1.서론

일반적으로 터널구조물은 지반공학적 특성에 의해 건설 당시 굴착과 함께 지반응력의 재분배 및 이완현상 등

이 발생하게 되며, 이는 적절한 지보재 설치를 통해 점차 안정되는 것으로 알려져 있다.  그러나 터널시공이 종료된 후 공용중에도 시간경과에 따라 지반환경 변화의 영향으로 터널 주변지반의 응력상태와 거동이 준공 당시와는

상당히 달라지기도 한다. 따라서 터널 설계 및 시공 당시 미처 예상하지 못했던 문제들이 공용중에 발생하게 되고 이러한 문제들은 터널의 내부 구조물이라 할 수 있는 라이닝에 구조적이든 비구조적이든 다양한 형태의 변상을 발생하게 한다.

또한 지하수 누수나 차량 매연 등에 의해 건설 당시 지반 굴착면의 안정을 위해 사용된 지보재가 부식되거나 콘크리트 라이닝의 열화 등이 발생하게 되는 경우에는 2차적인 구조적 변상을 초래하여 매우 다양한 형태의 변상이 발생하게 되고 터널의 안전을 위협하는 요인이 될 수 있다.

한편, 현재 공용중인 터널의 안전성을 확보하기 위해 실시하고 있는 각종 점검 및 유지관리를 통해 터널 변상의 원인이라 할 수 있는 터널 주변지반의 변화와 작용하중의 형태를 파악한다는 것은 터널의 기하학적인 특성과 주변지형 및 지질 등의 지반공학적 불확실성을 감안할 때 매우 어려운 일이라 할 수 있다.

따라서 이 연구에서는 실내모형시험을 통해 터널 주변에 존재하는 절리를 단순화하고 위치와 각도별로 측압계수를 변화시키며 터널 라이닝의 응력과 변형을 유발시키는 다양한 조건의 지반상태를 모사하였고 이를 통하여 다양한 지반조건과 측압조건에 따라 변화하는 터널 라이닝의 응력-변형거동을 분석하였다.

2.실내모형시험

2.1 실험 개요

이 연구에서 실시한 실내시험모형실험은 터널 주변지반의 조건 및 응력상태와 터널 라이닝 거동의 관계를 규명하기 위하여 석고를 이용한 모형지반을 조성하고 터널 주변지반의 측압변화에 따라 터널 라이닝에 발생하는 응력을 통해 지반조건과 터널 라이닝의 변형거동에 대한 상관관계를 도출하고자 하였다. 이를 위해 실내모형실험에서는 국내에서 측정된 초기지중응력을 참고로 측압계수를 0.5～3.0으로 변화시켜가며 실험을 수행하였으며, 절리각도 및 위치를 변화시켜가면서 실험을 수행하였다. 수행한 실내모형실험 조건은 표 1에 나타난 바와 같다.

2.2 모형지반 조성

2.2.1 지반재료

실내모형실험에 사용된 지반재료는 중국 천진지방의 석고를 이용하여 실험시에 균질한 상태가 유지되도록 경화하였으며, 재료에 대한 실내역학시험을 실시하여 지반재료의 특성을 파악하였다. 또한 모형지반의 균질성을 확보하기 위해서 지연제와 기포제를 사용하였고, 적정 강도발현을 위해 석고의 혼수율을 계량하여 혼합하였으며 경화조건을 일정하게 유지하기 위하여 온도 35°C, 습도 80%의 항온․항습실에서 양생하여 실험시 상재하중과 측압에 의해 라이닝 주변에서 발생되는 소성상태와 주응력의 변화경시가 가능하도록 적절한 강도를 가진 시험용 모형지반을 제작하였다.

2.2.2 모형지반 조성 및 절리면의 역학적 특성

모형지반의 절리면 형성은 석고지반 제작시 절리면에 의해 나뉘어지는 두개의 지반중 하나를 먼저 타설한 후 경화가 시작될 무렵 나머지 하나를 교반하기 시작하여 타설함으로써 구현하였다. 이렇게 구현된 석고지반의 절리면에 대한 강도정수를 확인하기 위하여 절리면 전단시험을 실시하였다.

절리면의 강도정수를 확인하기 위한 전단시험은 직접전단시험 장치를 개조하여 실시하였는데, 즉 전단상자를 제거하고 실제 지반조성시와 같은 방법으로 절리를 포함한 공시체를 올려놓고 전단시키면서 석고 절리면의 마찰저항을 측정하였다. 그 결과, 실내모형시험 지반에 조성된 절리면의 마찰각은 45°, 점착력은 0.48 kg/cm²로 나타났다.

2.3 모형시험장치

2.3.1 재하시스템

실내모형실험에 사용된 실험장치의 전경 및 모식도는 그림 1에 나타난 바와 같이 190 cm×235 cm (가로×세로)의 크기로 제작되었다. 이 시험기는 석고의 압축강도 이상의 하중재하가 가능한 반력 프레임과 재하장치로 이루어져 있으며, 유압 실린더에 의한 재하와 동시에 하중을 확인할 수 있는 7개의 로드셀이 각각 상부와 측면에 설치되어 있다. 실내모형실험 장치의 재하시스템 제원은 표 3에 나타난 바와 같다.

이 실험에 사용된 재하장치는 1차 재하단계에서는 30 tf 용량의 실린더로 하중재하 프레임을 밀어주고 각 세그먼트에 설치되어 있는 스크류 나사를 조절하면서 재하하중의 편차를 줄여 동일한 하중이 지반에 재하되도록 하였다. 또한 하중재하 프레임의 편심이나 휨을 막기 위하여 고정 지점에 베어링을 설치하여 하중재하시 편심과 프레임의 휨을 방지하였다 (사진 1 참조).

2.3.2 모형토조의 경계조건

이 실험에서는 모형지반의 상부와 측면에서의 하중재하시 주응력 조건을 만족시켜 주기 위하여, 사진 2에 나타난 바와 같이 4면의 마찰을 최소화하였다. 이를 위해 상하, 좌우 각 면을 각각 7개의 세그먼트로 나누고, 나눠진 세그먼트는 다시 상하 두 판으로 제작해 판과 판 사이를 롤러로 처리해 주었으며 세그먼트와 석고와의 마찰을 줄이기 위해서 그리스를 바른 셀을 사이에 삽입하였다.

2.3.3 실내모형시험의 터널라이닝

이 실험에 사용한 라이닝은 두께가 2 mm인 강재로 제작된 원형 라이닝을 사용하였으며, 제작된 라이닝은 8구간으로 나누어 내․외부에 스트레인 게이지를 설치함으로써 천정, 바닥, 측벽, 어깨부 등의 응력상태를 측정할 수 있도록 제작하였다.

2.4 계측시스템

2.4.1 계측센서

실내모형실험의 계측센서는 Tokyo-sokki사에서 제작한 12개의 일축 스트레인게이지와 2개의 로젯 스트레인게이지를 사용하여 석고지반의 지중응력을 측정하였고, 16개의 스틸용 스트레인게이지를 사용하여 라이닝의 응력을 측정하였으며, 모형지반에 가해지는 상재하중과 측압은 각 14개의 스트레인게이지식 로드셀을 이용하여 측정하였다. 또한, 측정된 데이타는 미국 Validyne Eng-ineering Corp. 제품인 UPC-601 Card와 Easy Sense Software를 이용하여 시험수행시 화면에 출력되도록 하고, 지중응력과 라이닝의 응력측정용 스트레인게이지의 실측치 값이 TDS-302와 50채널의 스캐너 박스를 통하여 측정되도록 하였다. 측정에 사용된 계측센서의 종류와 수량을 정리하면 표 4와 같다.

2.4.2 계측센서 위치

(1) 모형터널 라이닝의 응력 측정

모형터널 라이닝의 응력 측정은 천정부, 측벽부, 어깨부, 하단부, 바닥부의 내․외부 각각 8개소 (총 16개소)에 부착된 스트레인게이지를 이용하여 측정하였다 (그림 2 (a) 참조).

(2) 지중응력 측정

터널 주변지반 조건의 변화에 따라 터널 라이닝에 다르게 작용하는 지반응력을 측정하고자 터널 라이닝 주변에 일축 스트레인게이지를 접선/법선방향으로 설치하여 라이닝 주변 지반에서 지반응력을 측정하였다. 또한 주응력의 방향과 크기는 수치해석을 통해 알아본 주응력의 변화가 가장 심한지점에 로젯 스트레인게이지를 설치하여 측정하였다 (그림 2 (b) 참조).

(3) 내공변위 측정

터널의 내공변위를 측정하기 위하여 라이닝에 스트레인 게이지를 부착했던 위치와 동일한 위치를 측점으로 선택하였다 (박승준 외, 2002).

2.5 시험방법

2.5.1 시험개요

모형지반은 스트레인게이지가 부착되어 있는 라이닝을 시험체 몰드 중앙에 고정, 설치한 후 모형지반 타설시 기포나 이물질로 인해 불균질한 지반이 조성되지 않도록 #20, #30 체를 이용하여 충분히 교반하며 조성하였다.  그리고 모형지반에 사용된 석고의 일축압축강도 시험을 위해 지반 타설과 동시에 공시체를 제작하고, 모형지반 표면이 편평해지도록 표면처리를 실시하였다.

2.5.2 시험 수행과정

측압변화에 따른 터널 주변지반의 응력분포와 라이닝의 거동특성을 파악하기 위한 모형실험의 순서는 다음과 같다.

① 모형 터널 라이닝 내․외부에 스트레인 게이지를 부착한다.

② 모형지반 조성시 이물질과 수분으로 인한 영향을 방지하기 위하여 라이닝 외부의 스트레인 게이지에 실링제를 바른다.

③ 라이닝을 공시체 제작용 몰드 중앙에 위치한다.

④ 석고로 모형지반을 조성하고, 모형지반에 대한 일축압축강도 시험을 위한 3개의 몰드에 석고를 채운다.

⑤ 석고로 모형지반을 조성하고 24시간 경과한 후에 탈형하고 항온․항습실에서 양생한다.

⑥ 20일 동안 양생한 모형지반을 모형시험 장치에 설치한다.

⑦ 재령 20일의 모형지반을 상부와 측면의 유압실린더에 밀착, 맞닿게 하고 움직이지 않도록 고정한다.

⑧ 계측장치를 데이터 로거에 연결하고 영점을 조절한다.

⑨ 상부와 측면의 유압실린더를 조절해 가며 실험을 수행한다.

⑩ 상부와 측면의 로드셀을 확인, 모형지반에 등분포 하중이 유지되도록 하면서, 실내모형실험을 수행한다.

3.시험결과 및 분석

3.1 측압변화에 따른 터널의 거동 특성

실내모형실험은 석고로 제작된 모형지반에 다양한 형태의 절리를 모사하고 상부에는 2.8 kgf/cm²의 압력을, 측부에는 1.4 kgf/cm²의 압력을 가하여 구현한 측압조건 (K=0.5)을 점차적으로 증가시켜 가면서 각 조건별 터널 라이닝의 내공변위, 축력, 모멘트 그리고 라이닝과 인접한 지반의 지중응력을 측정하였다.

먼저, 그림 3은 터널 주변지반에 절리가 없는 암반의 측압계수 증가에 따라 발생하는 내공변위를 각 위치별로 천정부를 기준으로 전개하여 나타낸 그림으로서, 라이닝의 강성으로 인해 변위량의 크기는 작았으나 대체로 측압증가에 관계없이 일정한 변위량을 나타내며 측압증가에 비해 변위량의 증가분은 상대적으로 작게 나타났다.  한편, 측정된 내공변위량이 천정부를 기준으로 좌우가 미소하게 차이가 나는 것은 실험시 발생한 오차인 것으로 판단되었다.

한편, 측압의 증가에 따라 터널에 발생하는 변위의 정도가 각 지반조건별로 다르게 나타났는데, 그림 4에서 볼 수 있듯이, 터널 주변지반에서 각도가 90˚인 단일절리가 터널의 중심을 지나는 경우 (이하 90˚(C))에 터널의 변위가 가장 두드러지게 나타났으며, 이는 측압증가에 따라 터널 측벽부와 측벽 하단부에서 터널 내측으로의 변위가 증가하였다.

이러한 결과는 터널의 중심을 지나는 연직절리로 인해 터널 상부지반에서의 아칭효과가 발휘되지 않고 터널 주변지반으로의 하중전이가 발생하지 않아 반경방향 응력의 형태로 측벽부에 집중된 결과라고 판단된다. 이러한 응력집중은 터널 측벽부 등에 인장균열을 유발하는 요인이 될 수 있으므로 터널의 유지관리시 발생한 변상의 경향에 대한 면밀한 관찰이 필요하다.

한편, 그림 5에서, 단일절리가 터널의 상부를 수평하게 지나는 경우나 터널의 우측벽에 인접하여 연직하게 지나는 경우 (이하 0˚(T), 90˚(R))는 하중조건만이 다를 뿐 유사형태의 지반조건으로서, 측압계수가 큰 K=3.0의 경우에 K=2.0이하의 변위 거동과는 상이한 양상을 나타내고 있으며, 터널 라이닝의 최대 변위가 터널 천정부로부터 일정 각도 기울어진 지점에서 발생하였다. 이러한 현상은 주변지반의 측압조건에 따라 절리면으로는 변형이 허용되고 절리면에 연직한 방향으로는 하중이 작용하여 발생한 현상으로써, 이러한 지점에 대해서는 추후 유지관리시 터널의 변형형상을 통한 주변지반 조건의 추정이 가능하므로 중점관리요소로 신중히 다루어져야 할 것이다.

3.2 절리각도에 따른 터널의 거동 특성

일반적으로 터널 주변지반에 절리 등의 불연속면이 존재하게 되면 터널의 거동특성 또한 매우 불규칙하고 복잡하게 나타나는데, 이는 모형시험의 결과를 통해 이를 확인할 수 있었다 (Stephen D. P., 1993). 실내모형시험을 실시한 결과, 절리가 없는 균질한 지반에 위치한 터널의 경우에는 주변지반의 측압이 증가하게 되면 그림 6 (a)와 같이 측압계수 증가에 따라 응력수준의 차이만 있을 뿐 유사한 형태의 축력이 선형적으로 증가하게 되나, 주변지반에 절리가 존재하는 터널의 경우에는 암반지반의 이방성 특징으로 인한 지반 특성치의 불규칙성으로 터널의 거동에 많은 영향을 미치게 된다. 또한 절리가 존재하는 지반에 위치한 터널의 경우에는 일정범위의 값을 그대로 유지하며 대체로 낮은 수준의 축력이 발생됨을 시험 결과를 통해 확인할 수 있다.

그림 6 (b)는 이를 확인할 수 있는 결과로, 절리가 없는 지반의 경우와 비교할 때 절리로 인해 터널 라이닝에 발생하는 축력의 응력수준이 전체적으로 크게 낮아졌으며, 이러한 경향은 측압계수가 증가함에 따라 더욱 두드러진 양상을 보였다. 특히 45˚의 단일절리가 터널 주변에 존재하게 되는 경우에는 불규칙한 터널의 거동으로 인해 터널의 천정부와 어깨부 그리고 바닥부의 축력이 인장측으로 급격히 증가됨을 확인할 수 있다.

따라서 이러한 지반조건을 가진 지반에 터널이 위치한 경우에는 주변지반의 측압 증가요인에 각별한 주의를 필요로 한다. 특히 공용중인 터널의 유지관리시에 주변지반 조건의 변화에 관심을 기울여야 하고, 발생한 변상에 대해서는 발생위치와 형태를 터널의 배면지반의 지층구조와의 연계성을 고려한 원인규명이 이루어져야 할 것이다.

3.3 절리위치에 따른 터널의 거동 특성

그림 7에 나타난 바와 같이 발생한 모멘트의 경우는 측압변화에 따라 천정부에서는 연직한 절리에 의한 영향이 크며, 45˚ 기울어진 절리의 경우에는 터널의 바닥면에 미치는 영향이 큰 것으로 나타나는데, 이러한 위치들은 공용중인 터널에서 측압변화 요인이 발생할 경우 중점적인 관리가 필요하다.

또한 주변지반에 존재하는 절리의 영향에도 불구하고 측압조건의 변화에 따라 터널 라이닝의 모멘트는 대체로 선형적으로 증가하고 있으나 최대 모멘트의 발생위치는 주변지반 조건에 따라 매우 상이하게 나타났다. 이러한 결과는 주변지반에 존재하는 절리의 위치와 관계가 깊은 것으로 판단되는데, 그림 8에 나타난 바와 같이 90˚ (C)와 90˚ (R), 45˚ (C)와 45˚ (U)에서의 양상이 서로 차이가 있는 반면에 하중조건에서만 차이가 있을 뿐 유사한 지반조건인 0˚ (T)와 90˚ (R)의 경우에는 매우 유사한 양상의 결과가 나타남을 알 수 있다.

일반적으로 터널 굴착면 주변지반의 지중응력은 탄성이론에 의해 설명되듯이 반경방향응력 (이하 법선응력)보다는 접선방향응력이 우세한데, 이는 그림 9에 나타난 바와 같이 실험에서 라이닝 배면 5 mm 떨어진 지중에서 측정한 변형률을 통해 산정된 지반응력으로도 확인할 수 있었으며 측압의 증가에 따라 접선응력과 법선응력이 최대 20배 이상의 차이를 보였다. 또한 접선응력의 경우 측벽부로 가면서 점차 감소하는 경향을 보이는데 이는 지반의 아칭효과로 인한 결과로서, 천정부에서는 압축측의 접선응력이, 측벽부에서는 인장측의 접선응력이 발생하였다. 한편 K=1.0인 경우, 굴착면에서 법선 및 접선방향 응력이 계측위치에 관계없이 동일하게 나타나야 하지만, 그림 9에 나타난 결과를 살펴보면 본 실험조건이 라이닝 배면 5 mm 이격되어 있는 위치로서 측압재하방법 (그림 1 참조)에 따른 실험오차인 것으로 판단되었다.

이러한 경향은 다른 지반조건에서도 나타나는데 그림 10에 나타난 바와 같이 절리의 각도와 위치에 따라 터널의 천정부와 측벽부에 발생하는 접선응력의 양상이 각기 다르게 나타남을 볼 수 있다.

특히, 45˚ (U) 절리지반의 경우에는 절리의 영향으로 천정부와 측벽부에 인접한 지반에서 인장측 접선응력이 발생하면서 어깨부에서는 같은 크기의 압축측 접선응력이 발생하였는데, 이는 공용중인 터널의 어깨부 라이닝에 균열을 유발할 수 있는 요인으로서 중점관리가 필요한 부분이다.

3.4 단일절리가 터널의 응력집중비에 미치는 영향

실내모형시험에서 절리가 없는 암반에 위치한 원형터널의 경우에는 탄성이론에 의한 식 (1)을 이용하면 굴착면에 작용하는 접선응력과 모형지반 연직응력의 비로 터널라이닝의 응력집중 정도를 구할 수 있다. 이 연구에서는 절리특성에 따른 실내모형시험 결과를 토대로, 터널라이닝에서 측정된 접선응력으로부터 모형터널에 작용하는 응력집중비 (Stress Concentration Ratio, SCR)를 산정하였다. 그림 11에 나타난 바와 같이 Hoek과 Brown (1980)이 탄성영역에서 개념적으로 제시한 응력집중비와 유사한 기울기를 가지는 것으로 나타났는데, 적용된 모형지반의 재료적인 특성으로 인해 주변지반을 탄성체로 간주한 기존 결과와 다소의 차이를 확인할 수 있었다. 이 연구의 실내모형시험에서 적용된 원형터널의 경우에는 측압계수가 K<1.0인 조건에서 인장응력이, K>1.0인 조건에서는 압축응력의 집중이 증가하는 경향을 나타내고 있다.

응력집중비(SCR) =       (1)

한편, 실내모형시험에 적용된 지반조건과 같이 단일절리가 다양한 위치와 각도로 존재하는 경우에는 절리의 영향으로 대부분의 경우에 인장응력이 집중되는 경향을 보이는데, 특히, 90˚ 절리가 터널에 인접한 위치에 있는 경우에는 측압계수 K=2인 조건을 경계로 하여 터널라이닝 천정부에서의 응력 집중 경향이 인장응력에서 압축응력으로 바뀌어 나타났다. 이러한 경향은 터널 주변지반의 측압조건이 바뀌게 될 때 아칭효과를 기대하기 어려운 지반조건에서 발생할 수 있는 현상으로서, 대부분의 측압계수가 2.0 이하인 국내의 사정을 감안한다면 천정부의 곡률반경이 큰 마제형 터널단면의 경우에는 오히려 인장균열을 유발하는 불리한 단면이 될 수 있으며, 측압조건의 변화로 측압이 증가하는 경우에는 천정부 라이닝의 압축파괴가 발생할 수 있으므로 터널 변상의 원인추정시 이러한 내용을 고려하여 터널 변상의 원인을 판단해야 할 것이다.

특히 0˚, 45˚의 단일절리가 터널에 인접해 위치한 경우에는 측압계수의 큰 변화 없이도 인장응력의 집중이 두드러지는 양상을 보이나 이는 K=1.0인 조건을 경계로 측압계수의 증가에 따라 터널 천정부의 압축거동이 인장측으로 바뀌게 되므로 터널 라이닝의 재료가 콘크리트인 점을 감안할 때, 이러한 거동 양상은 터널 라이닝에서 인장파괴의 발생 가능성이 높은 구조적 취약점을 나타내고 있으므로 해당 부위에 대한 중점적인 관리가 필요하다.

4.결론

터널 주변지반에 다양한 형태로 존재하는 불연속면이 터널의 거동에 미치는 영향을 규명하기 위한 실내모형시험을 수행한 결과로부터 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1. 단일절리가 존재하는 지반에서 터널라이닝에 발생하는 축력은 절리가 존재하지 않는 지반에 비해 상당히 감소하는 것으로 나타났으며, 이러한 경향은 측압이 증가함에 따라 더욱 두드러져서 측압계수 K=3.0일 때는 절리가 없는 지반의 1/8까지 감소하였다.

2. 연직한 단일절리가 터널의 우측에 인접한 경우, 터널의 거동특성은 K<1.0인 조건에서 변형의 장축이 연직면으로부터 -45˚ 기울어진 형태로 나타났으며, 수평한 절리가 터널 천정부에 인접한 경우에는 K>1.0인 조건에서 이러한 경향이 나타났다.

3. 연직한 단일절리가 터널의 중심을 지나는 경우에는 절리의 영향으로 터널 상부지반에서 아칭효과가 없어지게 되어 측압이 증가함에 따라 천정부에서는 압축력이, 측벽부에서는 인장력이 발생하였다.

4. 단일절리가 터널의 중심과 어깨부에 45˚ 기울어져 위치한 경우에는 측압이 상재압의 2배 이상으로 커지게 되면 천정부와 어깨부 그리고 바닥부의 라이닝 축력이 인장력의 형태로 급격히 증가하였다.

5. 절리각도에 따라 터널라이닝에 발생하는 최대변위와 최대응력의 발생위치가 달라졌으며, 절리의 영향으로 측압계수 증가에 따라 접선응력과 법선응력이 최대 20배 이상의 차이를 보였다.

6. 단일절리에 의해 터널에 발생하는 응력집중도를 Hoek & Brown이 정리한 탄성지반 원형터널과 비교한 결과, 절리가 없는 경우의 터널거동은 유사한 결과를 보였으나 그 밖의 여러 지반조건의 경우에는 절리의 영향으로 터널 라이닝의 천정부와 측벽부에서 인장응력의 집중이 증가하였다.

7. 이 연구에서는 공용중 터널의 거동을 실험적으로 규명하고자 수행한 관계로 절리암반내 록볼트의 영향은 고려하지 못하였으나, 향후 이에 대한 연구도 필요할 것으로 판단되었다.