ()와 숏크리트 라이닝의 투수계수 ()를 채택하여 다양한 조건에 대한 해석을 수행하였다. 한편, 풍화암 및 숏크리트 라이닝 투수계수의 변화 범위는 앞서 제시한 4개의 터널전문 설계사에 대한 실태조사 결과를 토대로 설정하였다. 표 1은 해석에서 고려한 기본조건에 대한 지반조건 및 각 지층의 역학적, 수리학적 특성을 나열하고 있다.

3.2 해석 모델링

3.2.1 대상 구간의 모형화

본 해석에서는 범용 유한요소해석 패키지인 ABAQUS 6.3을 사용하였다 (Hibbitt et al. 2002). 터널 굴착의 모델링에 있어서 해석의 편의상 전단면 굴착으로 시공되는 것으로 가정하였으며 터널 중심축으로부터 좌우 대칭인 점을 고려하여 우측 반단면에 대한 해석을 수행하였다. 해석 모델링에서는 터널 중심으로부터 약 8D (D=터널직경)의 거리에 측면 경계면을 위치시켜 수평방향으로의 변위를 구속하였으며 터널 바닥으로부터 약 2D 하부에 하부 경계를 위치시키고 롤러를 설치하여 연직방향의 변위를 구속하였다. 종방향 해석 영역 역시 터널이 시작되는 지점으로부터 8D까지 설정하였다.

지반 및 지보재의 이산화에 있어서 지반은 8절점 가감 적분 응력-간극수압 연계 고체요소 (C3D8RP)를 적용하였으며 숏크리트는 4절점 가감적분 쉘요소를 이용하여 모델링 하였다. 그림 7은 해석에 적용된 유한요소모델을 보여주고 있다.

한편, 해석 대상 지반은 Extended Drucker-Prager 항복규준과 비관련 소성흐름법칙 (nonassociated flow rule)을 따르는 탄소성 재료로 가정하였으며 숏크리트 라이닝은 탄성재료로 가정하였다. Extended Drucker- Prager 모델에 대한 상세한 내용은 Hibbitt (2002)에 나타나 있다. 한편, 지반의 투수성은 간극비에 따라 변화되며 이를 반영하기 위해 간극비의 변화에 따른 투수계수의 변화경향을 해석에 반영하였다. 이와 아울러 지반의 투수계수는 이방성을 나타내는 것이 일반적이나 또 다른 변수의 도입으로 인한 결론 도출의 어려움을 피하고자 지반의 투수성은 등방인 것으로 가정하였다.

3.2.2 경계조건 및 굴착과정의 모사

응력-간극수압 연계해석에서는 해석 영역에 대해 변위에 대한 경계조건을 부여함과 아울러서 수리적 경계조건을 부여하여야 한다. 먼저 터널의 횡단면 중심축과 일치하는 단면 (x=0)과 터널굴착 시점 (y=0)에는 no-flow의 경계조건을 부여하였으며 그 밖의 측면경계와 하부경계에는 초기조건으로 부여한 수압이 일정하게 유지되도록 하였다. 아울러서, 연계해석 과정에서 원 지하수위 위치에 no-flow 경계를 부여하여 지하수의 터널내부로의 유입은 연직 및 하부경계를 통해서만 이루어지도록 하였으며 터널굴착과 함께 발생하는 지하수의 유입은 터널굴착면을 따라 간극수압 u=0의 경계조건을 부여하는 방법으로 모사하였다. 

한편, 숏크리트 타설후 얻어지는 라이닝의 차수효과에 대한 모델링은 Shin 등 (2002)이 제시한 모델링 기법을 적용하여 즉 터널 굴착면에 설치되는 라이닝은 구조요소인 쉘요소를 이용하여 모사하였으며 쉘요소의 특성상 연계해석이 수행되지 않는 점을 감안하여 주변에 30cm 두께의 고체요소를 형성하고 라이닝의 투수계수를 부여하는 방법으로 모델링하였다. 터널 굴착과정의 모사는 현장 시공공정을 최대한 반영하도록 하여, 기존의 시공자료 및 연구결과를 토대로 1일 굴진장을 2m로 설정하였으며 굴착 후 숏크리트 라이닝은 비교적 짧은 시간에 설치되는 것으로 가정하였다. 본 해석에서 채택한 굴진과정에 대한 개요도가 그림 8에 나타나 있다.

4. 지반거동 특성

과거의 많은 터널 시공 경험으로부터 지하수위 저하는 지반침하를 동반하며 그 영향 범위 또한 매우 넓게 분포한다고 알려져 있으나 지하수위 저하량과 침하량의 관계는 아직까지 이렇다하게 정립되어 있지 않다.  본 장에서는 터널시공 중 발생하는 지하수위 저하시 막장변위 및 지표침하 특성을 고찰하기 위해 터널이 약 4.0D 굴진시 막장 변위 및 후방에 위치한 횡단면 지표침하 특성을 고찰하였다.

4.1 막장 변위 및 지표침하

터널굴착시 막장의 안정성은 터널 전체의 안정성과 직결되며, 특히 지하수가 유입되는 구간에서는 막장 배면의 침투수압으로 인해 막장 불안정이 야기될 수 있다. 그림 9 (a)는 막장전방 터널축방향 변위를 보여주고 있는데 먼저 연계해석이 전응력해석에 비해 막장변위를 현저히 크게 평가하는 것으로 나타나 전응력해석만을 수행할 경우 막장의 안정성을 과소평가할 수 있는 것으로 나타났다. 한편, 막장의 변위는 지하수위 저하량이 감소할 수록 크게 발생하는 것으로 나타났는데 이는 터널주변에 차수 그라우팅을 적용하여 지하수 유입량을 억제할 경우 막장배면 수압이 증가하여 막장의 안정성이 문제가 될 수 있으며 따라서 막장에 별도의 차수/보강 그라우팅 적용의 필요성이 있는 것으로 나타났다.

한편, 그림 9 (b)는 지표침하곡선을 나타내고 있다. 보이는 바와 같이 지하수위가 저하되는 시공조건에 대한 지표침하 검토시 전응력해석에 의존할 경우 지반침하량이 현저히 과소 평가될 수 있음을 알수 있으며, 그 정도는 결국 지하수 저하량에 비례하는 것으로 나타났다. 또한 침하량과 아울러서 침하범위 또한 현저히 증가하는 경향을 보여주고 있어 지하수위 저하가 예상되는 구간에 있어서의 침하평가에 세심한 주의가 요함을 알 수 있다.

4.2 지표침하 특성

일반적으로 터널굴착에 따른 지표침하는 식 (1)로 정의 되는 오차함수를 따르는 것으로 보고되고 있다 (Peck 1969). 본 검토에서는 지하수위 저하를 동반하는 경우에 있어서의 오차함수의 적용성을 검토하였다.

 (1)

그림 10은 지하수위 저하량에 따른 지표침하곡선을 보여주고 있는데 먼저 그림 10 (a)는 해석에서 얻어진 지표침하곡선이 오차함수를 잘 따르는지 여부를 검토하기 위해 각 지점별 침하량 ()을 거리의 제곱 ()에 따라 도시하고 있다. 오차함수의 특성을 좌우하는 변곡점()는 그림 10 (a)에서 최대침하 ()의 60%의 침하에 해당하는 로부터 얻을 수 있다. 오차함수의 특성상 침하곡선이 오차함수를 따를 경우 와 의 관계는 선형적인 관계로 표현되나 그림 10 (a)에서 보이는 바와 같이 전반적으로 곡선이 비선형 관계를 보이고 있어 오차함수를 적용하기에는 다소의 무리가 있는 것으로 판단되며 이는 그림 10 (a)에서 얻어진 변곡점 ()와  를 이용하여 작성된 오차함수를 해석결과와 비교한 그림 10 (b)에서 잘 관찰할 수 있다. 즉, 보이는 바와 같이 전반적으로 오차함수에 의한 침하곡선은 지하수의 영향이 없는 경우라 할 수 있는 전응력해석 결과와는 잘 일치하는 경향을 보이고 있으나 지하수위 저하가 발생하는 경우에는 침하범위를 과소평가하는 것으로 나타났다. 따라서, 지하수위 저하가 우려되는 구간에서의 지표침하 영향범위를 예측하는데 있어 오차함수를 적용할 경우 세심한 주의가 필요함을 시사한다고 하겠다.

본 논문에서 다룬 응력-간극수압 연계해석은 응력해석과 비교해 볼때 사용 프로그램이 연계해석 기능을 갖추어야 하며 사용자가 연계해석 모델링에 대한 지식을 어느 정도 갖추어야 하므로 특히 3차원 해석을 적용하는데 있어 많은 제약이 따른다. 실무적 측면에서 이러한 연계해석 수행의 필요성 여부는 대상지반의 투수성에 좌우된다고 할 수 있으며 따라서 본 연구에서는 연계해석 결과를 토대로 터널이 시공되는 암반의 투수계수와 지표면 손실율 및 지하수위 저하량의 관계를 고찰하여 연계해석이 요구되는 굴착대상 암반 투수계수 범위를 알아보았다.

그림 11은 결과를 지반의 투수계수와 지표면 손실율(Vs%) 및 지하수위 저하량 (HD)의 관계를 보여주고 있는데 여기서 지표면 손실율 (Vs%)은 검토대상 횡단면 침하곡선의 1 m당 체적을 굴착단면적으로 나누어준 값을 의미한다. 보이는 바와 같이 터널굴착 대상 지반의 투수계수가 10-6 cm/s 이하의 경우에는 지표손실률 및 지하수위 저하량이 급격히 감소하는 양상을 보여주고 있다. 투수계수 는 앞서 제시한 투수계수 조사결과를 토대로 할 때 연암정도에 해당하는 것으로서 시공대상 암반이 연암 정도의 투수계수 () 이상일 경우에는 해석 목적인 지반거동 평가에 있을 경우 실무적 관점에서 전응력해석을 수행하여도 무방할 것으로 판단된다.

5. 숏크리트 라이닝 거동 특성

5.1 영향인자

터널설계시 수행되는 안정성 검토에서는 숏크리트 라이닝의 과다응력 발생여부를 검토하여 보강여부를 판단한다. 본 연구에서 고려한 조건과 같이 지하수 유동이 예상되는 구간에서 숏크리트 라이닝은 구조적인 안정성을 제공함과 아울러 지하수 유입을 차단하는 차수구조의 역할도 수행하게 되므로 숏크리트 라이닝의 투수성에 따라 배면의 수압분포가 달라지고 이에 따라 숏크리트 라이닝 작용하중 또한 숏크리트 라이닝의 투수성에 큰 영향을 받는다. 따라서 숏크리트 라이닝 거동 측면에서 숏크리트와 굴착대상 지반의 투수계수의 상대적인 비는 매우 중요한 영향인자가 된다 (유충식 2003).

그림 12는 다양한 숏크리트 라이닝 및 지반의 투수계수 , 에 따른 숏크리트 라이닝 축력 (T)분포를 보여주고 있는데 여기서, 라이닝의 축력은 물의 단위중량 , 토피 H, 터널직경 D로 정규화된 수치로 표현하였다. 그림 12에서는 세 가지 경향을 관찰할 수 있는데 먼저 지반거동과 관련된 결과와 마찬가지로 지하수 유동이 고려되지 않은 전응력 해석 결과는 연계해석 결과 보다 숏크리트 축력을 과소평가하는 것으로 나타났으며 그 정도는 에 좌우되는 것으로 나타났다. 둘째, 숏크리트 라이닝의 투수계수가 암반의 투수계수 보다 작아 유입수에 대한 차수 효과가 있는 경우 숏크리트 배면 수압 증가로 인해 숏크리트 축력이 현격히 증가하는 경향을 보이고 있으며, 특히 인버트에서의 증가가 최대 100%이상의 차이를 보이는 것으로 확인되었다. 셋째, 터널굴착으로 지하수 유동이 발생하는 경우 시공중 숏크리트 축력의 변화는 지반의 투수계수 보다는 숏크리트 라이닝의 투수계수와의 상대비 에 좌우되는 것으로 나타났다. 

그림 13은 터널굴착 대상지반의 투수계수가 인 경우에 있어 투수계수비 () 에 따른 라이닝의 축력비 변화 경향과 대상지반의 투수계수와 라이닝의 투수계수를 임의로 변화시켜 지하수위 저하량 (HD)에 따른 라이닝의 축력비 변화경향을 천단부와 인버트부에 대해 보여주고 있다. 이 그림에서 관찰할 수 있는 경향을 살펴보면, 먼저 천단부 및 인버트부 지하수위 저하량과 숏크리트 축력은 크게 연관성이 없는 것으로 나타났다. 또한 천단부의 경우에는 에 따라 축력비가 큰 차이를 보이지 않는 경향을 나타내고 있으나 인버트의 경우 를 경계로 그 이하의 경우에 일정한 값을 보였고 그 이상의 경우에는 축력이 감소하여 에서 최대값의 50%정도의 수치를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 터널시공 중 숏크리트에 발생하는 응력은 지하수위 저하량 혹은 터널상부 수두에 영향을 받기 보다는 결국 투수계수비()에 좌우됨을 의미하며, 따라서 숏크리트 라이닝 구조해석시 가 반영되는 것이 매우 중요한 것으로 확인되었다. 따라서 앞서 언급한 바와 같이 지하수 유동이 예상되는 구간에서의 숏크리트 라이닝 응력 산정에서는 이러한 터널굴착과 지하수의 상호작용이 반드시 고려하여야 할 것으로 판단되며 이때 숏크리트와 지반의 상대적인 투수성이 가장 중요한 영향인자로 작용하는 것으로 나타났다.

6. 설계시 중점 고려 사항

일반적으로 실무에서는 본 논문에서 다룬 터널 시공조건과 같이 지하수위 저하가 예상되는 구간에 대한 터널 안정성해석을 통한 지반거동 및 지보재 응력 산정시 연계해석을 수행하는 경우는 매우 드물며 따라서 경우에 따라서는 비안전측의 결과를 초래할 수 있는 것으로 나타났다.

본 연구결과를 종합해 볼 때 터널 주위에 차수그라우팅 영역을 확보하여 터널 벽면에서의 지하수 유입을 억제할 경우에는 지하수 흐름을 막장부로 유도하는 것과 같은 효과를 초래하게 되어 막장부 안정성을 저해할 수 있으므로 막장부 그라우팅이 동반되는 것이 바람직하다. 한편, 터널 굴착에 따른 지하수위 저하가 발생하는 경우 지표침하의 크기 및 범위가 현저히 증가하며 지표침하곡선을 추정하는데 오차함수를 적용할 경우 침하범위의 과소평가가 발생할 우려가 크며 주변 건물 및 매설관에 대한 영향평가시 지하수 저하의 영향을 고려하여 한다. 시공대상 지반의 투수계수가 이하의 경우에는 지표면 손실률 및 지하수위 저하정도가 그다지 크지 않아 터널해석 시 해석의 목적이 지반거동 평가에 있을 경우 실무적 관점에서 전응력 해석을 수행하여도 무방할 것으로 판단되나 해석목적이 지보재 응력산정에 있을 경우에는 연계해석을 수행하여야만 의미 있는 결과를 얻을 수 있다.

터널굴착과 지하수의 상호작용이 발생하는 시공조건에서의 지보재(숏크리트)의 거동은 지하수위 저하량 보다는 주변 지반과 숏크리트 라이닝의 투수계수비가 지배하며 투수계수비가 감소할수록 축력이 증가한다.  축력의 증가는 인버트부에서 가장 크게 발생하므로 설계시 이에 대한 반영을 하여야 한다.

7. 결론

본 논문에서는 터널굴착과 지하수의 상호작용이 터널의 거동에 미치는 영향을 지반거동 및 숏크리트 라이닝 거동 특성을 중심으로 고찰하였다. 이를 위해 서울시 지하철 구간의 일반적인 시공조건을 고려하여 3차원 응력-간극수압 연계해석을 수행하였으며, 그 결과를 토대로 지반거동 특성 및 숏크리트 라이닝 축력 발생 경향을 고찰하였다. 그 결과 터널 시공시 지하수 유동이 발생하는 시공조건에 대한 터널 안정성 해석에 있어 대상 지반의 투수계수가 이상인 경우에는 연계해석을 수행하여야 하며 전응력 해석에 의존할 경우 지반거동 및 지보재 응력 등을 과소평가할 수 있는 것으로 나타났다. 특히 숏크리트 라이닝의 축력은 시공중 발생하는 지하수위 저하정도 보다는 지반과 숏크리트의 상대적인 투수성에 지배되는 것으로 나타났으며 숏크리트의 투수성이 상대적으로 낮을 경우 숏크리트 응력의 증가는 인버트부에서 가장 큰 것으로 나타났다. 전반적으로 본 논문의 결과는 본 논문에서 다룬 시공조건과 유사한 터널 구간에서의 설계시 수행되는 안정성 해석에서 응력-간극수압 연계해석 적용의 필요성을 강조하는 것으로서 이 부분에 대한 지속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.