1. 서 론
2. 배수겸용 마이크로파일의 개념과 터널 적용방안
3. 배수겸용 마이크로파일의 모형시험
3.1 시험기 구성
3.2 시험방법 및 케이스
3.3 모형시험 결과 분석
4. 배수겸용 마이크로파일의 수치해석
4.1 수치해석 모델링
4.2 수치해석 케이스
4.3 수치해석 결과
5. 결 론
1. 서 론
최근 운영 중인 터널에서 바닥부가 융기되며 통행에 지장을 주는 사례가 다수 보고되고 있다(Luo et al., 2024). 터널 바닥부 융기는 압착거동, 팽창성 광물의 팽창, 그리고 지하수의 수압 작용 등의 요인으로 발생한다(Lee et al., 2013). 특히 지질적으로 취약한 단층파쇄대에서 그 발생 가능성이 크다. 단층파쇄대는 주변 지반에 비해 강도가 낮아 압착 거동이 일어날 가능성이 크고(Wang et al., 2017), 높은 투수성으로 인해 수압이 바닥부에 직접 작용하며 융기가 일어날 수 있다(Son et al., 2015).
이를 방지하기 위해 건설 단계에서 융기를 예측하고 적절한 대책을 마련해야 한다. 하지만 현재 지반 조사 및 융기성 평가 기술이 미흡한 실정이며, 현장에서는 융기 대책 공사에 시간이 많이 소요되고 작업 공간이 충분하지 않기 때문에 이를 꺼리고 있다. 융기에 대한 불확실성이 충분히 고려되지 않는 경우, 시간 경과와 함께 지압이 증가하여 터널 운영 중에 융기가 발생한다(Zhang et al., 2022).
운영 중 융기 대책으로는 인버트 설치, 하향 마이크로파일(강봉, 강관) 또는 배수공 설치 등이 고려된다. 인버트 설치는 융기에 대한 근본적인 대책으로 평가받고 있으나 장시간의 교통 통제가 필요하다. 따라서, 시공성이 우수한 하향 마이크로파일이 일반적으로 사용되고 있다. 마이크로파일은 바닥부를 보강하여 상부 라이닝의 아치 효과를 하부까지 연결하므로써 융기에 효과적으로 대응한다. 한편, 터널의 유입량과 수압의 반비례 관계(Joo and Shin, 2014)에 따라 배수공은 바닥부의 수압을 해제할 수 있어, 이로 인한 융기에 효과적이다(Wong, 2001). Fig. 1에 수압 영향을 받는 융기에 대한 대책으로 사용되는 마이크로파일과 배수공을 도시하였다.
단층파쇄대에 위치한 터널은 압착거동과 수압으로 인한 융기가 동시에 발생할 가능성이 크기 때문에 하향 마이크로파일과 배수공을 동시에 설치할 필요가 있다. 그러나 터널 운영 중에 두 대책을 따로 설치하는 작업은 작업공간과 작업허용시간의 제약으로 어려움이 따른다.
이에 본 연구는 터널 융기 대응 방안으로 마이크로파일의 지반 보강 기능과 배수공의 수압해제 기능을 결합한 배수겸용 마이크로파일 적용을 시도하였다. 이는 터널 바닥부 지반 교란을 최소화하며, 신속한 보강작업을 시행함으로써 기존의 보강대책보다 경제적이며 효율적이다. 본 연구는 배수겸용 마이크로파일의 적용을 위해, 통상 간과되기 쉬운 수리거동을 분석하였다. 이를 위해 축소 모형시험을 이용하여 수리설계인자의 영향 특성을 고찰하였고 수치해석으로 타당성을 검증하였다.
2. 배수겸용 마이크로파일의 개념과 터널 적용방안
배수겸용 마이크로파일은 마이크로파일의 지지기능과 배수공의 수압해제기능을 조합한 구조로써 바닥부의 지지력 부족 및 수압 증가에서 비롯되는 융기에 대응하기 위해 고안되었다. 따라서 이는 취약지반(압착성지반, 단층 취약지반, 석회암 공동지반)에 위치한 터널 바닥부에 설치된다.
배수겸용 마이크로파일은 Fig. 2에서와 같이 유공관과 필터로 구성된 수압저감부와 팽창형 강관으로 이루어진 정착부로 구성된다.
Fig. 3은 선단의 수압저감부(터널 바닥부에서 2 m)가 배수를 통해 터널 주변 잔류수압을 감소시키고, 토사유출에 따른 공동 생성을 방지할 수 있음을 보인 것이다. 수압저감부는 두 개 이상의 관을 이용해 터널 내로 지하수의 방사형 횡방향 흐름을 유도할 수 있고 이는 바닥부 주변의 수압을 저감하는 효과가 있다. 외관과 내관 모두 유공관으로 이루어져 있으며, 내관의 유공은 외관의 유공보다 축소되는 형태이다. 유공관 사이에는 토사유출 방지를 위해 필터 및 배수재를 넣어 토사의 유입을 억제하며 주위 공동형성을 방지한다.
배수구간을 통해 마이크로파일로 유입되는 유입량 Q는, 수압저감부를 피압대수층에 있는 우물로 가정하여 다음 식 (1)과 같이 산정할 수 있다.
여기서, 는 지반의 투수계수, 은 수압저감부의 길이, 와 은 유공관 중심에서부터의 거리, 와 는 각각 와 에서의 수두이다.
하단의 정착부(터널 바닥부로부터 2 m 이상)는 마이크로파일의 개념을 적용해 터널의 지지력을 확보한다. 정착부의 구조는 Fig. 4와 같이 사전에 패커를 삽입한 후 팽창시켜 지지하는 팽창형 강관과 이를 연결하는 모듈로 구성되어 있다. 팽창형 강관은 내부에 주입되는 유체의 압력에 의해 팽창하여 지반 천공홀과 접촉한다. 이때 발생한 응력으로 강관은 인발저항을 가지게 되어(Kim et al., 2017) 융기에 저항할 수 있다.
접촉 응력으로 생기는 인발력 F은 다음 식 (2)를 이용하여 구할 수 있다.
여기서, 은 정착부의 길이, 𝜇는 정지마찰계수, 는 접촉면적, 는 접촉 응력이다.
Fig. 5에 배수겸용 마이크로파일의 수리설계인자를 나타내었다. 일반적으로 바닥부 중앙에서 가장 큰 수압이 작용하므로(Fang et al., 2022) 배수겸용 마이크로파일은 바닥부 중앙을 중심으로 배치한다. 배수겸용 마이크로파일을 융기 대책으로 사용하기 위해서는 설치될 구간을 정하고 마이크로파일간 횡간격(S), 유공관의 길이(L)와 직경(D)을 결정해야 한다.
Shin et al. (2009)은 터널 라이닝에 작용하는 간극수압을 효과적으로 제어할 수 있도록 핀홀(pin-hole) 설계방안을 제시하였다. 이와 같이 배수겸용 마이크로파일의 경제성과 효율성을 높이기 위해서는 유공관의 간격, 길이, 직경 등을 최적화할 필요가 있다. 본 연구는 모형시험과 수치해석을 통해 해당 대책의 수리 거동을 분석하고 배수겸용 마이크로파일의 최적화 설치방안을 분석하였다.
3. 배수겸용 마이크로파일의 모형시험
3.1 시험기 구성
원형 길이의 1/50이 되도록 실험 모형을 Fig. 6과 같이 제작하였다. 시험기는 지반을 모사한 토조, 토조 중앙에 바닥부만 모사한 모형과 축소한 배수겸용 마이크로파일 모형으로 구성되었다. 융기를 모사하기 위하여 바닥부는 고무판으로, 터널의 모형을 유지하기 위하여 토조는 아크릴 판으로 제작하였다.
3.1.1 지반재료
지반재료는 주문진 표준사를 사용하였다. 주문진 표준사를 오븐에서 건조한 후, 입도분포시험을 수행하였다. 또한 지반재료의 기본물성을 파악하기 위해 비중시험, 상대밀도 시험, 정수위 투수시험을 수행하였다.
흙의 비중시험은 KS F2308 규격에 따라 수행하였고, 비중시험결과는 Table 1에 나타내었다. 측정 결과 평균값은 2.65를 얻었다.
Table 1.
Specific gravity test of Jumunjin sand
| Test number | 1 | 2 | 3 | Average |
| Specific gravity | 2.66 | 2.63 | 2.65 | 2.65 |
입도 분포를 얻기 위해 KS F2302에 따라 수행하였으며, No. 10, No. 20, No. 40, No. 60, No. 100, No. 200체를 사용하였다. 체 가름 실험의 결과를 Fig. 7에 나타내었다.
ASTM D-4253, 4254에 따라 최대 ‧ 최소 단위중량를 얻은 후 이를 통해 최대 ‧ 최소 간극비를 구하였다. 최대 건조단위중량()은 주문진 표준사로 채워진 몰드에 상재 하중을 가한 상태로 진동을 주어 얻었고, 최소 건조단위중량()은 깔대기 모양의 강사기구를 사용하여 구하였다. 측정한 최대 ‧ 최소 건조 단위중량(, )으로 최대 ‧ 최소 간극비(, )를 산출하였다. 시험결과는 Table 2에 정리하였다.
주문진표준사의 투수계수는 정수위 투수시험을 통해 산정할 수 있으며, 시험결과 1.43 × 10-4 m/s로 나타났다.
Table 2.
Relative density of the Jumunjin sand
| Relative density | Density (g/cm3) | Void ratio |
| Max | 1.57 | 0.69 |
| 80 | 1.52 | 0.75 |
| 70 | 1.49 | 0.77 |
| 60 | 1.47 | 0.80 |
| 50 | 1.45 | 0.83 |
| 40 | 1.43 | 0.86 |
| 30 | 1.40 | 0.89 |
| 20 | 1.38 | 0.91 |
| Min | 1.35 | 0.97 |
3.1.2 배수겸용 마이크로파일
Fig. 8은 축소된 배수겸용 마이크로파일 모형을 나타낸 것이다. 모형시험에 사용된 배수겸용 마이크로파일은 유공의 크기가 3 mm이고 총 길이는 160 mm이다. 마이크로파일의 직경은 축소율()이 1/35가 되도록 10 mm로 제작하였다. 배수길이에 따른 영향 평가를 위해 유공관의 길이(L)는 축소율() 1/10을 적용하여 30, 70, 100 mm 세 종류로 제작하였다. 모형시험기 바닥부는 Fig. 9와 같이 배수겸용 마이크로파일을 실험기 앞, 뒤쪽에 설치할 수 있도록 제작하였다. 따라서 실험기에 설치할 수 있는 마이크로파일의 최대 개수는 앞뒤로 2개씩 3세트, 총 6개다.
3.1.3 상사성 검토
배수겸용 마이크로파일만의 수리적 거동을 파악하기 위해 터널 콘크리트 라이닝은 지하수가 통과하지 못한다고 가정하였다. 따라서 배수겸용 마이크로파일의 유공관은 피압대수층이 있는 지반의 우물로 가정할 수 있고 이는 다음 식 (3)을 만족한다.
여기서, 는 전수두, 은 유공관 중심으로부터 떨어진 거리, 는 유입량, 는 유공관 직경, 은 유공관 길이, 는 지반과 유공관의 등가투수계수이고, 실험 모형에서도 다음 식 (4)가 성립해야한다.
여기서, 는 유입량의 축소율, 는 유공관 직경의 축소율, 는 유공관 길이의 축소율, 는 투수계수의 축소율이다. 따라서 원형과 모형의 거동이 일치하려면 식 (5)를 만족해야 한다.
직경()과 길이의 축소율()이 각각 1/35, 1/10이고 유입량의 축소율()을 1/100으로 설정하면 투수계수의 축소율()을 구할 수 있다. 투수계수의 축소율()과 주문진 표준사 투수계수를 이용하여 원형의 투수계수를 산정한 결과, 4.09 × 10-5 m/s로 계산되었다. 이는 Seo et al. (2016)이 보고한 국내 풍화암 투수계수 범위 2.6~8.7 × 10-5 m/s 수준이므로 본 모형시험은 수리적 상사성을 만족한다고 평가할 수 있다.
3.2 시험방법 및 케이스
터널 바닥부 주변 흙 유실을 방지하기 위하여 배수겸용 마이크로파일 내부에 필터 역할을 하는 No. 200 체를 삽입하였다. 실제 유지되는 지하수위를 표현하기 위하여 실험기 하부에 물 유입 밸브를 설치하였고, 측정되는 동안 일정한 수위를 유지하여 정상류 상태를 만들었다. 바닥부 내부로 유입된 지하수는 배수구멍을 통해 유출되도록 하였고 이를 일정 시간동안 모아서, 바닥부 내 유입량을 측정하였다. 바닥부 중앙에는 간극수압계를 설치하여 수압을 측정하였다.
배수겸용 마이크로파일에 따른 간극수압과 유입량의 변화를 분석하기 위해 마이크로파일간 횡방향 간격(S)과 유공관의 길이(L)를 변수로 설정하여 시험 케이스를 선정하였다. 바닥부 중앙을 중심으로 100 mm를 설치구간으로 설정한 후, 파일간 횡방향 간격이 ∞인 조건에서 100, 50 mm로 변화시켰다. 유공관의 길이는 30, 70, 100 mm로 증가시키며 실험을 진행하였다. 모형시험의 케이스는 Table 3에 정리하였다.
Table 3.
Cases of model test
| Factor |
Transverse spacing (mm) |
Drainage pipe length (mm) | Number of Multi-purpose Micropile | Cases |
|
Spacing (S) | ∞ | 30 | 2 | S0 |
| 100 | 4 | S1 | ||
| 50 | 6 | S2 | ||
|
Length (L) | ∞ | 30 | 2 | L3 |
| 70 | L7 | |||
| 100 | L10 |
3.3 모형시험 결과 분석
배수겸용 마이크로파일의 수리설계인자에 따른 특성을 검증하고자 바닥부 중앙에서 간극수압과 모든 유공관을 통한 유입량을 측정하였다. 분석을 위해, 간극수압은 수압저감률(reduction rate of pore pressure)로 바꾸어 나타내었다. 수압저감률은 정수압 Po에서 감소된 간극수압의 정도를 백분율로 나타낸 것이며 다음 식 (6)과 같이 정의하였다.
3.3.1 배수겸용 마이크로파일의 간격에 따른 영향
설치구간 내 간격의 영향을 평가하기 위하여 각 케이스별로 바닥부 중앙(간격 없음, 2개), 설치구간 양 끝(S = 100 mm, 4개), 설치구간 양 끝과 중앙(S = 50 mm, 6개)에 마이크로파일을 설치하였다. 이후 일정 수위를 유지하며 바닥부의 간극수압과 유공관의 유입량을 측정하였다.
배수겸용 마이크로파일의 간격은 설치밀도(installation density)를 이용하여 나타내었다. 설치밀도는 설치구간에 마이크로파일이 얼마나 밀하게 설치되었는지를 나타내며 다음 식 (7)과 같이 정의하였다.
Fig. 10은 설치밀도를 이용하여 배수겸용 마이크로파일의 수리특성을 나타낸 것이다. 마이크로파일을 간격 없이 바닥부 중앙에 설치한 경우, 수압저감률이 14%인 것을 확인할 수 있다. 설치밀도가 증가할수록 수압저감률은 증가하는 경향을 보였다. 수압저감률은 설치밀도가 0에서 1로 변화할 때 급격하게 증가하였으며, 1에서 2로 증가한 경우에는 근소한 차이만 보일 뿐, 큰 증가는 없는 것으로 분석되었다.
간격에 따른 유입량은 증가하였으며 설치밀도가 0에서 1로 변화할 때보다 1에서 2로 증가하는 경우가 변화폭이 더 컸다.
3.3.2 유공관 길이의 영향
유공관 길이에 따른 영향을 평가하기 위해 배수겸용 마이크로파일의 유공관 길이를 30, 70, 100 mm로 증가시키며 바닥부의 간극수압 및 유입량을 측정하였다. 실험을 통하여 확인한 유공관 길이에 따른 수리특성을 Fig. 11에 나타내었다. 유공관의 길이가 길어질수록 수압저감률과 유입량, 모두 선형적으로 증가함을 보였지만 간격에 따른 영향보다 증가폭이 더 작은 것을 확인할 수 있었다.
4. 배수겸용 마이크로파일의 수치해석
축소 모형시험의 경우, 모형제작의 한계, 반복성의 제약, 영향 파라미터의 제한 등으로 인해 종합적이고 광범위한 분석이 어렵다. 또한 축소 모형의 특성상 실제 다양한 터널 거동을 조사하는 데 한계가 존재한다. 보다 실질적인 배수겸용 마이크로파일 거동 분석을 위해, FEM (finite element method) 프로그램인 MIDAS GTS NX를 활용하여 융기가 발생했던 실제 규모의 터널에 배수겸용 마이크로파일을 적용하는 상황을 가정하였다. 이를 통해 모형시험을 검증하고, 모형시험에 다루지 못한 터널 바닥부 수리거동 특성을 추가 분석하였다.
4.1 수치해석 모델링
터널의 형상은 바닥부 길이가 10 m인 마제형 터널이며, 콘크리트 라이닝의 두께는 0.3 m이다. 경계조건의 영향을 배제하기 위하여 전체 지반의 크기는 터널 직경의 약 40배인 400 m, 토피고는 45 m로 설정하였다. 지하수위는 지반과 같은 높이로 설정하였고 정상류 흐름 조건으로 가정하여 터널 내 지하수 유입량에 의한 수위 저하가 발생하지 않도록 하였다. Fig. 12는 지반 해석 모델의 전체 형상을 보였으며, Table 4에는 해석에 사용된 물성치를 나타내었다.
Table 4.
Properties for numerical analysis
| Type | Permeability (m/sec) |
| Landfill soil | 1.54 × 10-5 |
| Weathered soil | 1.36 × 10-6 |
| Weathered rock | 7.95 × 10-5 |
| Lining concrete | 5 × 10-9 |
| Floor concrete | 1 × 10-10 |
| Drainage pipe | 1 × 100 |
| Filter | 9 × 10-1 |
배수겸용 마이크로파일는 5 m의 설치구간에 바닥부 중앙을 중심으로 일정한 간격을 두며 위치하였다. 또한 2차원 해석임을 고려하여 원형의 관형 소재이지만 직경(D)만큼의 평면요소에, 유공관을 모사한 얇은 두께의 판이 양 쪽에 위치한 단면으로 단순화하여 모델링하였다.
유공관과 배수재는 큰 투수계수를 적용하여 지하수 유입이 원활하게 이루어지도록 설정하였다. Fig. 13과 같이, 수압저감부의 끝 부분(정착부와 연결되는 부분), 라이닝과 노반에 유량경계조건(Q = 0)을 설정하여 지하수가 유입되지 않도록 모델링하였다.
4.2 수치해석 케이스
모형실험에선 마이크로파일의 간격, 유공관의 길이를 수리설계인자로 설정하였다. 수치해석에서는 이에 유공관의 직경을 추가하여 수리거동 특성을 파악하였다.
실제 크기를 고려하여 직경이 0.35 m이고 길이가 1 m인 유공관이 1개 있을 때(간격 없음)를 기준 케이스로 설정하였다. Table 5에는 해석 케이스들을 정리하여 나타내었다.
Table 5.
Cases of numerical analysis (unit: meter)
4.3 수치해석 결과
수치해석으로 얻은 바닥부의 간극수압은 수압저감률로 변환하여, 모형실험의 결과와 함께 나타내었다.
유입량의 경우, 라이닝과 바닥부를 통해 지하수가 유입되는 배수터널의 유입량을 Qo로 정의하고, 상사법칙을 적용한 모형실험 결과와 수치해석 결과를 Qo에 대한 백분율로 나타내었다. 또한 배수겸용 마이크로파일로 인해 생기는 수위 저하를 유공관 중심으로 표현하였다.
4.3.1 배수겸용 마이크로파일의 간격에 따른 영향 분석
설치밀도에 따른 수압저감률을 Fig. 14에 나타내었다. 설치밀도가 0에서 1로 증가한 경우, 수압저감률이 82%에서 95%로 증가하였다. 설치밀도가 1에서 2로 증가하면서 수압저감률이 95%에서 97%로, 소폭 증가하며 S0에서 S2 구간에서 비선형적인 경향을 보였다. 설치밀도가 2 이상인 경우에는 97%의 일정한 수압저감률을 보였다.
Fig. 15는 간격에 따른 바닥부의 수위저하를 나타낸 것이다. 수위가 저하한 범위를 배수겸용 마이크로파일의 수리적 영향범위로 간주할 수 있다. 간격이 5 m일 때(S1) 마이크로파일 간 영향이 있지만, 간격이 없을 때(S0)와 비교하면 파일당 수위 저하 범위가 0.23 m 증가한 수준이었다. 간격이 2.5 m인 경우(S2)부터 마이크로파일간 영향이 유의미하게 나타났고, 모든 설치구간에서 수위가 저하된 것으로 나타났다. 좁은 간격에서는 지하수위가 바닥부 0.5 m 이하로 일정하게 형성되며, 파일간 영향이 명확하게 확인되었다.
배수겸용 마이크로파일로 인한 유입량은 설치밀도가 증가할수록 증가한다(Fig. 16). 수치해석 결과, 설치밀도가 0일 때의 유입량은 배수터널의 70% 수준으로 나타났다. 설치밀도가 1인 경우, 91%의 유입량이 발생하며, 2 이상인 경우, 배수터널보다 많은 유입량이 발생하였다. 배수겸용 마이크로파일 설치로 인해 발생하는 유입량은 선형적으로 증가하는 경향을 보였다.
Figs. 14 and 16은 모형시험의 결과와 수치해석 결과를 동시에 나타내었다. 수압저감률의 경우, 설치밀도가 0에서 2로 변화할 때 그래프 기울기가, 수치해석과 모형시험에서 각각 0.13, 0.02와 0.14, 0.03이므로 그 경향이 대체로 유사하다고 할 수 있다. 설치밀도가 증가할수록 유입량이 늘어나는 경향과 증가폭이 간격과 직경에 비해 크다는 점이 유사하나, 정량적으로는 큰 차이를 보였다. 이는 수치해석 시 배수재를 모사한 절점에서 적절한 수리경계조건(P = 0)을 설정할 수 있지만 모형시험에서는 수리경계조건을 완벽하게 제어하는 데에 한계가 있어 그 영향이 나타난 것으로 추정된다.
4.3.2 배수겸용 마이크로파일의 유공관 길이에 따른 영향 분석
유공관 길이에 따른 수압저감률을 Fig. 17에 나타내었다. 수치해석 결과, 유공관 길이가 1 m 이하일 때 수압저감률 증가폭이 다소 줄어드는 비선형성이 관찰되나, 근사적으로는 선형적 변화에 가까운 것으로 나타났다. 유공관 길이가 2 m인 경우(L2), 수압저감률은 88%로, 같은 유공관 면적을 가지는 S1일 때의 수압저감률 91%보다 작았다.
Fig. 18에는 유공관 길이 변화에 따른 지하수위를 나타내었다. 관의 길이가 증가할수록 수위 저하범위가 증가하였고 유공관 끝과 바닥부를 잇는 지하수위가 직선에서 곡선으로 변화하였다. Fig. 19와 같이 유공관 길이가 증가할수록 배수겸용 마이크로파일의 영향범위는 증가폭이 점차 커지는 비선형적 경향을 보이는 것으로 나타났다.
유공관의 길이가 증가할수록 배수겸용 마이크로파일의 유입량은 증가한다(Fig. 20). 유공관의 길이가 0.25 m에서 2 m로 증가하였을 때, 유입량은 배수터널의 61%에서 76%로 증가하였다. 간극수압과 마찬가지로 유공관의 길이가 1 m 이하일 때 유입량의 증가폭이 줄어드는 비선형성이 관찰되었으나 근사적으로는 선형적 변화에 가까운 것으로 판단된다. L2와 같은 유공관 면적을 가진 S1의 유입량은 배수터널의 90.9%로, 동일한 배수 면적이라도 하나의 긴 유공관이 두 개의 짧은 유공관보다 유입량이 작다는 것을 확인할 수 있다.
Figs. 17 and 20에서와 같이, 유공관의 길이에 따른 수리적 특성은 모형시험과 수치해석이 경향이 같으나 정량적으로 큰 차이를 보였다. 그러나 두 결과값 간, 크기 차이는 4.3.1에서 논의한 바와 같이 모형시험의 수리 경계 제어의 한계에서 기인한 것으로 판단된다.
4.3.3 배수겸용 마이크로파일의 유공관 직경에 따른 영향 분석
마이크로파일 유공관 직경에 따른 수압저감률을 Fig. 21에 나타내었다. 유공관의 직경이 증가할수록 수압저감률은 선형적으로 증가하였으나 직경이 0.1 m일 때 79.9%이고 직경이 0.5 m일 때는 82.6%로, 파일간 간격과 유공관 길이에 비해 증가폭이 작았다. 특히 D0.5의 수압저감률(82.6%)는 유공관 면적이 비슷한 S1, L2의 수압저감률(S1 = 91%, L2 = 88%)보다 낮아, 앞선 두 설계인자에 비해 직경에 따른 영향이 상대적으로 작다는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 22는 유공관 직경이 증가할 때 변화하는 바닥부의 지하수위를 도시한 것이다. 저하된 지하수위는 유공관 직경이 증가함에 따라 길이의 경우와 달리, 유공관 끝에서 수평방향으로 넓어지고, 수직방향으로는 그 형태를 유지하였다. 이에 따라, 유공관 직경과 수위 저하 범위가 선형적인 관계를 보였다(Fig. 23).
Fig. 24와 같이 유공관 직경이 증가할수록 배수겸용 마이크로파일의 유입량은 증가하였다. 직경이 0.1 m인 경우, 배수터널 유입량의 67%, 직경 0.5 m인 경우에도 70%로, 그 증가폭이 파일간 간격에 비해 작게 나타났다. D0.5의 유입량(70%)은 유공관의 면적이 유사한 S1의 90.9%, L2의 76%보다 낮아 유입량에서도 간격과 길이에 비해 직경의 영향이 적은 것을 확인할 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 터널 융기 요인 중 수압과 지지압 감소에 효과적으로 대응할 수 있는 배수겸용 마이크로파일의 수리거동을 조사하였다. 이를 통해 바닥부에 배수겸용 마이크로파일을 설치한 경우, 바닥부 수압을 현저히 저감할 수 있음을 확인하였다. 수압저감효과를 확대하기 위해서는 설치간격을 줄이는 것이 효과적이나 그 간격이 2.5 m 이하면 마이크로파일 간 상호작용으로 수압감소 폭이 줄어들고 유입량은 배수터널 수준을 상회한다. 따라서 간격이 작은 경우에는 경제성과 효율성을 위해 유공관의 길이를 늘리는 방안을 검토할 필요가 있다.
본 연구를 통해 파악한 배수겸용 마이크로파일의 주요 수리거동은 다음과 같이 요약할 수 있다.
1. 배수겸용 마이크로파일의 간격이 작아질수록 바닥부의 수압저감률은 증가하였지만 증가폭이 점차 감소하는 비선형적 경향을 보였다. 간격에 따른 터널 내 지하수 유입량은 선형적으로 증가하였다.
2. 유공관 길이 증가에 따라 터널 바닥부의 수압저감률과 지하수 유입량은 선형적으로 증가하였다.
3. 유공관의 직경이 증가함에 따라 수압저감률과 유입량은 선형적으로 증가하였다.
4. 배수겸용 마이크로파일의 간격, 유공관의 길이, 유공관의 직경 순으로 터널 바닥부 수압저감에 효과적이다. 특히, 유공관의 직경 변화는 바닥부에 미치는 영향이 간격과 길이에 비해 상대적으로 작은 것으로 나타났다.
5. 배수겸용 마이크로파일의 수위변동 영향범위는 유공관의 직경에 따라 선형적으로 증가하지만, 길이에 따라서는 증가폭이 커지는 비선형적 경향을 나타낸다.
