1. 서 론
2. 현장지반조건 및 수치해석 모델링
3. 본 연구대상 대단면 통합 연직갱에 대한 3차원 굴착 안정성 분석
3.1 수치해석 조건
3.2 수치해석 결과 분석
4. 터널 굴착안정성 분석
5. 대심도 터널 접속부 구간 지반 안정성 분석
5.1 Heok-Brown 파괴포락선에 의한 파쇄대 안정성 검토
5.2 수치해석 시 숏크리트 물성치에 관한 분석
5.3 지하수 변동 관련 안정성 검토
6. 결 론
1. 서 론
수도권의 급격한 인구 증가와 도시화로 인해 교통 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 교통난 해소와 대중교통 서비스 향상을 위해 수도권광역급행철도(GTX) 사업이 추진되고 있다. 본 연구대상은 대심도에 위치하며 통합 연직갱과 3방향으로 접속하는 연결터널로 구성되어 있다. 특히, 통합 연직갱은 직경 32.0 m의 대단면 구조물로 국내에서 유사한 사례가 거의 없는 특수한 구조이다. 이러한 특수성으로 인해 굴착 과정에서의 안정성 및 운영 중 구조물의 안전성에 대한 연구가 필수적이고 접속부에서의 응력 집중 및 지반 변위 발생 우려가 있어 안정성 분석이 중요하다. 본 연구대상 구조물은 Fig. 1과 같이 정거장 연직갱 중 직승+환승 통합연직갱은 연직갱 하부 E/V 대기홀(대단면터널)에서 환승연결통로 및 시종점부 환기연결통로와 3방향으로 접속되는 형태로 형성되어 있다. 이와 같이 연직갱 하부 터널 확대 굴착 시 대단면터널과 연결통로 접속 개소가 증가하는 경우에는 터널 변위량 증가와 접속부에서 응력집중이 발생할 수 있는 가능성이 높아지게 된다. 본 연구대상 구조물과 같이 하부 대단면터널이 연직갱 규모보다 큰 사례는 신안산선 사례(연직갱 내경 18.0 m, 하부 터널 폭 20.0 m)가 있으나, 본 연구대상 연직갱 규모는 직경 32.0 m, 하부 터널 폭 30.0 m으로 국내에는 유사 규모의 적용 사례가 없는 것으로 조사되었다.
본 연구의 목적은 대단면 통합 연직갱과 연결터널 접속부의 굴착 안정성과 운영 중 콘크리트 라이닝 및 슬래브 등의 구조물에 대한 최적의 안정성을 분석하는 것이다. 본 연구 수행방법으로는 지반조건 평가를 위해 현장 시추조사 자료를 분석하여 지반 특성을 파악하고, 파쇄대 및 불량 지반의 분포를 분석하였다. 또한, 3차원 수치해석 프로그램을 활용하여 시공 단계별 터널 거동을 모사하고, 굴착에 따른 변위 및 응력 분포를 분석하였다. 해석 결과를 바탕으로 숏크리트, 록볼트 등 지보재의 적정성 및 추가 보강 필요성과 터널 라이닝과 중간 슬래브의 연결 방식에 따른 구조물의 거동특성과 안정성을 분석하였다. 또한, 지하수 유입에 따른 지반 침하 및 구조물 영향성을 분석하고, 차수 대책을 제안하였다.
2. 현장지반조건 및 수치해석 모델링
본 연구대상 지반조건은 선캠브리아기 경기변성암 복합체와 쥬라기 화강암류의 경계에 위치하고 있다. 주요 암종은 운모편암과 편마암 등으로 구성되어 있으며, 이러한 암종은 편리 및 절리 등의 불연속면이 발달하여 이방성을 나타낸다. 또한, 단층 F-14, F-16, F-17과 근접해 있어 지반 조건의 변동성이 존재하고 인근 단층의 영향으로 지반 조건이 복잡할 수 있다.
본 연구를 위해서 총 7공의 시추조사를 수행하였고 시추 결과, 지층은 상부의 매립층과 풍화토층, 중간의 풍화암층과 연암층, 하부의 보통암~경암층으로 구성되어 있다. 매립층과 풍화토층은 GL 0.0 m에서 약 -3.4 m까지 분포하며, 그 아래로 풍화암층이 위치한다. 연암층은 편암으로 구성되어 있으며, GL -3.4 m에서 -22.0 m까지 분포한다. 이 구간은 암질이 비교적 불량하며, 굴진 시 실트질 모래로 분해되는 특징을 보인다. 보통암~경암층은 GL -22.0 m 이하에 분포하며, 양호한 암질의 편암으로 구성되어 있다. 특히, GL -44.5 m와 -68.7 m 지점에서 두께 1.5~2.3 m의 연암 파쇄대가 발견되었다. 이 파쇄대는 RQD (암질지수)의 저하로 인해 암반등급이 하향 조정될 필요가 있다. Fig. 2와 같이 본 연구대상 연직갱의 굴착직경은 30.0 m이며 동일한 폭의 출입구용 연결터널과 접속하며 좌우에는 환기용 연결통로 2개소가 분기되고 중앙에는 출입구 연결통로를 통해 본선과 접속하게 된다.
또한, 수치해석을 위한 지반강도 정수산정은 양호한 암반의 경우 II-1~II-2 등급으로 평가하였지만 파쇄대가 출현하는 구간은 암질의 불량으로 인해 III~IV 등급으로 하향 조정하였다. 지반 물성치는 암반등급별로 탄성계수, 점착력, 내부마찰각 등을 산정하였으며, 편암의 이방성 및 불연속면 특성을 고려하여 물성치를 보정하였다. 터널의 숏크리트에는 압축응력이 작용하는 것이 일반적이나 이와 같은 접속부에서는 축력보다 휨모멘트가 크게 작용하여 휨인장이 작용하는 경우 발생, 아래의 수치해석 결과에서도 숏크리트에 인장이 발생하며 이 경우 숏크리트가 파괴될수 있으므로 숏크리트의 휨인장에 대한 안정성 분석이 필요하다. 또한, 록볼트 축력도상이 표기된 위치는 통합출입구 확폭터널이 접속되는 구간으로 보강록볼트가 설치되어 있지 않으므로 편리 및 절리에 의한 낙반 우려가 있으므로 보강록볼트 설치하여 Fig. 3과 같이 분석하였다.
Table 1과 같이 해석 시 적용된 섬유보강 숏크리트 물성친 국내 섬유보강 숏크리트 허용인장강도 기준 없으므로 해외기준(RELEM, 독일)을 준용하여 고강도 숏크리트(35 MPa)의 허용휨인장강도 3.7 Mpa 적용하였다.
Table 1.
Steel fiber reinforced concrete (SFRC) class in RILEM
Strength class of SFRCa) | C20/25 | C25/30 | C30/37 | C35/45 | C40/50 | C45/55 | C50/60 |
fck | 20 | 25 | 30 | 35 | 45 | 50 | 50 |
fctm | 3.7 | 4.3 | 4.8 | 5.3 | 5.8 | 6.3 | 6.8 |
ffctk,fl | 2.6 | 3.0 | 3.4 | 3.7 | 4.1 | 4.4 | 4.8 |
Efcm | 29 | 30.5 | 32 | 33.5 | 35 | 36 | 37 |
섬유보강 숏크리트에 고강도 와이어메쉬를 추가 보강할 경우 허용응력을 초과하는 하중 발생 시 섬유보강 숏크리트의 연성거동을 유도하여 급격한 편형 및 파괴를 방지하고 Fig. 4와 같이 와이어메쉬 보강 시 휨인장강도 증가 효과를 기대할 수 있다.
3. 본 연구대상 대단면 통합 연직갱에 대한 3차원 굴착 안정성 분석
본 연구대상 대단면 통합 연직갱에 대한 안정성 분석을 위하여 수치해석을 수행하였고 수치해석은 MIDAS GTS NX 프로그램을 활용하여 Mohr-Coulomb 파괴기준에 의한 탄소성 해석을 실시하였다. 해석 모델은 Fig. 5와 Table 2와 같이 수직구, 확폭터널, 연결터널의 3차원 형상을 구현하였으며, 지반과 구조물의 상호 작용을 고려하였다.
Table 2.
Analysis conditions
3.1 수치해석 조건
시공 단계를 반영하여 초기 지중 응력 상태를 구현하고, 수직구 굴착 및 지보 설치, 확폭터널 굴착 및 지보 설치, 연결터널 굴착 및 지보 설치의 순서로 해석을 진행하였다. 지반 물성치는 시추조사 결과를 바탕으로 지층별로 적용하였으며, 파쇄대 구간은 별도로 설정하여 불량 지반의 특성을 반영하였다.
3.2 수치해석 결과 분석
탄소성 해석을 수행한 결과, Tables 3, 4, 5, 6, 7, 8과 같이 분석되었다. 특히, 터널 천단 변위는 Table 5와 같이 최대 2.36 mm로 분석되었고 위치는 출입구용 연결통로에서 발생하였다. 내공 변위는 전반적으로 미소한 수준으로 구조물의 안전성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었고 숏크리트의 휨압축응력과 록볼트의 축력도 Fig. 6과 같이 허용치 이내로 나타나 안정적인 것으로 평가되었다. 그러나 접속부에서의 응력 집중 현상이 확인되었으며, 파쇄대가 출현하는 경우 변위 및 응력의 증가 가능성이 존재하므로 추가적인 보강이 필요하다는 결론을 도출하였다.
Table 3.
Integrated entrance vertical tunnel (SPVE)
Table 4.
Integrated entrance widening tunnel (SPHG) stability evaluation
Table 5.
Connecting passageway for station entrance (SPHD) stability evaluation
Table 6.
Connection transverse passage joint (SPHK) stability evaluation
Table 7.
Ventilation and evacuation passageway (SPHA) stability evaluation
4. 터널 굴착안정성 분석
대단면 통합인천시청정거장은 굴착직경 32 m의 초대단면 수직구로서 출입구 연결통로 터널 및 환기 연결통로 터널이 접속하도록 계획되어 있다. 총 3개소의 접속지점에서 응력집중현상이 발생할 것으로 예상되며, 설계 시 예상한 조건보다 불량한 암반조건이 출현하는 경우, 초대단면 특성으로 인해 원형단면 폐합의 응력분배효과를 기대하기 어려운 조건이므로 접속지점의 지반안정성과 그에 연동되는 구조물의 안정성를 위한 면밀한 검토를 수행하였다. 도심지는 광역지질학적으로 충적층에 해당하여 공학적으로 불량한 지반조건에 해당한다. 한편, 대심도 터널은 대체로 60~90 m심도에 계획되므로 기존 경험의 주류를 이루는 지하철 터널에 비하여 2~3배 이상 높은 응력수준에 대응하여야 한다. 즉, 산악터널에서 일반적 경험이었던 소규모 파쇄대 보다 큰 대규모 파쇄대의 출현 가능성이 높고, 지하철 토사터널 등 불량지반 터널경험보다 높은 굴착유발응력 수준에 대비할 수 있는 대책을 수립할 필요가 있다. 이는 기존 경험과 다른 조건에서 경험적 표준지보패턴을 적용하는 경우, 대변형 및 지하수 관련 문제로 인한 지반침하 또는 지보 및 구조물 손상 발생 시 효과적으로 대응하기 어렵기 때문이다.
따라서, 본 과업대상 터널계획 및 안정해석 결과와 관련하여 대심도 구간의 불량암반 출현 가능성을 확인하고, 터널 주변 지반 및 지보안정성 확보 여부를 검토하였다. 또한, 특별히, 지표층부터 대심도 구간까지 연속적으로 형성되는 수직구의 기하학적 특성을 고려하여 불량암반 분포지점을 통한 지하수 유출 가능성에 대해서도 연관지어 분석하였다.
5. 대심도 터널 접속부 구간 지반 안정성 분석
지반조사결과 본 연구대상 정거장 구간은 단층 F-16 및 F-17 사이에 위치하며, 접속지점 심도에는 암반등급 II-1~II-2의 양호한 암반이 분포하고 있는 것으로 조사되었다(KORAIL, 2023). 해당구간의 본선터널 시추공 DTB-64, ST-2, DST-10 및 DST-11에서는 연암으로 표기된 시추결과가 확인되었고, 특히, 본선 정거장구간 시추공 DTB-64의 GL(-) 68.0~72.4 m지점에서 RQD = 15~24%의 연암이, 시추공 DST-10에서는 GL(-) 44.5~51.5 m지점에서 RQD = 5~49%의 연암층이 확인되었다. 수직구 정위치 시추공인 DST-11에서는 GL(-) 44.5 m, 68.7 m지점에서 두께 1.5~2.3 m RQD = 23~37%의 연암층이 확인되었다. 정거장 주변구간을 3차원적으로 모사한 응력-지하수 연계해석을 수행함에 있어, 지층분포를 수평적으로 모사하였고, 안정성 평가의 지배적 인자인 숏크리트 탄성계수에 대하여 경험적으로 15,000~20,000 MPa을 적용하였다. 그 결과, 터널은 미소변형 내에서 안정한 상태이며, 인근 지하매설물 역시 허용침하량 25 mm에 크게 미달하는 침하량을 보이며 전반적으로 안정한 것으로 평가되었다. 도심지 특성 상, 전기잡음, 교통진동 및 지중 매설물 등 많은 장애 요인으로 인해 물리탐사의 신뢰도가 매우 낮으므로 물리탐사보다는 시추조사 위주의 암반평가를 수행하는 것이 시공 중 불확실성을 최소화하는데 더 효과적인 방안이다. 본 지반조사 결과에서도 물리탐사 결과를 준용하여 암반등급도 상 II-1~II-2에 해당하는 암반조건으로 예상하였으나, 시추결과 일부구간에서 비교적 큰 규모(두께 4.4~7 m)의 파쇄암반(암반등급 IV~V)이 확인되었다. 단층파쇄대는 일정한 방향성을 나타내는 것이 일반적이므로 본선 정거장터널구간 시추에서 확인된 파쇄대가 초대단면 수직구 및 접속지점에 출현할 가능성을 점검할 필요가 있다. 대심도 ‧ 대단면 접속부 터널구간의 굴착유발응력 집중특성을 고려할 때, 해당지점에 파쇄대가 출현하는 경우, 공사 중 지보재 손상 및 과다한 지하수 유출로 인한 지반침하 문제가 발생할 수 있다. 또한, 운영 중 바닥부 지하수 배출불량으로 인한 양압력 등의 문제발생 가능성을 고려해야 한다.
5.1 Heok-Brown 파괴포락선에 의한 파쇄대 안정성 검토
Fig. 7은 약 60 m심도의 터널 주변지반 응력상태를 Hoek-Brown의 경험적 파괴포락선을 작성하여 분석결과이다. 경험적 기술의 특성을 고려할 때, RMR에 근거한 암반분류 및 암반등급별 공학적 특성치에 대해 관련 실적자료가 부족하여 국내 ‧ 외적으로 유의미한 수준의 통계적 신뢰도를 확보하기 어려운 측면이 있다.
반면, Q 및 GSI를 이용한 암반의 공학적 특성 평가실적은 풍부한 관련자료를 바탕으로 비교적 높은 신뢰도를 인정받고 있다. 따라서, Fig. 7과 같은 분석적 방법에 의한 검토는 수치해석기법을 활용하는 방안에 비해 단면형상, 다양한 지층분포 등의 상세한 모사가 어려운 한계가 있음에도 불구하고, I.C. (이른바 지반강도비)와 같이 터널의 응력-변형거동에 지배적인 영향을 미치는 암반파괴 여부를 파악할 수 있으며 계획적 측면에서 안정대책 수립방향과 안정검토 결과의 이해에 대한 통찰을 제공한다는 점에서 의미있는 안정성 평가 수단이다.
Fig. 7에 의한 터널 주변 암반응력상태 평가 결과, 수직구 접속부 지점의 암반심도에서 V등급 이하의 암반조건이 출현하는 경우, 기존 경험적 표준지보패턴의 구속압 규모는 암반파괴를 방지하기 부족하다. 다만, Fig. 7의 평가결과는 터널 주변지반 전체가 암반등급 V 이하의 균질조건임을 전제로 할 때에만 확정적이다. 그럼에도 불구하고, 경험적 표준지보패턴의 구속압을 원형폐합단면 조건으로 가정했다는 점과 파쇄대 출현규모에 따라서 Fig. 7에서 가정한 균질한 불량암반 분포조건과 유사 거동 발생가능성을 감안한 보강계획 수립이 필요하다. 설계단계에서의 시추공만으로 전체적인 지반조건을 확정할 수 없으므로 시공 시 파쇄대 등 불량지반 확인 시를 감안한 보강방안을 제시할 필요가 있다.
5.2 수치해석 시 숏크리트 물성치에 관한 분석
수치해석방법에 의한 안정성 평가와 관련하여 암반의 공학적 특성치와 더불어 가장 중요한 인자는 지보재의 공학적 특성과 허용강도 및 공칭강도이다. 본 과업에서는 숏크리트를 선형탄성의 골조부재로 모사하였으므로, 해석결과로 출력되는 숏크리트 부재력에 지배적 영향을 미치는 공학적 특성치는 숏크리트 탄성계수이다. 국내 기술환경과 안정검토 관행에 따라 일반숏크리트 탄성계수 15,000 MPa, 고강도 숏크리트 탄성계수 20,000 MPa 등 경험적 입력치를 적용하였으나 공학적 근거는 부족한 실정이다.
Fig. 8은 경험적 숏크리트 탄성계수 적용 시 해석결과를 이해하는 방법에 관한 사항이다. 대심도 구간에서는 암반과 숏크리트의 상대적 강성(탄성계수 및 부재두께)차이로 인하여 숏크리트 탄성계수 증가가 지반변형에 미치는 영향이 매우 작은 반면, 숏크리트의 탄성계수 증가로 인해 분담해야 할 지반응력 증가와 부재력 증가를 유발하게 된다. 따라서, Fig. 8과 같이 대심도 불량암반구간에서 지보재 허용응력이 초과하는 조건에 대해 고강도 숏크리트로 대응하는 계획을 수립하고 일반숏크리트와 동일한 경험적 탄성계수를 적용하여 고강도 숏크리트의 부재력이 저평가되는 해석결과를 근거로 제시하는 것은 논리적인 오류가 발생할 수 있다. 이러한 관행적인 오류는 과거사례와 같이 시공 중 지보재 손상 등 터널 안정성 문제를 유발할 뿐만 아니라, 시공 중 설계단계의 예측과 다른 변동성에 대응하는 능력을 저하시키는 원인으로 작용하게 된다.
5.3 지하수 변동 관련 안정성 검토
설계현황은 응력-지하수 연계해석 결과를 바탕으로 지반침하가 거의 발생하지 않는 것으로 예측하고 있으나, 전술한 바와 같은 우리 경험적 터널기술의 한계와 그로 인한 지반의 공학적 특성 평가의 신뢰도 문제를 고려할 때, 현장에서 변동성에 대응할 수 있도록 지하수 관련 기준에 따라 지하수 변동을 분석하고 터널 내 허용유입량을 설정할 필요가 있다.
특별히, 암반등급별로 공학적 특성치를 확정하여 평가하는 관행으로 인해 파쇄대가 출현하는 암반등급 IV 이하 구간에서 실제 현장과 크게 다른 과소 혹은 과다설계의 결과로 이어지는 경우가 빈번하다. 본 과업대상과 같이 양호한 암반(암반등급 II-1~2)구간에 파쇄대 출현이 예상되는 경우, 현장에서 출현하는 파쇄대 규모에 따라 해당 암반구간은 암반등급 IV 또는 V에 해당하는 역학거동 특성을 나타내게 된다. 수리학적 거동과 관련해서는 더 적극적인 영향을 미치는 바, 수직구와 같이 불량한 지반조건을 관통하는 기하학적 조건에서는 Fig. 9와 같이 파쇄대 규모가 작은 경우에도 높은 유속의 지하수 흐름경로를 형성함으로써 과다한 지하수 유출의 원인으로 기능하여 광범위한 지반침하를 유발할 우려가 있다. 실제로 최근들어 대형화되고 있는 도심지 터널 수직구 시공 중, 암반불량구간에서 지하수 대량 유입 및 관련 지반침하 발생 사례가 빈번하고 있는 실정이므로, 암반의 역학적 ‧ 수리학적 특성 개량방안을 계획하는 것은 원활한 사업 추진력 확보를 위해 필요하다.
지하수 관련 기준 및 규제 관련하여 상기한 바와 같이, 지하수 변동제어가 필요한 구간에서는 터널 내 허용유입량을 설정하고 관리하는 방안을 제시할 필요가 있으며, 그러한 경우, 콘크리트 라이닝에 작용하는 수압을 정량적으로 분석하여 적용함이 바람직하다. 그러한 정량적 분석은 패턴그라우팅 등 유입량 제한대책의 규모설정에 있어서도 필요한 과정이다.
근본적으로, 콘크리트 라이닝 설계수압에 있어서 경험적 잔류수압을 적용하는 것은 터널의 수리학적 거동의 지배요소인 지반조건, 터널심도를 고려하지 않으므로, 실제 완공 후 터널 운영 중 나타나는 수리학적 거동특성과 무관하고 장기적 측면에서 구조물의 성능수준을 예측하는데 장애요인이 된다. 반면, 정량적 분석을 터널 내 유입량 제한대책을 적용한 경우, 터널 주변지반 내 지하수의 흐름속도를 저하시키므로 터널 배수시스템의 열화를 방지하고 작용수압과 관련하여 구조물의 유지관리 계획을 정량적으로 수립하는 근거로 활용할 수 있다.
6. 결 론
본 연구에서는 대단면 통합 연직갱 및 접속부의 안정성을 종합적으로 분석하였다. 지반 조사 결과를 통해 파쇄대 및 불량 지반의 존재를 확인하고, 수치해석을 통해 굴착 과정에서의 변위 및 응력 분포를 평가하였다.
1. 굴착 안정성 측면에서 양호한 지반 조건을 갖추고 있으나, 파쇄대 출현 시 안정성 저하 가능성이 존재한다. 숏크리트 및 록볼트 보강을 통해 안정성을 확보할 수 있으며, 지하수 유입에 따른 지반 침하 방지를 위해 차수 대책이 필요하다.
2. 구조물 안전성 측면에서 터널 라이닝과 중간 슬래브의 연결은 고정접합 방식이 시공성과 안정성 측면에서 유리하다. 구조 해석 결과, 슬래브, 벽체, 계단 등 내부 구조물은 안전율을 확보하고 있으며, 라이닝에 대한 양방향 검토 및 철근 배근 상세 설계가 필요하다.
3. 시공 및 계측 측면에서 안정성 확보를 위한 시공 순서 및 방법을 수립하여야 하며, 계측 계획을 통해 시공 중 변위 및 응력을 모니터링하여 안전성을 관리해야 한다.
향후 시공 단계에서는 예기치 못한 지반 조건 변화에 대비한 탄력적인 대응 방안을 마련하고, 계측 데이터를 활용하여 지속적인 안정성 평가 및 시공 방법을 최적화해야 한다. 본 연구의 결과는 유사한 대단면 수직구 및 터널 시공 시에도 유용한 참고자료가 될 것으로 기대된다.