1. 서론
2. 기존 설계사례 검토
3. 대상조건 및 3차원 유한요소해석
3.1 대상조건
3.2 3차원 유한요소해석
3.3 시공과정의 모델링
4. 해석결과 및 분석
4.1 링컷공법
4.2 중벽분할공법
4.3 RC 및 CD 굴착공법 비교
5. 결론
5.1 RC 공법
5.2 CD 공법
5.3 RC 및 CD 공법 비교
1. 서론
터널 공법 선정은 일반적으로 시공의 안전성, 경제성 등을 종합적으로 평가하여 이루어진다. 국내 터널시공에 있어 가장 많이 적용되고 있는 터널 공법으로는 NATM 공법으로, 현재 도심지의 지하철 터널을 비롯한 지하공간의 개발은 대부분이 NATM 방식에 의해 시공되고 있다. 이러한 NATM 공법은 원지반 자체의 지지력을 기반으로 하며 지보재를 이용하여 지반을 안정시킨 후 터널굴착을 수행하는 굴착방식으로, 지반에 따라 굴착공법 변경이 용이하며 파쇄대 및 지반 변화 적응성이 우수하다. 또한 국내 시공사례가 많이 확보되어 있고 NATM 공법 시공에 대한 숙련된 국내 기술진을 다수 보유하고 있으며 계측결과 분석 후 이에 대한 신속대응이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
NATM 공법에 적용되는 굴착 방법으로 전단면 굴착 및 상ㆍ하반단면 굴착(Bench Cut), 중벽분할(Center Diaphram, CD), 링컷(Ring Cut, RC) 공법 등이 있다. 일반적으로 설계자는 지반조건에 따른 시공사례를 분석하여 굴착공법을 결정하며, 선정된 굴착공법을 대표단면에 적용하여 수치해석을 활용한 터널안정성 평가를 수행한다. 일반적으로 설계시 지반조건에 따른 시공사례를 분석하여 굴착공법을 결정하며, 지반이 취약할수록 전단면 굴착공법 보다 단면 분할, 굴진장 등을 세부적으로 고려하는 중벽분할 및 링컷공법과 같은 방법을 적용한다. 그러나 현 국내 터널 설계에 있어 관통지층이 암반등급 Ⅳ이상일 경우 중벽분할 및 링컷공법을 적용하는 것이 보편화되어 있지만, 공법적용이 현장조건에 따라 체계화 되어있지 않고 대부분 시공성의 편리함으로 인해 중벽분할보다 링컷공법을 더 많이 적용하고 있다. 특히 최근에 들어 터널이 대형·대단면화 되는 추세이며 이로 인해 굴착공법에 따라 터널의 거동이 많은 영향을 받게 되므로 굴착공법에 대한 종합적인 이해 및 관련 연구의 필요성이 높아가고 있다.
이와 관련하여 Karakus and Fowell (2003)이 유한요소해석을 이용하여 터널 굴진 방법이 지표침하에 미치는 영향을 고찰하였으며, Farias 등(2004)이 3차원 수치해석을 통해 NATM 터널에서 터널굴착시 변위 제어에 관련된 연구를 수행한 바 있다. 또한, Galli 등(2004)는 터널굴착시 발생하는 변위 특성에 관한 3차원 해석을 수행한 바 있다. 최근에 들어 Karakus and Fowell (2006)는 2D 및 3D 유한요소해석을 이용하여 연약지반에서의 지표침하거동에 관한 연구를 수행하고 침하에 영향을 미치는 인자에 대한 분석을 수행하였다. 이러한 연구들은 주어진 굴착공법에 있어서 굴착순서나 굴진방법에 따른 터널 거동에 주안점을 두었으나 다양한 굴착공법에 대해 터널 거동에 미치는 영향에 대한 연구는 매우 미흡한 실정이다.
이러한 맥락에서 본 논문에서는 비교적 대단면 형태의 일반터널을 기준으로 비교적 동일한 시공조건에 적용되고 있는 중벽분할 굴착공법과 링컷공법을 비교하여 각 굴착공법에 따른 터널거동 메카니즘 연구를 수행하였다. 이를 위해 터널 단면 및 지반조건을 동일하게 하여 3차원 유한요소해석을 수행하였으며, 굴착공법에 따른 막장 안정 및 천단변위, 지표침하 등의 변위거동 특성과 숏크리트 라이닝 응력에 대해 분석하였다. 이러한 연구를 통해 중벽분할과 링컷공법의 전반적인 거동을 비교·분석하였다.
2. 기존 설계사례 검토
해석을 수행하기에 앞서 해석을 위한 대상 조건 선정을 위해 서울지하철의 기존 설계사례를 조사하였다. 표 1과 표 2에서는 서울 지하철 시공사례 분석 결과를 제시하고 있는데 현 국내 터널 설계에 있어 관통지층이 암반등급 Ⅳ이상일 경우 CD 굴착 및 RC 굴착공법을 적용하는 것이 보편화되어 있다. 그러나 공법적용이 현장조건에 따라 체계화되어 있지 않으며, 대부분 시공성으로 인해 CD 공법보다 RC 공법을 더 많이 적용하고 있는 것으로 조사되었다.
표 1과 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 풍화암 또는 토사층에 터널이 관통 될 때 RC 공법 혹은 CD 공법이 적용되며 이때 1회 굴진장은 최소 0.6m에서 최대 1.5m까지 적용되고 있으며, 숏크리트 및 록볼트와 같은 지보재는 비교적 동일하게 적용되는 것으로 조사되었다.
3. 대상조건 및 3차원 유한요소해석
3.1 대상조건
본 연구에서 적용한 터널 현장은 상부에 충적층이 깊게 분포하고 터널이 풍화토를 통과하는 것으로 계획되어 있어 막장부 지반이 매우 불량한 현장이다. 그림 1은 대상현장의 종단면도를 보여주고 있는데 터널 1구간에서 RC 공법이 채택되었다. RC 공법 적용구간의 연장은 약 55m이며, 직경(D)은 11.7m이고 굴착단면적은 100m2, 편평율(H/B)은 0.76인 것으로 조사되었다.
위와 같은 시공조건을 대상으로 동일 지보패턴을 갖되 굴착공법만 RC 공법과 CD 공법으로 변화시키며 해석을 수행하고 그 결과를 검토하였다. 한편, 각 굴착공법에 대해 굴진장 및 토피고 등 영향인자를 변화시키며 해석을 수행하여 이에 따른 경향을 검토하였다.
표 3에서는 대상현장의 지보패턴을 보이고 있으며, 그림 2는 굴착공법에 따른 단면과 굴착면에 대한 기호를 나타내고 있다. 또한, 표 4는 연구에 적용한 지반물성을 보이고 있는데 당초 설계 시 적용된 물성치를 사용하였다.
표 4. 적용현장 암반등급별 지반 물성치 | ||||||
Class |
단위중량 | c (kPa) 점착력 |
내부마찰각 | E (MPa) 지반변형계수 |
포아송비 | 비 고 |
Ⅰ | 26 | 600 | 38 | 12,000 | 0.22 | 경암 |
Ⅱ | 25 | 450 | 35 | 7,500 | 0.25 | 보통암 |
Ⅲ | 23 | 250 | 33 | 2,500 | 0.27 | 연암 |
Ⅳ | 21 | 30 | 33 | 150 | 0.30 | 풍화암 |
Ⅴ | 18 | - | 33 | 17 | 0.35 | 충적층 |
Ⅵ | 18 | - | 30 | 13 | 0.35 | 매립층 |
(kN/m3)
(deg)
3.2 3차원 유한요소해석
본 연구의 주안점은 굴착공법에 따른 터널의 변위거동 분석에 두었으며 따라서 3차원 해석모델을 채택하였다. 해석에서는 범용 프로그램인 ABAQUS 6.4 (ABAQUS Users Manual 2005)를 사용하였는데 ABAQUS는 토목 및 기계 등 다양한 분야에 적용되는 프로그램으로서 특히 지반공학분야에서 다양한 흙의 구성모델을 제공하고 소성거동 모사에 대한 매우 효율적인 알고리즘이 보유하는 것으로 알려져 있다.
그림 3은 해석모델링에 대한 전반적인 내용을 보여주고 있는데 해석영역은 터널중심으로부터 폭 3D(D=터널직경)이상 포함시켰으며 터널하부 1D 이상으로 설정하였으며 측면경계는 경계면의 연직방향의 변위를, 그리고 연암층에 위치하는 바닥경계는 모든 방향으로의 자유도를 구속하였다. 모델의 이산화에 있어 지반과 숏크리트는 8절점 가감적분 고체요소(C3D8R)을 적용하였으며, 재료모델링에 있어 지반은 비관련 흐름규칙(non- associated flow rule)을 따르는 Mohr-Coulomb Hardening 모델을 적용하였고, 숏크리트는 탄성거동을 하는 것으로 가정하였다. 록볼트는 해석의 편의상 삭제하였다.
3.3 시공과정의 모델링
본 연구에서는 각 굴착공법의 현장 시공과정을 상세히 모델링하였으며 종방향으로 40m를 굴진하도록 하였으며 기본조건으로는 토피고 1.5D, 1회 굴진장을 1m로 하였다. 다음 그림 4와 5, 표 5와 6은 굴착공법별 시공과정 모델링을 보여주고 있다.
(a) UU굴착 | ⇒ |
(b) LU굴착/UU숏크리트 | ⇒ |
(c) RU굴착/LU숏크리트 |
(d) CORE굴착/RU숏크리트 | ⇒ |
(e) LOWER굴착/CORE숏크리트 | ⇒ |
(f) LOWER숏크리트 |
그림 4. 링컷(RC) 공법 시공과정 모델링 | ||||
4. 해석결과 및 분석
4.1 링컷공법
4.1.1 터널 및 지표침하 특성
그림 6은 RC 공법이 적용된 터널의 굴진에 따른 천단침하 및 지표침하 이력곡선을 보여주고 있다. 먼저 천단침하 이력곡선을 관찰하면 해당 단면에서의 변위는 UU 굴착이 시작되기 이전에 총변위의 20%가 발생하고 나머지 50%가 UU, LU, RU, CORE, LOWER 굴착으로 발생하는 것으로 나타났다. 한편, UU 굴착 완료시 총변위 40%에 해당하는 변위가 발생하는 것으로 나타나 UU 굴착 직후 즉시 변위 타켓을 설치하더라도 60%정도의 변위만 측정할 수 있음을 나타내는 것으로서 계측결과를 이용하여 터널 안정성 평가를 수행할 경우 측정된 천단변위의 두 배 정도를 실제 발생한 변위로 간주하여야 함을 나타낸다고 할 수 있다. 한편, LOWER 굴착완료 후에도 해당단면에서 25%정도의 추가 변위가 발생하는 것으로 나타났는데 이는 UU막장 진행의 영향으로서 UU막장이 약 2.5D 굴진하면 변위는 수렴되는 것으로 나타났다. 그림 6(b), (d)에서 관찰된 지표침하 이력곡선의 경우 해당 단면에서의 변위는 UU굴착이 시작되기 이전에 총변위의 약 33%가 발생하고 나머지 약 27%가 UU, LU, RU, CORE, LOWER 굴착으로 발생하는 것으로 나타났다.
(a) 천단변위 이력
곡선( |
(b) 지표침하 이력
곡선( |
(c) 천단변위 이력곡선( |
(d) 지표침하 이력곡선( |
그림 6. 갱구부 10m지점의 굴진과정에 따른 천단 및 지표침하 이력곡선 경시 변화 | |
)
)
한편, UU굴착 완료시 천단과 동일하게 총변위 40%에 해당하는 변위가 발생하는 것으로 나타나 UU 굴착 직후 즉시 변위 타켓을 설치하더라도 60%정도의 변위만 측정할 수 있음을 나타내는 것으로서 계측결과를 이용하여 터널 안정성 평가를 수행할 경우 측정된 지표침하 변위의 두 배정도를 실제 발생한 변위로 간주하여야 함을 나타낸다고 할 수 있다. 한편, LOWER 굴착완료 후에도 해당단면에서 40%정도의 추가 변위가 발생하는 것으로 나타났는데, 이는 임의 점에서의 지표침하는 UU막장 후방 3D정도에서 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 위와 같은 결과를 바탕으로 상ㆍ하반 벤치길이가 1m인 RC공법에서 UU막장 진전의 영향이 계속 미치기 때문에 RC공법이 적용된 경우 지표침하 억제를 위해서는 막장통과 후 침하발생을 억제하는데 주안점을 두어야 한다.
그림 7은 굴진과정에 따른 굴진방향과 직각인 횡방향 지표 침하곡선을 보여주고 있다. 이 그림에서는 지표침하 이력곡선에서 관찰되었던 경향이 잘 반영되어 있는데 보이는 바와 같이 임의 단면에서의 전체 침하량 중 70%가 UU 막장 도달 이전에 발생하고 UU, LU, RU, LOWER 굴착으로 95%가 추가로 발생한 후 나머지 5%는 굴착완료 후 막장이 진전되면서 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 앞서 언급한 바와 같이 RC 공법의 경우 막장 통과후에 총 침하량의 40%정도가 발생하므로 침하제어를 위해서는 막장 통과 후의 시공관리가 매우 중요함을 나타내고 있다고 하겠다. 한편, 상반 굴착시 CORE를 제외한 UU, LU, RU 굴착 과정에 있어 LU 굴착시에는 별다른 침하 증가를 보이지 않으나 RU 굴착시 총 침하량의 10%정도의 침하가 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 경향으로부터 RC 굴착 공법의 주된 지표침하 발생 근원(source)는 UU, RU, LOWER 굴착인 것으로 나타났다.
4.1.2 굴진장의 영향
막장부 지반이 불량한 지반에 주로 적용되는 RC 공법에 있어서 1회 굴진장이 미치는 영향을 검토하기 위해 토피고 3.0D인 조건에 대해 1회 굴진장을 1m와 2m로 달리하여 해석을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 그림 8은 굴착단계별 종방향 천단침하 곡선과 천단 직상부 지표참하 곡선을 보여주고 있으며 그림 9는 천단침하 및 지표침하 이력곡선을 보여주고 있다. 이 그림에서 관찰할 수 있는 특이할 만한 사항은 굴진장이 1m에서 2m로 늘어남에 따라 천단 및 지표침하 모두 증가하나 지표침하 증가율은 33%정도인 반면 천단침하는 약 11%정도 인 것으로 나타나 굴진장을 크게 할 경우 천단침하 보다는 지표침하에 미치는 영향이 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 이러한 경향은 굴진장을 크게 함에 따라 굴착으로 인해 발생하는 불평형력(unbalanced force)이 터널 전방으로 전이(transfer)량이 커짐에 따라 막장부에서 터널 내부로의 변위가 크게 증가하여 막장전방에서의 지표침하가 증가함에 따른 것으로 판단되며 이는 막장수평변위를 보여주는 그림 10에서 잘 관찰 할 수 있다.
)
)
)
)
)_정규화
)_정규화
한편, 각 침하항목의 최대값으로 정규화된 천단 및 지표침하 곡선을 살펴보면[그림 9(c), (d)] 굴진장에 관계없이 정규화된 곡선이 거의 일치하는 것으로 나타나고 있어 RC 공법이 적용되는 대단면 터널의 거동을 예측하는 수단으로서 정규화 곡선을 활용할 수 있는 것으로 나타났다.
한편 그림 11은 굴진과정에 따른 횡방향 지표 침하곡선을 비교하고 있는데 보이는 바와 같이 총침하량에 대비해서 UU~LOWER 굴착과정에서 발생하는 지표침하 발생비가 굴진장 1m의 경우 33%, 2m의 경우 55%로서 굴착으로 발생하는 지표침하량이 상대적으로 크게 발생하는 경향을 보이고 있으며 이는 앞서 언급한 바와 같이 막장에서의 응력해방으로 인한 사전 침하가 크게 발생함에 따른 것으로 발생한다.
4.1.3 토피고의 영향
토피고에 따른 천단 및 지표침하 특성 검토를 위해 토피고가 1.5D, 3.0D, 5.0D의 경우에 대한 결과를 분석하였으며 그 결과를 정리하고 있는 그림 12를 분석한 결과는 다음과 같다. 먼저 천단침하의 경우 토피고가 증가할 수록 천단침하량은 절대적으로 증가하나 최대값으로 정규화할 경우 거의 하나의 곡선으로 표현될 수 있는 것으로 나타났으며 이러한 경향은 본 연구에서 고려한 1.5～5.0D 정도의 토피고 범위에서 천단침하곡선 예측시 토피고는 배제할 수 있음을 의미한다고 하겠다. 한편, 주목할 만한 경향은 토피고 3.0D와 5.0D의 경우 정규화 곡선이 거의 일치하는 것으로 나타났으나 1.5D의 경우 굴착시 발생하는 침하비가 토피고가 큰 경우에 비해 크게 발생하여 정규화 곡선에서 차이가 발생한다는 경향이라고 할 수 있다. 이는 굴착시 터널 주변 아칭 현상의 발현여부에 따라 침하특성이 차이가 날 수 있음을 보여주고 있다.
(a) 갱구부 10m 천단변위 이력곡선( |
(b) 갱구부 10m 지표침하 이력곡선( | |
(c) 갱구부 10m 천단변위 이력곡선( |
(d) 갱구부 10m 지표침하 이력곡선( | |
그림 12. 토피고 변화에 따른 변위양상 | ||
)
)
) _정규화
)_정규화
4.2 중벽분할공법
4.2.1 변위거동 특성
그림 13은 기본조건에 대해 굴진과정에 따른 종방향 천단침하와 천단직상부 지표침하 곡선을 보여 주고 있으며, 그림 14는 이력곡선을 나타내고 있다. 이 그림들을 종합적으로 분석하면 천단침하의 경우 우측막장 도달 이전에 약 27%의 선행변위가 발생하고 RU, LU, LOWER 굴착으로 약 60%가, 그리고 LOWER 굴착 완료후 나머지 13% 발생하는 경향을 나타내고 있어 굴착과정에서 대부분의 변위가 발생하는 것으로 나타났다. 한편, 지표침하의 경우 RU 막장 도달 이전에 약 23% 발생한 후 나머지 55%가 굴착으로, 그리고 LOWER 굴착 이후 나머지 22% 발생하는 경향을 보이고 있어 총 지표침하량의 약 22%가 전단면 막장 통과후 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 횡단면 지표침하 곡선을 보여주고 있는 그림 15에서도 잘 관찰할 수 있으며 CD 굴착공법을 적용할 경우 대부분의 변위가 굴착과정에서 발생하므로 변위 제어를 위해서는 굴착으로 발생하는 불평형력이 지반과 지보재, 그리고 다른 보조공법으로 지지가 될 수 있도록 하여야 함을 나타낸다고 하겠다.
)
)
)
)
)_정규화
)_정규화
4.2.2 좌우측 막장 거리의 영향
CD 굴착공법을 적용하는데 있어 좌·우측 막장 거리는 시공 사이클과 터널의 거동에 미치는 영향을 종합적으로 고려하여 결정하여야 한다. 본 연구에서는 좌우측 막장거리가 터널의 거동에 미치는 영향을 고려하기 위해 토피고 3.0D를 기본조건으로 하여 좌우측 막장 거리 0.5D와 1.0D에 대한 해석 결과를 분석하였다.
그림 16은 굴진과정에 따른 터널 천단 및 천단 직상부 지표침하 곡선을 비교 하고 있으며 그림 17은 이력곡선을 비교하고 있다. 여기서 관찰할 수 있는 경향은 먼저 천단 및 지표침하 모두 막장거리가 감소할수록 증가하는 것으로 나타났으며 그 정도는 천단침하에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 따라서 지반이 불량하여 CD 공법이 적용된 터널의 경우 시공 사이클에 지장을 주지 않는 한 좌우측 막장 거리는 최대한 늘이는 것이 터널의 안정성 확보 및 지표침하 억제 측면에서 유리할 것으로 판단된다. 천단 및 지표침하 이력 곡선을 비교하고 있는 그림 17을 관찰하면 먼저 정량적으로 살펴볼 때 막장거리가 1.0D에서 0.5D 감소함에 따라 천단침하 및 지표침하가 1.5배에서 2.0배까지 증가하는 것으로 나타나는 것을 확인할 수 있다.
(a) 종방향 천단변위곡선( |
(b) 종방향 지표침하곡선( | |
그림 16. 굴착단계별 변위곡선 경시 변화 | ||
(a) 갱구부 10m 천단변위 이력곡선( |
(b) 갱구부 10m 지표침하 이력곡선( | |
(c) 갱구부 10m 천단변위 이력곡선( |
(d) 갱구부 10m 지표침하 이력곡선( | |
그림 17. 임의지점의 굴진과정에 따른 변위곡선 경시 변화 | ||
)
)
)
)
)_정규화
)_정규화
그림 18은 굴진과정에 따른 횡단면 지표침하 곡선을 비교하고 있다. 여기에서도 앞서 기술한 경향을 잘 보여주고 있는데 추가적인 흥미로운 경향은 막장거리가 작은 경우 LOWER 굴착으로 인한 침하량 증가 비율이 커지는 것으로 나타나는 경향이라고 할 수 있다. 이는 막장거리가 짧아질수록 결국 중벽 제거시기가 앞당겨져서 중벽이 굴착으로 인한 불평형력을 지지하는 역할이 미흡하기 때문으로 판단되며 따라서 CD 굴착공법의 경우 좌우측 터널의 막장거리를 1.0D 이상으로 유지하여 응력의 재분배가 원활이 이루어질 수 있게 하여야 할 것으로 판단된다.
4.2.3 토피고의 영향
토피고가 CD 공법이 적용되는 터널의 거동에 미치는 영향을 고찰하기 위해 토피고를 1.5D, 3.0D, 5.0D로 변화시키며 해석을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 그림 19는 천단 및 지표침하 이력곡선을 비교하고 있는데 보이는 바와 같이 토피고가 증가할수록 침하량 자체는 증가하나 최대값으로 정규화된 곡선에서는 1.5D를 제외하고는 토피고가 정규화된 이력곡선에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 RC 공법에서 관찰된 내용으로서 천단 및 지표침하량 예측을 위한 이력곡선은 구축시 토피고가 3.0D이상일 경우에는 토피고에 무관하게 하나의 정규화 곡선으로 표현할 수 있음을 나타낸다고 하겠다. 한편, 전체적으로 토피고에 관계없이 천단침하의 경우 LOWER 굴착 후 막장이 약 1.5D 정도 진전하면 천단침하는 수렴하는 것으로 나타났으며 지표침하는 약 2.0D 정도 진전 후 수렴하는 것으로 나타났다.
(a) 갱구부 10m 천단변위 이력곡선( |
(b) 갱구부 10m 지표침하 이력곡선( |
(c) 갱구부 10m 천단변위 이력곡선( |
(d) 갱구부 10m 지표침하 이력곡선( |
그림 19. 토피고 변화에 따른 변위양상 | |
)
)
)_정규화
)_정규화
4.3 RC 및 CD 굴착공법 비교
앞서 수행된 RC 공법 및 CD 공법 분석결과를 바탕으로 동일한 시공조건에서 두 굴착 공법이 터널 및 지표침하에 미치는 영향을 정량적으로 비교하였다. 그림 20은 그 결과를 비교하고 있는데 전반적으로 CD 공법을 적용할 경우 굴진과정에서 터널변위 제어에 탁월한 효과가 있는 것으로 나났으며, 반면에 지표침하의 경우 RC 공법이 침하 억제 효과에 보다 효율적인 것으로 나타났다. 이러한 결과는 각 굴착공법의 굴착 패턴이 굴착으로 인한 불평형력을 얼마나 효율적으로 지보재에 그리고 주변 지반에 이전하느냐를 단적으로 보여주는 것으로서 터널 천단 혹은 내공 변위제어가 주된 관점이라면 CD 공법을 지표침하 제어가 주된 관점이라면 RC공법을 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 이러한 경향은 굴착완료 후 변위 수렴 단면에서의 숏크리트 응력을 정성적으로 보여주고 있는 그림 21에서도 관찰할 수 있는데 CD 공법이 적용된 단면이 RC 공법이 적용된 단면보다 숏크리트 응력이 전반적으로 작게 발생하는 것으로 나타나고 있다. 이는 앞서 언급한 굴착으로 인한 불평형력의 효율적인 재분배가 역할을 하였기 때문으로 판단된다.
)
)
5. 결론
분할굴착 공법 중 중벽분할 굴착공법과 링컷공법이 터널의 변위거동에 미치는 영향을 분석하기 위해 터널 단면 및 지반조건을 동일하게 하여 3차원 유한요소해석을 수행하였으며 그 결과를 토대로 굴착공법에 따른 막장 안정 및 천단변위, 지표침하, 숏크리트 라이닝 응력에 대해 분석하였다. 본 연구를 통해 얻어진 내용을 정리하면 아래와 같다.
5.1 RC 공법
(1) 상부 UU 굴착시 총변위 40%에 해당하는 변위가 발생하며 따라서 UU 굴착 직후 즉시 변위 타켓을 설치하더라도 60%정도의 변위만 측정할 수 있음을 나타내는 것으로서 계측결과를 이용하여 터널 안정성 평가를 수행할 경우 측정된 천단변위의 두 배 이상을 실제 발생한 변위로 간주하여야 한다.
(2) 상반 굴착시 CORE를 제외한 UU, LU, RU 굴착 과정에 있어 LU 굴착시에는 별다른 침하 증가를 보이지 않으나 RU 굴착시 총 침하량의 10%정도의 침하가 발생하는 것으로 나타나 RC 굴착 공법을 적용하는 터널의 경우 RU 굴착시 침하관리에 주의하여야 한다.
(3) 각각의 최대값으로 정규화한 천단 및 지표침하 곡선은 굴진장 및 토피고(3.0~5.0D)에 관계없이 정규화 곡선으로 표현될 수 있는 것으로 나타났으며 터널의 거동을 예측하는 수단으로서 정규화 곡선을 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
5.2 CD 공법
(1) CD 굴착공법을 적용할 경우 총 천단침하 및 지표침하의 60% 이상이 RU, LU, 그리고 LOWER 굴착시 발생하므로 터널 변위 및 지표침하 제어를 위해서는 굴착 과정에서 철저한 시공관리 및 변위제어 수단이 필요하다.
(2) 천단 및 지표침하 공히 막장거리가 감소할 수록 증가하는 것으로 나타났으며 그 정도는 천단침하에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며 따라서 지반이 불량하여 CD 공법이 적용된 터널의 경우 시공 사이클에 지장을 주지 않는 한 좌우측 막장 거리는 최대한 늘이는 것이 터널의 안정성 확보 및 지표침하 억제 측면에서 유리할 것으로 판단된다.
(3) 천단 및 지표침하 이력곡선을 비교 하고 있는데 보이는 바와 같이 토피고가 증가할 수록 침하량 자체는 증가하나 최대값으로 정규화된 곡선에서는 1.5D를 제외하고는 토피고가 정규화된 이력곡선에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 RC 공법에서 관찰된 내용으로서 천단 및 지표침하량 예측을 위한 이력곡선은 구축시 토피고가 3.0D이상일 경우에는 토피고에 무관하게 하나의 정규화 곡선으로 표현할 수 있다.
5.3 RC 및 CD 공법 비교
전반적으로 CD 공법을 적용할 경우 굴진과정에서 터널변위 제어에 탁월한 효과가 있는 것으로 나타났으며, 반면에 지표침하의 경우 RC 공법이 침하 억제 효과에 보다 효율적인 것으로 나타났다. 이러한 결과는 각 굴착공법의 굴착 패턴에 따라 굴착으로 인한 불평형력을 주변 지반에 전달하는 메카니즘이 다름을 나타내 주는 것으로서 터널 천단 혹은 내공 변위제어가 주된 관점이라면 CD 공법을 지표침하 제어가 주된 관점이라면 RC공법을 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
