1. 서 론

근래 들어, 종전의 강 구조물이나 콘크리트 구조물의 설계에 국한되어 오던 성능 기반 설계의 기본 개념이 터널과 같은 지하 구조물로 확대되는 추세에 있다.

본래 유럽의 설계 기준인 유로코드(Eurocode)를 중심으로 실시되어 오던 성능 기반 설계법(PBD: Performance-based design)이 국제 표준화로 자리 잡아감에 따라 대표적인 사양 중심의 규정 설계법(PD: Prescribed design) 채택 국가인 일본도 최근 들어 지반공학 분야의 관련 기준들을 개정하기에 이르렀다.

국내의 경우, 지반공학 분야의 여러 설계 기준들이 수년전부터 학회의 검증을 거치면서 성능 기반 설계로의 이행단계에 있으며, 터널분야도 성능 설계법의 도입을 위한 연구단계에 있다. 일반적으로 터널과 같은 지하 구조물에 대한 설계는 구조공학 분야, 콘크리트공학 분야 및 지반공학 분야 등의 개별 전문 분야의 기술이 종합적으로 활용되어 이루어지기 때문에 설계 제·개정 및 표준화 작업이 다소 늦어지는 경향이 있다.

본 논문에서는 기존의 설계법(사양서에 근거한 개별 설계기준)을 준용하여 건설 중이던 터널 구조물에 발생한 대변형 사례를 소개함으로써 기존 설계법의 문제점을 고찰하고자 한다. 이와 더불어 본 논문의 후반부에서는 터널 구조물에 대한 성능 기반 설계법이 국제 표준으로 자리 매김 해 가는 현 추세를 고려하여 터널 구조물에 대한 구체적인 성능 규정화 방안에 대하여 소개하고 있다.

2. 성능 기반 설계법 도입의 필요성

기존의 터널 건설 기준서에서 적용하고 있는 설계기준은 재료, 방법 및 수행절차를 기술하는 사양중심의 규정 설계기준이다. 그러나 최근에 해외 터널 선진국에서는 목적 구조물의 요구 성능(강도, 내구성 등)을 만족하는 성능 기반 설계로의 전환을 통한 사용자 중심의 창조적인 설계를 유도하고 있다.

2.1 구조물의 성능 기반 설계의 동향

종래 개별 설계로 이루어져 오던 구조물 설계가 근래에는 구조물 설계의 기본과 체계를 규정한 ISO2394나 유로코드가 포괄설계 코드로서 발행되어 있다. 또한 가장 최근에 성능설계로 전환한 일본의 사례를 살펴보면, ISO2394나 유로코드를 받아들여 “토목 및 건축에 관한 설계의 기본(일본 국토 교통성)” 이 2002년에 제정되었고, 그 초기 단계의 기술기준을 제정할 당시에 코드라이터가 준수해야 할 제정 원칙과 용어를 통일하였다. 이와 더불어 일본 국토 교통성 토목기술정책 종합연구소는 일본토목학회에 포괄 설계 코드 제정을 위한 기초 조사에 관련한 위탁연구를　발주하여 2003년 3월에 “성능설계”를 기본개념으로 하는 포괄설계 코드(code PLATFORM ver. 1.0)가 정립되었다. 한편, 건설기준에 대한 이러한 세계화 추세는 국내의 설계기준에도 영향을 미치고 있다.

2.2 성능 기반 설계법의 개념

성능 기반 설계법이란 목적물 및 목적물을 구성하고 있는 부품, 자재, 기계 등에 대하여 성능 측정, 시험, 평가, 관리가 가능할 수 있도록 규정한 설계기준 으로 목표연도 동안 목적물의 성질과 기능이 원활한 상태로 유지되고, 시설물의 보수․관리 측면에서 유지관리가 용이한 설계기준을 의미한다. 이러한 성능 기반 설계 체계에서는 구조물의 요구 성능만 만족된다면 어떠한 구조 형식이나 구조 재료, 설계 방법 및 공법을 적용하여도 무방하다.

Fig. 1은 개별 시방 규정에 근거한 사양 중심의 규정 설계와 포괄 설계 개념의 성능 기반 설계의 개념적 차이를 보여주고 있다. 사양 중심의 규정 설계 체계에서는 터널 고유의 ｢기능｣과 그 기능을 유지하기 위해서 필요한 ｢성능｣에 대한 기준이 명확하지 않은 채 사용되었거나, 굳이 구분할 필요가 없이 혼용되어 온 실정이다. 반면에, 성능 기반 설계로 전환하기 위해서는 먼저 대상이 되는 터널이 보유해야 하는 성능을 명확히 규명할 필요가 있다. 따라서, 구조물의 목적과 그에 적합한 기능을 명시하고 기능을 갖추기 위해 필요로 하는 성능을 규정하고 규정된 성능을 구조물의 공용기간 동안 확보함으로써 기능을 만족시킬 수 있어야 한다.

2.3 터널 구조물의 성능 기반 설계

터널의 성능을 규정하기 위해서는 터널 고유의 목적과 기능을 이해하여야 한다. 터널 구조물은 그 용도에 따라서 각각의 목적이 다르다. 또한, 그 목적의 구체적인 역할을 설명한 것이 기능이라고 할 수 있으며, 이러한 터널의 기능은 요구 성능을 도출하는 근거가 된다. 주요 터널의 용도에 따른 소정의 목적과 기능을 정리하면 다음과 같다.

•도로/철도 터널 : 차량 및 열차를 소정의 속도로 안전하고 원활․쾌적하게 주행시키는 것, 소정의 공용기간 동안 그 기능의 유지관리가 가능할 것

•전력/통신 터널 : 소정의 케이블을 설치하여 송전 및 송신, 부설 및 철거가 가능할 것, 소정의 공용기간 동안 그 기능의 유지관리가 가능할 것

•가스 터널 : 소정의 가스관을 설치할 수 있고 소정의 공용기간 동안에 유지 및 관리 할 수 있을 것

•하수 터널 : 소정의 우수/오수를 통수, 저류시킬 수 있고 소정의 공용기간 동안에 유지 및 관리 할 수 있을 것

요구 성능이란 터널 구조물의 기능을 만족시키기 위해서 규정하는 것으로서, 안전성, 사용성, 환경성 및 경제성 등 모든 구조물에 공통으로 필요한 요구 성능을 ｢기본 요구 성능｣이라 한다. 일반적으로 터널 각각의 용도에 맞는 요구 성능은 기본 요구 성능을 바탕으로 세분화 하여 필요한 성능을 규정하게 되는데, 이러한 기본 요구 성능은 설계나 시공시에만 국한되지 않고 터널 공용 개시 후의 이용자, 관리자 및 주변인에 대한 요구 성능까지 확대되어야 한다.

또한, 성능 규정에 근거한 설계의 체계화를 위해서는 유지관리 단계를 포함한 종합적인 매니지먼트 방안을 수립할 필요가 있다. 최근 국내의 터널 구조물도 내구년한을 100년으로 발주하는 경우가 증가하고 있으며 이러한 터널의 장수명화를 달성하기 위해서는 계획에서부터 유지관리 단계를 포함한 생애주기 설계(Life cycle design) 개념을 도입할 필요가 있다.

일반적인 구조물의 성능은 Fig. 2에 나타내는 것과 같이 구조물 신설시에 규정된 최소의 요구 성능(A')을 만족하도록 초기 성능(A)을 가지게 된다. 이러한 건설초기의 성능(A)은 시간경과에 따라 성능 저하를 맞이하게 되는데, 급격한 성능저하를 방지하기 위해서는 지속적인 유지관리를 필요로 한다. 이와 같이 생애주기 설계법은 구조물의 공용 기간 중에 여러 가지 요인으로 변동하는 기능 및 요구 성능을 적기에 재검토하면서 구조물의 수명을 연장해 나가는 종합적이고 지속적인 설계법이라 할 수 있다. 구체적으로는 계획 → 조사 및 설계 → 시공 → 유지관리의 전 단계에 대한 요구 성능을 규정하고 표준화된 성능평가 지표를 설정하고 각 단계별로 성능평가를 실시하여야 한다. 후술하는 시공 사례는 기존의 설계 및 시공법 즉, 기초공사, 프리캐스트 터널공사, 보강 성토공사, 도로 노체공사 등 각 공종별 개별 설계기준을 준용한 건설 공사 중에 예상하지 못한 변형이 발생한 시공 사례로, 개별 설계기준의 만족이 반드시 전체적인 성능 확보를 의미하는 것이 아님을 보여주는 좋은 사례라 할 수 있다.

3．사례연구

본 시공 사례는 일본 효고현에 위치한 돗토리 고속도로 신설 공사 중에 발생한 고속도로 하부 횡단용 프리캐스트 터널에 관한 것이다. 사례 연구에서는 해당 터널 구조물의 변형 원인을 규명하고 공사 재개를 위한 적절한 대책을 제시하기 위하여 현장 시험 및 실내시험을 포함한 다양한 추가 지반조사와 수치해석이 실시되었다.

Fig. 3은 현장 터널 구조물의 갱구부 전경을 보여주고 있으며, Table 1에는 해당 현장의 아치 프리캐스트 터널 구조물의 설계 조건과 재료 강도를 요약하였다.

3.1 공사 개요와 변형 발생 현황

일본 츄고꾸 횡단 고속도로(中国横断自動車道) 노선 중 희메지(姫路)～톳토리(鳥取)구간은 2009년 전면개통을 목표로 공사가 진행되었다. 문제가 발생한 구간은 고속도로 본선 하부를 횡단하기 위해 적용한 프리캐스트 터널구간으로, 터널 설치 공사 후의 도로부 노체의 토공 작업이 완료된 시점에서 터널 구조물에 Fig. 4와 Fig. 5와 같은 천단부 균열 및 프리캐스트 터널의 변형이 발견되었다. 본 공사에 적용된 3힌지 아치 구조의 프리캐스트 터널 공법의 특징으로는 토압에 대한 안정성이 높고, 시공시에 발생하는 휨모멘트를 저감 시킬 수 있어 얇은 아치 부재에도 불구하고 고성토가 가능하다고 알려져 있다.

해당 현장의 주요 시공이력 및 변형 발생 경위를 요약하면 다음과 같다.

•2002.12.～2003.08. 도로상세 설계 및 지반조사

•2003.09.～2004.01. 공사착수～아치 부재 설치

•2004.06. 되메움토 시공 개시

•2004.11. 되메움토 시공이 프리캐스트 터널 구조물을 횡단하고, 도로 노체 시공 개시

•2005.02.～2007.05 덤프트럭 운행 개시(2/18), 성토 높이가 아치부 천단인 10.5 m에 도달(3/4)→ 터널 변위 발생 확인(최초 변위발생 확인 2005.04)

•2005.06. 터널 아치부 박락, 부재 조사(부분 보수)

•2005.12. 덤프트럭 운행 중지, 안정성 검토 착수

•2006.10.～2007.01. 프리캐스트 터널 중앙부 노체 시공으로 인해 터널 변위 확대

•2007.04.～2009.10. 덤프트럭 주행 재개

현장 계측결과에 의하면 터널 변형에 대한 대책 검토 시점에서는 연직변위 최대값은 87 mm(터널 중앙 지점의 천단부), 종단방향의 수평변위 최대값은 106 mm(하류측 갱구 부근), 횡단방향의 수평변위 최대값은 110 mm(하류측 갱구 부근의 터널 우측 측점)로 계측되었다. 또한, 터널 천단부에는 균열 폭 0.1 mm～0.4 mm 정도의 미세균열이 다수 발생한 상태였다. 한편, Fig. 6에 나타낸 바와 같이 시공 이력에 따른 터널의 변위 발생 경과 분석을 통하여, 터널 상부의 지오텍스타일 보강 성토공 시공과 중장비 차량의 주행으로 터널의 변위가 급격하게 확대된 것을 알 수 있었다. 여기서, 지오텍스타일 보강 성토 공법의 경우, 토목섬유를 보강재로 부설함으로서 급구배 성토 사면 형성이 가능하지만 수평 방향의 외력에 대한 변위 억제에 대해서는 큰 효력이 없다는 것을 지적해 두고 싶다(Hur et al., 2012).

3.2 지반조사

검토 대상 구간의 변형 발생 원인을 규명하고 적절한 대책을 모색하기 위해서 터널 갱구부 부근에 연직 시추조사 3공, 수평 시추조사 1공을 실시하고, 연직 시추공 BH21-1 (ρs=2,680 kg/m3), BH21-2 (ρs=2,638 kg/m3), BH21-3 (ρs=2,675 kg/m3)에서 채취된 시료를 대상으로 성토재료의 재료적 특성을 파악하기 위한 일련의 실내시험을 수행하였다.

터널 상부의 보강토 시공에 이용된 현지 발생토는 Fig. 7과 같은 삼각좌표에 의한 공학적 분류에서는 세립분질 모래 자갈(GFS)로 분류 되었지만, 채취 시료에 대한 육안조사 결과는 세립분이 상당량 함유된 것으로 관찰되었고, 입도시험에서는 세립분 함유율이 19%～25%정도로 분석되었다. 이 결과는 본 현장에 적용된 프리캐스트 터널 공법의 시공 매뉴얼인 ｢테크스판 설계 및 시공 매뉴얼, 일본, 1998.12.｣상에 규정된 되메움토의 세립분 함유량 기준치인 15%를 다소 초과하는 결과로 조사되었다. 또한, 다짐시험 결과로부터 구한 최대 건조밀도 1,930 kg/m3, 최적함수비 13.2%를 기준으로 하여 소정의 다짐도를 반영한 공시체를 제작하여 각종 역학시험을 수행하였다.

한편, 성토 재료의 강도정수 및 변형 특성을 구하기 위해서 벤더 엘레멘트시험(bender element test, BE시험)과 일면전단시험, 그리고 삼축압축시험을 실시하였다. Table 2 및 Table 3는 일면전단시험과 삼축압축시험에 적용한 시험 조건을 나타내고 있다.

Fig. 8은 일정 압력 및 일정 체적 조건의 일면전단시험으로 구한 응력 경로를 보여주고 있다.

일정 체적 조건의 시험에서는 압밀응력 σvc=50 kPa및 σvc=100 kPa에서 전단시의 응력 경로가 원점으로부터 멀어지는 과압밀적인 거동을 보이고 있는 것을 알 수 있다. 강도정수(c φ)의 경우, 공시체의 초기 건조밀도 =1,750 kg/m3인 경우는 다소 과압밀 상태로 점착력 c'=10.2 kPa로 나타났다. 한편, 초기 건조밀도 =1,630 kg/m3일 경우는 σvc에 관계없이 정규 압밀적인 거동이 관찰 되었으며, 점착력 c'=4.5 kPa로 산정되었다.

Fig. 9, Fig. 10은 각각 압밀 배수 삼축압축시험으로 구한 파괴시의 모어 응력원과 삼축 시험의 응력-변형 관계를 BE시험에서 구한 Emax,d으로 정규화한 원지반의 Esec,f～εa 관계를 추정한 것이다. 이 결과로부터, 초기 건조 밀도 및 구속압의 차이와 상관없이 탄성계수의 변형 레벨 의존성은 동일한 경향을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 일반적인 사질토의 경우, 변형 레벨이 0.1%정도에서 탄성계수가 반감(Esec/Emax≈0.5)하는 것으로 보고되고 있지만(Tatsuoka et al., 1991), 본 시험 결과에서는 εa=0.1%에서는Esec/Emax≈ 0.32가 되고, Esec/Emax=0.5에 상응하는 변형 레벨은 εa=0.045%가 된다. 이 결과는 현장에서 채취한 시료가 현저한 변형 레벨 의존성(변형에 대한 비선형성)을 보이고 있으며, 변형 해석에 적용되는 토질정수는 깊이에 따라서 차등 적용해야 할 필요성을 시사한다.

Table 4는 일면전단시험과 삼축압축시험에서 구한 토질 강도정수를 비교한 것으로, 일면전단시험에서 구해진 강도정수(c, φ)가 삼축압축시험에서 구해진 강도정수 보다 다소 큰 경향을 보이고 있다. 이는 시험 방법에 따른 공시체의 포화 및 불포화 상태의 차이에 의한 영향도 있을 것으로 사료된다. 그러나 두 시험법의 결과 모두 성토 시공에 이용된 현지 유용토의 설계 강도는 통상적인 토공 재료의 설계 기준 강도(c=0, φ=30°)보다는 큰 값으로 조사되어, 재료의 강도측면에서의 문제점은 발견되지 않았다. 한편, 본 현장과 같이 변형이 문제가 되는 경우, 재료의 강도 정수만으로는 지반 강성이 충분하다고 보증할 수 없다. 한편, 실내 시험에서 구해진 보강 성토 재료의 변형특성(G)과 강도특성(c, φ)은 지반 변형 수치해석을 실시하는데 있어서 참고치로 활용 되었다.

3.3 수치해석에 의한 변형거동 검토

프리캐스트 터널과 보강 성토의 변형의 원인을 추정하고 적절한 대책을 마련하기 위한 일환으로 각종 지반 조사 결과를 반영한 2차원 및 3차원 수치 해석을 실시하였다. 본 해석에 앞서, 시공중의 계측 결과에 근거한 역해석을 실시하여 보강성토부의 현장 지반 물성치를 추정하였다(Table 5 참조).

3.3.1 편토압 및 도로 노체 시공의 영향 검증

구조 형상 및 도로 성토가 터널에 미치는 영향을 확인하기 위한 정성적인 해석(CASE A, CASE B)을 수행 하였다. CASE A는 해당 현장의 지형 및 시공 이력을 시뮬레이션한 경우이며, CASE B는 터널에 편토압이 작용하지 않고 하중이 좌우 대칭이 되도록 시공하는 경우를 모사하고 있다. Fig. 11에 나타낸 것과 같이 CASE A에서는 터널 구조물이 편토압의 영향으로 비대칭 형태로 변형 되는 것을 확인 하였다.

한편, 성토부의 다짐도를 확인하기 위하여 터널 갱구부 인근에서 수평 시추 조사를 실시하였다. 그 결과, 터널 구조물 주변의 성토재는 단위중량이 현저히 낮다는 사실이 확인되었으며, 그 원인으로는 현장에 적용된 프리캐스트 터널공법(테크스판 공법)의 설계 및 시공 기준에서 찾아볼 수 있다. Fig. 12에 테크스판 공법의 다짐시공 기준을 나타내었다(테크스판 공법의 설계 시공 매뉴얼, 일본, 1998.12.).

테크스판 터널 구조물 경계 구간인 영역①에 대해서는, 다짐 압력을 가하지 않도록 규정되어 있다. 그 이유로는 프리캐스트 테크스판 자체가 강성이 크지 않은 구조이기 때문에 영역①을 다짐 시공할 때에 다짐 전압을 가하게 되면 성토시공 완료 단계에서는 계획한 구조물 형상(반원 형상) 확보가 곤란해 질 것을 우려한 때문인 것으로 사료된다. 바꾸어 말하면 프리캐스트 터널 주변의 되메움토의 다짐도를 조절함으로써 터널이 반원형상으로 유지되도록 경험 시공을 하고 있는 것이다. 이로 인하여 본 현장과 같이 편토압이 작용하는 경우에는 터널 구조물이 편향 변형을 일으키기 쉬운 상황에 놓이게 된다. 이상의 검토로 부터, 본 현장 갱구부(No. 003)의 터널 구조물이 편향 변형을 일으킨 원인으로는, ｢성토 형상에 기인한 편토압의 영향｣과 ｢성토재의 단위 체적 중량의 불균질성(완충영역①)｣에 기인한 것으로 생각할 수 있다. 따라서 본 사례와 같이 편토압이 작용하는 현장에 상대적으로 유연한 구조물인 테크스판 공법(프리캐스터 터널)을 적용 할 경우에는 편토압에 대한 배려나 시공 순서의 조정 등이 충분히 검토되어야 할 것이다.

Table 6은 초기 단계의 역해석으로 추정한 지반 물성치(Table 5)를 기본으로 하여 각 영역①～④의 전압의 차이에 따른 지반 강성을 재산정한 결과를 보여주고 있다. Fig. 13에서는 다짐도를 차등 고려한 경우와 동일한 다짐도를 적용한 경우에 대한 해석결과와 계측결과를 비교하였다.

이 결과에서 다짐도를 차등 적용한 CASE 1의 천단 침하량이 동일 다짐도를 적용한 CASE 2보다 최대 30%정도 큰 것을 알 수 있고, 이는 터널 주변의 다짐도가 터널 및 보강 성토의 변형에 영향을 미치는 주요한 인자가 된다는 것을 명확히 설명해 주고 있다. Fig. 14는 해석 결과를 바탕으로 다짐도가 상이한 각 영역의 연직 변형율을 계산한 결과로, 영역①의 변형율은 약 10%로 최대값을 보이고 있다. 이러한 결과는 터널과 인접할수록 탄성계수의 변형 의존성에 기인하여 지반의 강성이 작아지고 변형 발생이 더욱 용이해 진다는 것(Fig. 10참조), 따라서 다짐도의 차이에 의한 터널 주변 지반의 강성 차이가 터널 구조물의 불균등한 변형의 원인이 되었을 가능성이 높다는 것을 시사한다.

3.3.2 갱구부의 3차원 변형 거동의 평가

아치 프리캐스트 터널의 갱구부 부근은 전형적인 3차원 거동의 변형이 관찰되었다. 특히, 본 현장의 경우, 터널 상부의 도로 노체 건설로 인한 편경사 지형이 형성되어 있고, 노선의 종단 및 횡단 방향의 시공이력 또한 평면적이지 않고 입체적이었다. 따라서 본 연구에서는 3차원 지반 변형해석을 실시하여 터널의 변형 거동에 미치는 지형적 요인 및 시공이력에 의한 영향을 검토하였다. Fig. 15는 본 연구에 이용한 3차원 유한요소 모델을 보여주고 있으며, 갱구부 후방 7 m 이후 부터는 실제 시공 실적을 반영하여 영역별 다짐강도를 차등 적용하였다. Fig. 16은 시공이력을 고려한 3차원 해석 결과를 이용하여 계측 위치별 변위 발생 경향을 나타낸 것이다. 터널 구조물 설치 후, 보강성토의 축조 및 도로 노체 성토공사에 따라 측벽 및 중앙부의 변위가 증가하는 경향을 보이고 있다. 특히, 3차원 해석으로 도로 노체 성토 시공 및 편토압의 영향으로 프리캐스트 터널의 좌우측 벽체 및 천단부의 수평변위가 전체적으로 S자 형태를 보이는 것을 알 수 있는데, 이러한 변형 경향은 실제 현장 계측결과와 동일한 경향을 보여 주는 것이다(Fig. 17)

3차원 수치해석으로 예측된 갱구부와 터널 중앙부의 변위를 각각 Fig. 18, Fig. 19에 나타내었다. 이 결과에서 갱구부의 종방향 변위는, 갱구부 전면 방향으로 최대 3.8 mm 발생하고, 터널의 하단부의 종방향 변위가 상단부 보다 큰 것을 알 수 있다.

한편, 갱구부의 천단 침하량은 12.4 mm, 중앙부는 46.4 mm로 나타났으며 중앙부의 상재하중이 갱구부 보다 큰 점, 다짐도 부족에 의해 지반의 아칭효과가 충분히 발휘 되지 않은 점 등이 터널의 불균등 변형의 원인으로 추정된다.

3.4 터널 변형의 원인

Fig. 20은 현장에서 실시한 수평 시추 조사 결과를 근거로 추정한 보강 성토부의 다짐도를 나타낸 것으로, 터널과 경계영역①의 다짐도는 84%정도이고, 영역②와 영역③의 다짐도는 각각 91%, 94%이상인 것으로 조사되었다.

이러한 결과는 앞서 설명한 바와 같이(Fig. 12 참조) 관련 시공 매뉴얼을 준용한 다짐 시공 결과인 것으로 사료된다. 이와 같이 본 현장의 경우는 흙 쌓기에 이용한 시공 재료나 다짐관리 등에 있어서도 관련 매뉴얼을 잘 준수한 것으로 판단할 수 있다.

그러나 변형해석 결과는 프리캐스트 터널에 편토압이 작용하였을 가능성을 시사하고 있으며, 또한 보강 성토의 비탈면 경사구배가 급하게 설계됨에 따라 상대적으로 측방 구속 하중이 작아짐으로서 편토압이 터널의 S자형 변형에 직접적으로 관여 되었을 가능성이 매우 높다. 본 터널 공법의 관련 매뉴얼인 ｢테크스판 공법의 설계・시공 매뉴얼, 1998.12.｣에는 편토압에 관한 상세한 규정은 찾아볼 수 없다. 그러나 일반적으로 터널과 같은 지중구조물을 설계할 경우에는 편토압에 관한 사전 검토가 반드시 선행되어야 한다는 점을 상기할 필요가 있다.

이상과 같은 관점으로부터, 본 현장의 터널 구조물이 S자 형태의 대변형이 발생한 메커니즘을 다음과 같이 추정할 수 있다(Fig. 21참조).

①프리캐스트 터널 설치 후의 보강 성토 시공(터널 되메움 토공)을 위한 덤프트럭의 주행에 수반하여 터널에 1차 변위 발생,

②터널 상부에 시공된 도로 노체의 형상에 기인한 편토압의 영향으로 강성이 크지 않은 프리캐스트 터널이 전체적으로 S자 형태로 변형,

③프리캐스트 터널의 되메움시 터널경계부(영역①)의 다짐도가 부족하여 상대적으로 느슨한 영역의 형성 및 보강 성토부의 수평방향의 응력 해방의 영향으로 터널의 변위 확대

3.5 대책

본 사례의 대책으로서는, 대책공법 검토 시점에서 터널 구조물이 파괴에는 이르지 않은 것, 내공변위의 증가 수렴 경향을 보인 점 등을 고려하여 터널 구조물에 대한 대규모 보강은 실시하지 않았다. 그러나 터널 구조물의 내구성능 확보 및 사용성능 향상을 목적으로 미세 균열 및 부분적인 박락에 대한 보수를 시행하고 누수방지 대책을 마련하도록 하였다.

또한, 터널 구조물의 변위는 수렴 경향을 보이고 있었지만 완전히 수렴되지 않은 점에 착안하여 검토 시점의 변형과 프리캐스트 터널의 콘크리트 패널의 허용응력으로부터 계산한 횡단 방향의 허용 변위량을 이용하여, 터널 구조물의 장래 안전 평가 및 상부 도로의 안정성 확보를 목적으로 한 경과 관찰 계측을 실시하도록 하였다. 또한, 유지관리를 위해 횡단 방향의 수평변위 계측을 계속 수행하도록 조치하였다.

3.6 교훈

본 사례연구에서 얻은 교훈은 아래와 같이 정리할 수 있다.

1.본 현장의 터널 변형은 시공이력의 불합리(중덤프 트럭의 주행관리)와 도로 노체의 형상에 의한 편토압, 터널 되메움토의 다짐도 부족 등에 의한 것으로 추정되었다. 강성이 크지 않은 프리캐스트 터널 공법에서는, 시공관리를 통하여 터널 구조물에 편토압의 작용이 최소화 되도록 하는 것이 중요하다. 본 사례의 경우, 시공관리 변위 기준을 준수한 현장관리로 인하여 적기에 원인 규명 및 대책공법 검토가 이루어짐으로써 대규모 지반 공학적 보강을 피할 수 있었다는 점에서 시공관리의 중요성을 재인식할 수 있다.

2.허용변위가 작은 RC구조물을 선 시공한 후, 추후에 하중이 가해지는 시공 순서에 대해서는 대책 및 개선이 필요할 것으로 사료된다.

3.콘크리트 구조물의 되메움 시공시의 다짐 부족은 국부적으로 지반 강성의 저하를 초래하므로, 특히 본 사례에 채용된 테크스판 공법과 같이 상대적으로 유연한 콘크리트 구조물의 변형의 원인이 될 수 있으므로 콘크리트 구조물 주변의 되메움부는 주도면밀한 다짐관리가 요구된다.

4.본 사례는 사양 중심의 규정 설계 및 시공으로 인해 발생한 변형 성능 문제라는 점에 착안하면 현행의 설계·시공 매뉴얼에 대한 재검토가 필요한 것으로 사료된다. 따라서 유사한 사례의 재발 방지 및 구조물 고유의 기능과 성능을 명확히 제시하고 이를 설계 단계에서 검증할 수 있도록 하는 성능 기반 설계법이 조속히 도입되어야 할 것이다.

4.터널 구조물의 성능기반 설계에 요구되는 성능의 세분화 방안

4.1 성능 세분화의 의미

성능 기반 설계법의 시행에 있어서 가중 중요한 과제는 해당 구조물의 요구 성능을 어떻게 규정하는가에 있다. 전술한 시공 사례와 같이 종래의 사양 중심의 규정 설계법에 따라 개별 공종의 설계 및 시공 규정을 준수한 건설공사에서 발생하는 일련의 성능 문제에 대해서는 그 책임소재가 불명확한 경우가 많다. 그 이유로는 해당 구조물에 대한 성능이 명확히 규정되어 있지 않거나 정량화 되어 있지 않은 것, 암시적인 성능 규정으로 설계 및 시공 기술자가 해당 내용을 정확히 인지하지 못한 점 등을 들 수 있다.

이러한 문제의 해결책으로서 해당 구조물에 대한 요구 성능을 세분화 하여 현장 실무자가 소정의 요구 성능을 쉽게 이해하고 검토 할 수 있도록 하는 방안을 들 수 있다. 성능 세분화에 있어서는 먼저 관련 성능에 대한 개념을 명확히 하여야 하는데, 이 요구 성능은 단지 구조물 자체가 가지는 내구 성능에 국한되어서는 안 될 것이다. 과거의 고도 성장기에는 후순위로 밀려났던 시민의 안전이나 환경 문제가 지금은 사회적으로 최우선으로 꼽힐 만큼 관심이 매우 높고, 과거 ｢개발과 건설｣에 초점이 맞춰져 있던 건설 정책이 시대적 흐름에 따라 ｢유지관리와 현명한 사용｣으로의 전환기를 맞이하고 있는 점 등을 종합적으로 반영한 광의의 요구 성능을 생각할 필요가 있다. 이러한 광의의 요구 성능은 유럽이나 미국, 일본 등 해외 선진 사례에서도 쉽게 찾아볼 수 있는데, 터널을 직접 이용하는 이용자, 유지관리 등을 담당하는 관리자, 인근 주민 등 그 주체에 따라서 요구 성능을 구분하고 있다. 이처럼 구조물이 지니는 고유한 내구성능 이외에 터널과 같은 지하구조물에 대한 고려사항으로는 미관성, 사용성, 내수성, 안전성, 쾌적성, 조화성, 계획성 및 경제성 등을 들 수 있다.

4.2 요구 성능의 세분화 사례

도로터널의 주된 기능은 2.3절에서 언급한 바와 같이 소정의 공용 기간 중에 소요의 교통량을 안전하고 원활하게 주행시키는 것이다. 이와 더불어 최근 사용자의 입장에서 쾌적한 환경유지도 중요한 성능이므로, 이러한 도로 터널이 가져야 할 주된 성능을 세분화 해보면, 첫째로는 가장 기본이 되는 구조 안전 성능과 내구성능을 들 수 있다. 구조 안전 성능이란, 예상되는 하중에 대해서 구조적 안정을 유지하는 것을 말한다. 이와 함께 혼용하기 쉬운 내구성능은 예상되는 노화 및 열화 요인에 대해서 내구성을 확보하는가를 일컫는다. 둘째, 도로터널을 이용하는 이용자의 측면에서 보면, 이용자의 안전성능과 사용성능을 들 수 있다. 이용자의 안전성능은 이용자가 안전하게 이용할 수 있는 지를 의미하고 사용성능이라고 함은 이용자가 쾌적하게 이용할 수 있는지를 의미한다. 셋째로는 발주자나 관리자의 입장에서 요구되는 성능으로, 관리자의 사용성능 및 유지관리 성능을 들 수 있을 것이다. 관리자의 사용성능이란 관리자가 적절하게 운용 가능한 상태를 말하며, 유지관리 성능이란 적절한 유지관리를 확실히 수행할 수 있는 상태라 할 수 있다. 마지막으로 제3자에 해당되는 주변인에 대한 영향 정도를 들 수 있다. 여기에는 주변에 대한 영향이 최소가 되도록 억제할 수 있는 성능을 일컫는다. 예를 들면, 주변의 지하수에 대한 영향이 최소화 되어야 할 것이며, 주변지반에의 영향 및 주변 지장물에 대한 영향이 최소화 되어야 한다. 또한, 주변에 대한 진동 및 소음이 적어야 하고 주변의 대기에 대한 영향이 최소화 되어야 한다. 그리고 최근, 미적인 부분에 대한 관심이 고조됨에 따라 경관 및 미관을 크게 손상 시켜서도 안 될 것이다.

이렇게 세분화된 요구 성능을 만족시키기 위해서는 기본 요구 성능을 기초로 각 요구 성능에 대한 구체화 작업이 병행되어야 한다. Table 7은 도로터널의 요구 성능을 분류하고 구체화한 사례를 정리하였다.

5. 결 론

전술한 사례연구의 교훈에서 개별 공종별 사양 중심의 설계 및 시공법의 준용으로 ｢차량 및 사람이 고속도로 하부를 횡단할 수 있는 도로터널｣이라는 터널의 주 기능 확보는 가능하였지만 ｢내구연한의 구조적 안정 성능, 내구 성능｣등 소정의 요구 성능까지 만족되지는 않았다는 사실을 확인하였다.

특히, 본 사례연구와 같이 편토압이 작용하는 보강 성토와 유연한 구조의 프리캐스트 터널이 복합된 지반구조물의 경우에는 변형에 대한 역학적 메커니즘 규명이 어려우므로 공종별 전문 시방서에 의존한 설계 및 시공은 한계가 있다.

사양 중심의 규정 설계법은 고도 성장기와 같이 단기간에 많은 구조물의 건설이 요구되던 시기에는 일정 수준의 품질 관리를 위한 유용한 설계체계로 그 역할을 충실히 수행 하였다. 그러나 근래의 토목 구조물은 종래에 비해 보다 다양한 기능 수행을 요구 받고 있고, 구조물 축조에 있어서도 많은 사회적 제약이 따르게 되었다. 이러한 사회적 요구는 토목공학의 기술적 발전과 맞물려 토목 구조물이 복잡해지게 되고 이로 인해 획일적인 기준 적용이 어렵게 되었다.

이러한 문제를 해결하고 시대적 변화에 순응하기 위해서 성능 기반 설계의 도입은 필수적이라 할 수 있다. 최근 교통 터널 이외의 다양한 지하 공간 개발이 사회적으로 주목받고 있고 실제로 다양한 기능의 지하공간이 설계·시공 단계에 있다는 점을 감안하면 시기적으로 늦은 감도 있다. 하지만 성능 기반 설계법 도입을 위한 선결 과제도 산적해 있다.

터널의 성능 기반 설계의 주 목적은 구조적, 사회적 측면 및 환경적 측면의 견지에서 설계의 자율성을 높이기 위해서 다양한 설계법을 쉽게 도입할 수 있도록 하는 것, 초기 투자비용과 유지관리비용을 종합한 생애주기비용(LCC)가 최소가 되도록 하기 위한 것이다. 이러한 목적을 실현하기 위해서는 우수한 설계법이나 신뢰할 수 있는 설계법의 확립과 정확한 평가시스템의 구축이 필요하다. 또한 시대의 진보와 사회적 인식의 변화에 따라 터널 성능의 내용을 구체화 시키고 다양한 영향 요인을 포괄한 시스템적 평가에 의해 성능 설계의 최적해를 구해야 할 것으로 사료된다.

앞으로 관리자 및 터널 기술자가 일체가 되어 성능규정의 확립과 그에 근거한 유지관리 방법의 전개를 도모하기 위한 심도 깊은 논의가 필요할 것이다.