1.서론

터널의 지보 구조는 숏크리트, 록볼트, 강지보재 등으로 구성되는 1차 지보과 거푸집을 사용하여 시공되는 2차 콘크리트 라이닝의 복합구조이다. 구조적으로는 2개의 원통형 쉘이고, 역학적으로는 빔과 같은 거동을 하는 2중구조라고 할 수 있다.

터널에서 숏크리트는 지반과 일체화되어 거동한다. 이때 숏크리트와 지반의 부착력의 확보는 중요한 문제이다. 그러나 지반과 숏크리트의 부착에 의한 터널의 거동특성을 확인 하는 시험 방법은 확립되어 있지 않으며 아직 개념적인 취급으로 되어 있다. 고품질의 얇은 숏크리트의 유용성을 확인하기 위해서는 시험방법의 개발과 거동특성의 확립이 필요하다.

터널의 지보구조는 숏크리트와 2차 콘크리트 라이닝 사이에 방수공을 겸한 Isolation공 (2차 라이닝의 구속, 균열방지를 목적으로 한 완충재)이 시공되어, 양자간에 전단력이 전달되지 않는 이중구조 (Double Shell)가 일반적이다 (윤지선 외, 2002. a, b).

절리암반의 역학적 특성을 분석하기 위하여 국내외에서 많은 연구가 이루어져 왔다. 그 중Goodman (1968)은 실험을 통하여 증가하는 수직응력하의 절리폐합은 쌍곡선과 가까운 방식의 비선형적으로 변함을 보여주었고, 해석적인 모델을 제시하기도 하였다. Goodman 뿐 아니라 Wilson (1977), Beer (1985), Zienkiewicz (1977)등은 절리를 포함한 암반의 거동을 해석적으로 분석하였다.

본 연구에서는 지반과 숏크리트가 일체구조로 되어 전달력이 전달되는 터널의 거동특성을 실험적으로 고찰하고자 하였다. 또한 실험을 통해 터널굴착시 응력재분배 현상과 하중전이 등의 거동특성을 규명하고자 하였다.

터널 굴착시 지반과 숏크리트의 거동특성을 파악하기 위하여 모형실험기를 제작하였으며 실험 지반의 균질성을 확보하기 위해 석고로 지반을 모델링하였다. 석고로 조성된 모형지반에 아치형 숏크리트 모형의 축력과 모멘트를 측정하기 위하여 강재 라이닝을 설치하였으며 석고 모형시편에 측압을 K0=1, 2, 0.5로 변화시켜 원지반 응력상태를 재현한 후 단계굴착을 시행하여 시공단계에 따른 지반 및 숏크리트의 거동특성을 규명하였다.

2.모형시험

2.1 시험지반 특성

2.1.1 모형지반의 기본물성

모형지반 (1×1×0.05 m)의 균질성과 동일성을 확보하기 위하여 동일한 혼수율과 항온․항습의 조건에서 양생하였다. 양생일수에 따라 수분함량이 감소하며 적정 재령일수가 되어야 소정의 강도를 발현한다. 양생 중 수분함량이 일정해지는 시점을 기준으로 재령일수를 결정하였으며, 실험 결과 14일로 나타났다 (Table 1).

적정재령일수 때의 석고 지반의 기본물성은 혼수량 80%, 일축압축강도는 6.96 MPa, 수분함량은 16.47%, 단위중량은 10.0 kN/㎥, 탄성계수는 3600 MPa, 포아슨 비는 0.31이다.

2.1.2 지반과 라이닝의 전단부착강성

숏크리트 라이닝을 모델링하기 위하여 석고지반과 숏크리트 사이에 0.25 mm 두께의 응력측정용 강재 라이닝을 설치하였다.

본 연구에서 제작된 모형 지반과 응력측정용 강재 라이닝의 부착강성은 30.4 kPa로서 실험시에 충분한 전단부착강성을 가지도록 하였다. 터널굴착 후 숏크리트를 타설하는 지보 구조를 모델링 하기위하여 강재 라이닝에서 터널 내측으로 5 mm의 석고지반을 존치시켜 숏크리트 구조를 유지하였다. 5 mm 두께는 모형터널의 수평방향 내공이 0.2 m인 것을 고려하면 2차선 도로터널 규모에서는 약 0.3 m의 숏크리트 두께에 해당된다.

2.2 시험장치

2.2.1 경계조건

본 실험에서는 경계조건의 마찰을 줄이기 위해 각 면을 7개의 세그먼트로 나누고 세그먼트와 석고 사이를 롤러 조건으로 하고 롤러 세그먼트면과 석고와의 마찰을 줄이기 위해서 구리스로 피복된 셀을 사이에 삽입하였다 (Fig. 1 (a)).

2.2.2 재하장치

본 실험에 사용된 재하 장치는 1차 재하 단계에서는 294.2 kN 용량의 실린더로 하중을 재하 하고 하중의 편차를 줄이기 위해 각 세그먼트에서 동일한 하중이 가해지도록 조절한다 (Fig.  1 (b)).

하중 재하 프레임의 편심이나 휨을 막기 위하여 고정 지점에 베어링을 설치하여 하중 재하시 편심과 프레임의 휨을 방지하였다 (Fig. 1 (c)).

시험장치의 좌측과 하부는 롤러조건으로 하여 상부 및 우측에서 하중을 재하 및 조절 할 수 있도록 하였다 (Fig. 1 (d)).

2.3 시험방법

2.3.1 모형지반의 절리위치

전단시험으로부터 구리스로 도포한 모형절리의 내부마찰각은 5˚이며 수직과 경사된 절리는 터널측벽과 인접한 경우 (0D)와 터널반경만큼 이격된 거리 (0.5D)에서 시험하였다 (Fig. 2).

2.3.2 재하조건

본 연구에서는 2차선 도로터널을 기준으로 모델링하였으며 지반 응력조건은 Table 2에서와 같이 K0=1, 2, 0.5 인 경우에 대해 시험하였다.

2.3.3 실험순서

측압상태에 따른 원지반 응력을 재하한 후 Fig. 3과 같은 과정으로 단계굴착을 실시하여 주변지반의 응력분포와 강재 라이닝의 거동특성을 파악하였다. 경계선 천공 (직경 3 mm)과 확대천공 (직경 7 mm)시 드릴을 사용하여 굴착시 진동에 의한 주변지반의 교란과 계측장치에의 영향을 최소한으로 하였다. 확대천공 후에 절단용 톱날을 사용하여 상부반단면 경계선을 시점으로 아치부까지 순차적인 절단을 수행하여 굴착에 의한 응력해방을 모델링하였다. 또한 단계굴착시 응력해방에 의해 지반 경계면에서 가압한 응력이 소산되게 된다. 이렇게 응력해방으로 인하여 소산된 지반 경계면에서의 응력을 계속적으로 보정하므로서 지반 경계면에서의 원지반 응력을 유지시켜 현장상태를 보다 유사하게 모델링하였다.

초기 지반을 조성하기 위해서 상부하중과 측방하중을 서서히 가하여 측압에 따른 소정의 응력수준까지 가압해준 상태에서 다음과 같이 실험하였다.

a. 상부반단면 경계선 천공

소정의 응력상태를 유지하고 하부반단면과의 경계부 상부반단면측에 직경 3 mm로 15개의 경계선 천공을 시행한다. 경계선 천공은 확대천공과 절단시 기준면이 된다 (Fig. 3 (a)).

b. 상부반단면 아치부 천공

상부반단면 아치부에 직경 3 mm로 17개의 경계선 천공을 시행한다 (Fig. 3 (b)).

c. 상부반단면 경계선 확대천공

하부반단면과 경계부 상부반단면의 경계선 천공을 직경 7 mm로 확대천공 한다. 이것은 경계선 천공을 기준으로 절단이 용이하도록 하기 위하여 시행되었다 (Fig. 3 (c)).

d. 상부반단면 아치부 확대천공

상부반단면 아치부 천공을 직경 7 mm로 확대천공한다 (Fig. 3 (d)).

e. 상부반단면 경계선 절단

톱날을 사용하여 확대천공된 지점을 연결하여 절단한다. 지반단면이나 라이닝에 부착되어 있는 strain gauge에 영향을 미치지 않도록 절단시킨다 (Fig. 3 (e)).

f. 30분 안정화

상부반단면의 경계선에 이어서 아치부를 절단하게 되면 굴착이 완료되는데 이때부터 30분 동안 지반의 안정화 시간을 갖는다 (Fig. 3 (f)).

g. 하부반단면 천공

하부반단면에 직경 3 mm로 19개의 경계선 천공을 시행한다 (Fig. 3 (g)).

h. 하부반단면 확대천공

하부반단면 직경 3 mm를 19개의 경계선 천공을 시행한다 (Fig. 3 (h)).

i. 하부반단면 경계선 절단

톱날을 사용하여 확대천공된 지점을 연결하여 절단한다 (Fig. 3 (i)).

j. 60분 안정화 (Fig. 3 (j))

안정화 시간의 산정은 터널 주변지반의 변형이 95 %이상 수렴되는 시점을 계속적인 계측으로 측정하여 산정된 시간이다.

a에서 j까지 각 단계별로 석고지반과 강재라이닝에 설치한 strain gauge의 값을 읽어서 굴착 단계별 변화량을 확인하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 터널굴착에 따른 지반거동

3.1.1 이격거리 0D 절리각도 90도의 지반응력

Fig. 4는 절리각도 90°이격거리 0D의 주절리를 모델링하여 실험한 지반응력 결과 그래프이다. 90°의 절리가 터널의 측부에 접해 있을 경우 측압에 따른 터널 주변지반의 거동 특성이 초기지반응력을 기준으로 응력의 2차 재분배가 일어났다. 그래프에서 터널 라이닝 형상을 기준으로 내측 (-)으로 나타난 그래프는 지반의 압축변형을 나타내며 외측 (+)으로 나타난 그래프는 인장변형을 나타낸다.

측압계수 =1 인 경우 터널을 굴착함에 따라 터널주

변에서 접선방향응력으로 압축력이 발생하나 하부반단면을 최종 굴착하였을 때 절리면이 존재하는 좌측 및 바닥에서 인장력이 발생하였다. 상부반단면을 굴착하였을 때 상부에서 법선방향으로 인장력이 발생하고, 절리면 방향의 좌측에서는 압축력이 발생하였다. 이후 하부반단면을 굴착하면 좌측에서는 인장, 그 이외의 지점에서는

압축력이 발생하였다. 측압계수 =2로 증가하면

= 1의 경우에 비하여 인장 및 압축력의 크기가 증가하는 것을 볼 수 있다. 특히 절리면이 존재하는 좌측에서 인장력이 16.37 kPa로 나타나 지반이 터널 내측으로 변형이 발생하고, 천단에서 접선방향으로 압축력이 발생하는 것으로 보아 천단부에 응력이 집중됨을 알 수 있다. 측압계수가 0.5 인 경우에는 천단, 바닥 및 좌측에서는 내공으로 변위가 발생함에 따라 법선방향으로 인장응력이 작용한 것으로 보인다.

측압계수가 1이상인 경우 하부반단면 굴착으로 인하여 바닥에서 법선방향으로 압축응력이 발행하고 측압계수가 0.5 인 경우에는 인장응력이 발행하였다. 터널 천단에서는 법선방향으로 측압계수가 1보다 작을 때는 인장력이 1보다 클 때는 압축력이 작용하였다. 접선방향으로는 측압계수가 클수록 큰 압축력을 받는 것으로 나타났다.

3.1.2 이격거리 0.5D 절리각도 90도의 지반응력

Fig. 5는 절리각도 90°, 터널과 절리의 이격거리를 0.5D로 모델링하여 터널주변 지반응력을 측정한 결과이다. 절리가 터널에 접해 있을 때의 지반응력 상태보다 상대적으로 터널굴착에 의한 응력의 발생크기는 작게 나타난다. 수직 절리가 0.5D 이격되어 최대 인장응력의 발생위치가 좌측에서 좌측 어깨쪽으로 이동하였다. 측압계수가 2인 경우에는 절리가 인접해 있는 경우와 같이 터널 천단부와 우측천단부에서 접선방향으로 큰 압축응력이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉 터널 굴착시 터널 주변에 수직절리가 존재하는 경우 천단부와 절리가 지나가는 반대쪽의 어깨부에 압축응력이 집중된다.

측압계수가 0.5 인 경우 절리면과 터널의 이격거리가 0D일 때 좌측에서 인장력이 발생한 것과 달리 압축력이 작용하는 것을 볼 수 있다.

3.1.3 이격거리 0D 절리각도 45도의 지반응력

Fig. 6은 절리각도를 45°로 하고 절리와 터널간의 이격거리가 0D 인 경우에 대한 지반응력의  실험결과이다. 절리각도 90°의 경우와 같이 절리면과 접한 지점 즉, 좌측 어깨에서 인장력이 발생하였다. 그 이외의 지점에서는 대체로 접선방향으로 압축응력이 작용하는 것으로 나타났다.

절리면에 접하는 지점에서 접선방향응력 및 법선방향응력이 모두 인장력이 작용하였다. 또한 절리 반대편 어깨부에서는 법선방향으로 인장응력이 나타나면서 터널의 좌바닥은 압축, 우어깨는 인장이 나타나 좌어깨에 있는 절리의 영향을 받은 것으로 나타났다.

3.1.4 이격거리 0.5D 절리각도 45도의 지반응력

Fig. 7은 절리각도가 45°이며 절리와 터널과의 이격거리가 0.5D 인 경우를 모델링하여 실험한 결과이다.

터널에 절리가 접해있는 경우보다 그 크기는 작게 나타났으며, 터널과의 이격거리가 0D 인 경우 좌어깨부에서 접선방향으로 인장력을 크게 받은 것에 비해 0.5D 이격되어 있는 경우는 압축력을 주로 받는 것으로 나타났다. 천단 및 좌어깨부에서 법선방향으로 인장력이 작용하였다.

바닥에서는 측압계수의 크기에 상관없이 접선방향 및 법선방향에서 모두 인장력이 작용하였다. 좌측에서는 측압계수가 클수록 접선방향으로 압축력이 크게 나타났다.

3.2 시공단계별 지반응력

3.2.1 수직절리에서의 시공단계별 지반응력

Fig. 8은 90°의 수직절리가 터널에 접해있을 경우 굴착시공단계에 따른 지반응력을 측압계수 2일 때 측정한 결과이다.

접선방향으로는 절리와 접하는 좌측지반에서는 터널의 굴착에 따라 인장력이 발생하고 굴착단계에 따라 꾸준히 인장력이 증가하였다. 또한 우측, 우측바닥, 바닥부에서 최종 하부반단면 굴착시 인장력이 발생하였고, 터널상부지반인 좌측어깨, 천단, 우측어깨부에서는 압축력이 작용하였다.

터널의 법선방향으로 작용하는 터널주변지반의 응력은 접선방향과 같이 굴착에 따라 일정한 모습을 보이지 않았다. 우측부의 경우 상부반단면 굴착시에는 압축, 최종 하부반단면 굴착시에

는 인장력이 발생하였고, 반대로 바닥부에서는 상부반단면 굴착시 인장, 하부반단면 굴착시 합축력이 발생하였다. 최종 하부반단면 굴착에 따라 천단 및 좌측어깨, 우측바닥에서는 압축력이, 우측어깨부에서는 인장력이 발생하였다.

3.2.2 경사절리에서의 시공단계별 지반응력

Fig. 9는 45°절리가 터널에 접해있을 경우 굴착시공단계에 따른 지반응력을 측정한 결과이다. 절리의 영향으로 좌측어깨부는 접선방향으로 인장응력이 발생하였으며 법선방향으로는 우측어깨부, 좌측어깨부, 바닥부와 천단부에서 인장응력이 나타났다. 법선 방향의 응력은 하부반단면 천공 이후에 터널 주변의 거동 특성은 지반과 라이닝이 일체화로 거동을 한다.

3.3 터널굴착에 따른 라이닝 거동

3.3.1 90도 절리가 0D 이격된 경우

Fig. 10은 90°절리가 0D 떨어져 있는 지반에 대한 실험 결과이다. 측압이 K0=1 인 경우, 지반과 라이닝의 거동특성을 나타낸 그래프이다. 절리가 터널의 측벽에 수직으로 존재할 경우 지반과 라이닝의 상호거동을 잘 나타내고 있다.

측벽부 수직 절리의 영향을 가장 많이 받는 부분은 절리면 반대쪽 우어깨부에서 접선방향의 응력이 압축을 받으며 라이닝의 축력이 증대 되었고 (-)모멘트가 크게 발생되었다. 최대축력과 최대 모멘트가 절리면쪽의 측벽부에서 발생되었다. K0=2 인 경우, 절리의 위치는 같지만 측방하중이 우세한 경우에 뚜렷한 차이를 나타낸다. 등방압 상태일때 보다 천단부에서 접선방향으로 압축응력이 발생하였으며 라이닝에 (-)모멘트가 발생하였다. 최대 축력은 절리측에서 발생하였으며 천단부와 우어깨부에서는 (-)모멘트가 우측부에서는 (+)모멘트가 발생하였다.

측방하중이 우세할 경우 라이닝의 전반적인 구간에서 축력이 증대 되었으며 천단부와 우어깨부는 내공쪽으로 변형이 진행되고 절리면쪽 측부에서는 절리면 쪽으로 변형이 진행되었다.

K0=0.5 인 경우, 상하방향 하중이 우세할 경우에 뚜렷한 차이가 보여진다. 지반의 경우 측벽부에서 접선방향으로 압축이, 천단부에서 법선방향으로 압축이 발생되었다. 절리면 쪽에서 최대 축력이 발생하였으며 천단부에서 최대 휨 응력이 발생하였다. 바닥부에서는 접선방향으로 인장응력이 나타나는 것을 알 수 있다. 측부에 접해있는 수직절리의 경우 절리면 측에서는 라이닝의 축력이 증대되고 천단부와 우측어깨부에서는 측압에 따른 라이닝의 모멘트 변화가 심하게 나타났다.

3.3.2 90도 절리가 0.5D 이격된 경우

Fig. 11은 90°절리가 0.5D 떨어져 있는 경우이다. K0=1 인 경우, 절리가 터널에 접해있는 경우보다 굴착에 의한 2차 응력이 작게 발생됐다. 좌측어깨부에서 접선방향과 법선방향 모두 인장응력이 발생되었고 라이닝과 부착에 의한 상호 거동을 하면서 라이닝에 인장력이 발생한다.

K0=2 인 경우, 접선 방향의 응력은 천단부와 우측어깨부에서 압축력이 작용하였으며 좌측부에서는 인장력이 발생하였다. 이러한 지반의 거동에 라이닝은 지반이 압축이 일어난 천단부와 우측어깨부에서는 축력이 증대 되었고 인장응력이 발생된 좌측 절리면 측에서는 축력이 거의 발생되지 않았다.

K0=0.5 인 경우, 절리가 존재하지 않는 지반에서 발생되는 지반의 응력이 절리의 영향으로 15° 가량 회전되어 나타나는 것을 볼 수 있다.

이러한 지반의 거동은 라이닝에 직접적인 작용을 하여 라이닝의 천단부와 좌측어깨부에서 축력이 증가하지 않는다.

3.3.3 45도 절리가 0D 이격된 경우

Fig. 12는 45°절리가 0D 떨어져 있는 경우이다. K0=1 인 경우, 절리면에 접해있는 좌측부와 좌측어깨부의 라이닝에 큰 축력이 작용하며 좌측어깨부와 천단에 (-)모멘트가 발생하며 터널 라이닝의 좌상부가 내공쪽으로 밀려 들어오는 형상이 모멘트도에서 나타난다. 실험결과 좌측부에서 최대 축력이 발생하고, 좌측 어깨부에서 최대 모멘트가 발생하였다.

K0=2로서 측방하중이 우세한 경우, 터널의 안정성에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

라이닝의 거동은 K0=1 일때와 유사하지만 그 크기는 2배～3배의 크기로 훨씬 크게 나타났다. 터널의 좌측 어깨부에서 최대 축력과 최대 모멘트가 발생하였다.

K0=0.5 인 경우, 좌측 어깨부 라이닝에 (+)모멘트가 발생하여 터널의 거동형상이 절리면 쪽으로 변형된다. 우상향과 좌하부에서 굴착 초기에는 인장응력이 발생하고 경계선 절단후 압축응력으로 전환되었다. 라이닝 주변지반이 접선방향으로 압축을 받는 상태이므로 터널 라이닝에 전반적으로 축력이 작용한다. 

3.3.4 45도 절리가 0.5D 이격된 경우

Fig. 13은 45°절리가 0.5D 떨어져 있는 경우이다. K0=1 인 경우, 응력해방에 의한 주변지반의 2차응력이 절리가 터널에 접해있는 경우 보다  작게 나타났으며 라이닝에 걸리는 모멘트 또한 크게 감소되었다. 터널 주변지반이 법선방향으로 전체적으로 압축되므로 라이닝에도 압축력이 작용하였으며 좌측부에서 최대 축력이 나타났다. 라이닝의 모멘트도에 의하면 0.5D 이격되어있는 절리로 인하여 터널이 절리면 방향쪽으로 거동한다.

K0=2 인 경우, 측방하중의 영향과 절리의 영향으로 터널 주변지반이 좌측부와 좌측상부에 압축응력이 발생되고 이로 인해 라이닝 또한 압축거동을 보여주었다. 좌측벽부에서 최대 축력이 발생하고 측벽부에서 (-)모멘트가 발생하며 좌측어깨부에서 (+)모멘트가 발생하였다.

K0=0.5 인 경우, 터널 주변지반의 접선방향의 압축응력이 발생하였으며 이로 인한 라이닝의 축력이 증대되었으며 그 크기는 45°절리 실험 중 가장 작은 값을 나타냈다. 단계굴착이 진행되면서 좌측 바닥부에서 압축응력이 가장 크게 발생하고 터널 천단부와 바닥부의 법선방향의 응력은 인장에서 압축으로 전환되었다. 굴착에 의한 2차 응력의 영향으로 터널의 좌측 어깨부에서 최대 축력과 최대 모멘트가 발생하였다.

4.결론

터널주변에 절리가 존재하는 경우에는 절리의 위치와 각도, 이격거리의 특성에 의해 터널거동이 지배된다.

 - 터널 주변에 수직 절리가 있는 경우

터널의 좌측에 수직절리가 존재하는 경우 지반의 응력은 절리의 영향을 받게 된다. 수직절 리가 터널에 접하여 있는 경우에는 접촉지점 (좌측)에서 접선 및 법선방향으로 인장력이 작용하였으나, 절리가 터널좌측에서 0.5D 이격되었을 때 인장력이 발생하는 위치가 좌측어깨부로 이동하였다. 측압계수가 1이상인 경우 하부반단면 굴착으로 인하여 바닥에서 법선방향으로 압축응력이 발행하고 측압계수가 0.5 인 경우에는 인장응력이 발행하였다.

- 터널 주변에 경사절리가 있는 경우

절리면과 접한 좌측어깨부에서 접선방향 및 법선방향에서 인장응력이 발생하였다. 절리면과 터널이 0.5D 이격되어 있는 경우에는 절리면과 접한 경우 좌측 어깨부에서 발생한 인장응력에 비하여 작은 값의 인장응력 값을 보였으며 특히 측압계수가 2인 경우에는 압축응력이 발생하였다.