1. 서   론

NATM공법은 산악터널을 중심으로 급속히 보급되어 이미 표준 공법으로 정착되었다고 볼 수 있지만, 도시 및 그 주변에 NATM공법을 적용할 때는 아직 특별한 검토를 필요로 하는 경우가 많다.

터널 굴착은 응력해방을 발생시키기 때문에 연약한 지반에서의 터널 굴착 시 에는 막장의 안정성 확보가 무엇보다도 중요한 사안으로 대두되고 있다. 터널 막장의 불안정으로 인한 막장 붕괴 및 이에 수반되는 지표면 침하, 터널 주변부의 이완 등을 야기 시킬 수도 있으며, 천층 터널의 경우 지표면 함몰로 이어져 막대한 경제적 손실 및 인명 피해를 야기 시키기도 한다. 따라서 터널 굴착 시 막장의 안정성 평가는 중요하다.

막장이 불안정할 경우에는 일반적으로 분할 굴착을 적용하게 되는데, 이러한 분할 굴착공법은 일반적으로 공사 기간과 공사비를 증가시킬 뿐만 아니라, 지반이 불량한 경우에는 분할 굴착을 적용하더라도 막장이 불안정한 상태로 있는 경우가 많게 된다. 이에 대한 대책 공법 중 최근 유럽 지역에서는 굴착대상 막장면을 일정한 강성을 가진 강봉이나 유리 섬유 파이프를 이용하여 선행 보강하는 페이스 볼트 공법이 활발히 적용되고 있다.

본 연구에서는 이러한 페이스 볼트를 이용한 막장 보강공법에 관한 3차원 연속체 해석을 FLAC3D Ver. 2.1을 이용해 수치해석적 검토를 수행하였다. 통상 페이스 볼트의 효과는 볼트 길이, 설치 본수, 배치 형상 등 여러 가지 요소들에 의해 영향을 받지만, 본 논문에서는 볼트 길이와 설치 본수에 대해 연구를 하였다.

2. 기본 이론

NATM에서는 굴착 직후 벽면은 숏크리트나 록볼트에 의해 지지되기 때문에 재래공법과 비교하여 암반의 느슨함도 적고 막장의 자립성도 좋지만, 막장은 통상 무지보 상태로 놓여 있기 때문에 암반이 연약 하거나, 붕괴성 암반 또는 팽창성 암반에서는 막장의 밀어냄이나 붕괴가 발생하는 경우도 있다. 이와 같은 막장면의 안전은 천반의 안정에도 큰 영향을 미치기 때문에 주의해야 할 사항이기도 하다.

이러한 경우에 쓰이는 보조 공법으로는 막장 전방 지반에 아치쉘상의 구조체를 구축하는 프리라이닝을 들 수 있으며, 또한 막장 자립성을 얻기 위해 사용하는  막장면 숏크리트공, 막장면 록볼트공 등이 있다.

이와 같은 대응으로 큰 단면을 시공할 수가 있으며 보다 효율적인 시공이 가능하게 된다.

막장면 록볼트 공법은 막장면이 굴착된 터널 쪽으로 밀려나옴을 방지하기 위한 막장 강화 대책의 하나로써 막장에 록볼트를 타설하여 막장의 안정을 얻고자 하는 방법이다. 암반의 상황에 따라 타설하는 록볼트의 개수와 설치 간격이 결정되며 또한 막장면 일부에 설치하는 경우와, 전면에 설치하는 경우로 구분하기도 한다.

록볼트의 길이는 막장 굴착시 이전에 타설한 볼트가 충분히 암반에 남아 있어서 효과적으로 작용할 수 있는 길이가 요구되는데, 보통 1회 굴진장의 3배 정도로 하고 있다.

일반적으로 널리 쓰이는 록볼트를 막장면 안정을 목적으로 사용하면 굴착 작업 시 시공에 지장이 됨으로 비교적 쉽게 절단되는 글라스 파이버(glass fiber) 록볼트를 막장 자립공으로 사용하기도 한다. 또한 막장의 밀려나옴에 효과적으로 저항할 수 있도록 지압판(plate)으로 단단히 막장면을 구속하기도 하고, 강관다단 공법이나 제트 그라우팅 공법과 병행되어 적용되기도 한다.

3. 해석 방법

3.1. 해석 모델

본 해석에서 적용된 해석 모델은 터널 직경 12.198m로 2차선 도로 터널 단면으로 하였다. 해석 프로그램은 3차원 연속체 해석이 가능하고, 유한차분법을 이용하는 Itasca 사의 FLAC3D Version 2.10을 사용하였다. 지반의 파괴조건은 Mohr-Coulomb을 적용하여 탄소성 해석을 실시하였다. 해석영역은 터널 중심으로부터 각각 좌·우 3.5D, 하부경계까지는 4.0D, 토피고는 30m로 길이 60m, 높이 80m, 폭 100m의 Fig. 1과 같은 매쉬를 적용하였다. 

3.2. 지반 물성

해석 지반은 페이스 볼트 공법 적용이 필요한 연약한 풍화토 지반의 물성치를 Table 1과 같이 적용하였다. 

굴착 후 지보는 통상 풍화토에서 적용되는 숏크리트와 록볼트를 하였고, 페이스 볼트는 터널 굴착 시 절단하기 쉬운 FRPG의 물성치를 적용하였다. Table 2에 해석에 쓰인 지보재의 물성치를 나타냈다.

3.2. 해석 방법

본 해석에서는 페이스 볼트의 수와 길이를 변수로 하여 굴진면 전후의 응력-변형 거동을 측정하였다. 굴진장은 2m로 페이스 볼트 개수에 따라 6가지 Case와 길이에 따라 5개의 Case (Table 3～6 참고)로 나누어 해석을 실시하였다.

4. 해석 결과

4.1 설치 개수별 해석 결과

해석결과는 Table 7에 나타나 있다. Table 7은 타설 하는 볼트 개수에 따른 막장변위, 천단침하, 지표면 침하, 터널의 좌·우측 벽의 변위 최대값을 나타낸 것이다. 볼트의 개수가 증가할수록 변위가 감소하는 것을 볼 수 있으며, 특히 Case 6 (100EA)에서 막장 최대 변위는 145.47mm로 Case 1 (0 EA)에 비교해 약 43% 정도 막장 변위가 감소된 것을 볼 수 있다. Fig 2. 는 무보강시의 최대 변위를 100%로 나타냈을 때의 타설 하는 볼트 개수에 따른 막장 최대 변위, 천단 최대 변위, 측벽 최대 변위, 지표면 최대 변위의 값을 나타낸 그래프 이고  Fig 3. 은 페이스 볼트 설치 개수별 막장면 변위 양상 그래프이다.

4.2 설치 길이별 해석 결과

해석결과는 Table 8에 나타나 있다. Table 8은 타설 하는 볼트 길이에 따른 막장변위, 천단침하, 지표면 침하, 좌·우측 변위의 최대값을 나타낸 것이다. Fig. 4는 무보강시의 최대 변위를 100%로 나타냈을 때의 타설하는 볼트 길이에  따른 막장 최대 변위, 천단 최대 변위, 측벽 최대 변위, 지표면 최대 변위의 값을 나타낸 그래프 이다.

CASE 7 (0.5D)과 CASE 9 (1.0D)로 타설 시 CASE 1 (OEA)과 비교해 볼때 막장 변위가 최대 38%, 33% 감소하는 것으로 보인다.

Fig. 5에는 페이스 볼트 타설 길이별 막장면 변위 양상 그래프를 나타내었다.

5. 결론 및 고찰

본 연구에서는 막장 안정 보강 공법의 하나인 페이스 볼트 공법의 검토를 위해 3차원 연속체 해석을 실시하였다. 막장면에 타설 하는 볼트의 개수와 길이에 따른 변위와 막장면의 응력분포도를 검토한 결과는 다음과 같다.

1. 페이스 볼트 공법은 막장면에 타설 하는 볼트의 개수와 길이 등에 영향을 받게 된다. 타설 하는 볼트의 개수가 증가할수록 막장면에서 변위가 최대 43%정도 감소하는 것을 알 수 있으며, 설계 시 적절한 볼트의 타설 개수는 시공성과 경제성, 단면의 크기 등을 고려해 결정해야 된다고 판단된다.

2. 타설 하는 볼트의 길이는 해석 결과 0.5D와 1.0D에서 변위가 최대 약48%, 43% 정도 감소하였다. 하지만, 0.5D로 시공 시 시공단계가 많아지게 되므로 본 논문에서 적용 시에는 1.0D 정도면 막장면 보강 효과가 있다고 판단된다.

3. 막장면의 최대 주응력 분포도에서는 무보강시보다 볼트 타설 개수가 증가할수록 터널 막장에서의 응력 집중 현상이 작아지는 것을 알 수 있으며, 볼트 길이는 0.5D나 1.0D정도면 막장의 응력 집중을 저감하는데 효과가 있다고 생각된다. 하지만 이는 어디까지나 수치해석에 의한 결과이므로 향후 현장 실험 등에 의해 적절한 적용이 필요하다고 판단된다.

4. 페이스 볼트 공법은 타설 개수 및 길이뿐만 아니라, 타설 각도나 지반 조건, 측압계수 등에 영향을 받게 되므로 향후 이와 같은 연구가 필요하다고 판단된다.