1. 서 론
2. 지반이상대 구간 터널 계측
2.1 지반이상대 구간 터널 천단 및 내공변위 계측
2.2 과다변위가 발생된 지점 바닥하부 계측
3. 수치해석
3.1 해석조건
3.2 장기거동 해석결과
4. 결 론
1. 서 론
지반이상대 구간을 지나는 터널은 시공 중 또는 시공 후에 지반융기, 균열, 전단 파괴 등의 이상변위 발생이 많이 보고되고 있다. 이러한 이상변위가 지속되거나 큰 경우에는 최종적으로 터널 붕괴위험의 우려가 있으며, 다양한 보강공법을 사용하여 터널 붕괴위험을 저감시키고 있다(Xu et al., 2023; Yoo et al., 2011). Kim et al.(2006)는 터널 주변 암반이 파쇄대인 경우 터널 변형 거동에 미치는 영향을 살펴보고자 Pantagon 2D를 이용하여 수치해석을 분석하였다. 수행결과 터널 상부에 파쇄대가 존재하는 경우 파쇄대 폭이 증가함에 따라 터널 천단부, 좌우 어깨부, 측벽부의 변위가 증가하였지만 하부에 파쇄대가 위치한 경우 터널 변형은 뚜렷한 이방성 변위 패턴을 보였으며, 파쇄대의 물성이 불량할수록 변위 절대량은 크게 나타났다. Min et al.(2005)는 지반이상대 구간 굴착 중 과대변위가 발생한 터널의 안정성검토를 위해 TSP탐사 및 3차원 모델링을 수행하였다. 연구결과 터널 내 과대변위는 해당구간에 밀집된 불연속면의 상호교차 및 단층대에 의한 터널 좌, 우측 암반강도 불균형으로 인한 편하중이 발생한 것으로 판단되어 터널보강공법이 필요함을 보고하였다. 이처럼 터널이 지반이상대에 속해 있는 경우 다양한 이상변위가 발생하고 있다. 본 연구에서 살펴본 터널은 막장이 완전 풍화상태가 주를 이루며 부분적으로 심한 풍화상태로 분포하는 구간에 시공되었다. 시공 중 터널 내공변위를 침범하여 강지보 및 숏크리트를 재시공하였으며, 기존 설치된 flat형 인버트의 제거 없이 현 상태에서 라이닝 철근 보강공법을 적용하였다. 이러한 보강공법을 적용 후 실시한 계측 자료를 바탕으로 바닥의 융기가능성 구간에 대하여 수치해석적인 방법으로 장기변위 예측을 통해 터널의 장기적인 안정성을 검토하였다.
2. 지반이상대 구간 터널 계측
2.1 지반이상대 구간 터널 천단 및 내공변위 계측
본 연구에서 살펴본 터널은 막장이 완전 풍화상태가 주를 이루며 부분적으로 심한 풍화상태로 분포하는 구간에 시공되었다. 터널 시공 중 천단 및 내공변위를 계측하였으며, 계측결과를 Table 1에 나타냈다. 표에서 보듯이 개착구간을 중심으로 좌측구간과 우측구간은 400mm 이상 내공단면을 침범하여 Fig. 1과 같이 강지보 변형, 숏크리트 파단 등이 발생하였다. Fig. 1(a)는 개착구간을 중심으로 좌측구간의 하단 변형을 나타냈으며, Fig. 1(b)는 우측구간의 아치부 변형 및 보강작업을 나타냈다. 계측결과를 분석한 결과 터널 우측의 변형이 크게 발생한 이유는 계곡부의 영향으로 판단된다. 터널 형상은 마제형이며 상하반 분할굴착에 따라 상하반 모두 큰 변위가 발생하였다. 특히, 터널 인버트에서도 시공 시 설치한 강지보가 좌굴변형을 일으키는 등 큰 변형이 발생하였으며, 터널 바닥면에서 융기가 크게 발생하였다.
Table 1.
Measurement results of tunnel top and internal displacement
2.2 과다변위가 발생된 지점 바닥하부 계측
융기가 발생한 구간 중 과다변위가 발생한 구간인 5개의 지점 바닥하부에 지중침하계를 설치하여 시간경과별 바닥변위를 계측하였다. 계측결과는 Fig. 2에 나타냈다. 그림에서 보듯이 대부분의 계측자료가 수렴하지 않는 결과로 보여주고 있으며, E지점에서 변위 증가가 가장 많음을 알 수 있다. 따라서 이상변위 구간을 강지보 및 숏크리트를 재시공하였으며, 기존 설치된 flat형 인버트의 제거 없이 현 상태에서 라이닝 철근 보강공법을 적용 후 범용 수치해석 프로그램인 Plaxis 2D를 이용하여 장기변위를 예측하고자 수치해석을 수행하였다.
3. 수치해석
3.1 해석조건
지반이상대 구간 터널의 장기거동에 대한 안정성을 파악하기 위해 범용 수치해석 프로그램인 Plaxis 2D를 이용하여 안정성 검토를 수행하였다. 장기거동 해석을 위해 사용된 모델은 Fig. 3에 나타낸 Grob(1972)의 Semi-logarithmic 법칙을 사용하였다. 그림을 식으로 나타내면 Eq. (1)과 같다. Semi-logarithmic 법칙은 지반 팽창, 팽윤압 등의 거동해석을 위해 사용되며, 선행연구를 통해 입증되었다(Ashraf et al., 2019; Liu et al., 2021).
여기서, εiq(t=∞) = 최종 swelling 변형율
kqi = 축방향 swelling parameter
σi = 축방향 응력
σqoi = 최대 swelling 응력
터널 지질 이상대 구간을 지나며, 특히 하부에는 팽창 가능성이 있는 지반이 존재한다. 구체적인 지반의 구성과 해석을 위한 mesh는 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4에서 보듯이 상부로부터 붕적토, 지반이상대(Zone-B, Swelling potential zone), 연암으로 구성되어 있다. 수치해석에 사용된 지반 중 붕적토, Zone-B, 연암은 탄소성 모델인 Mohr-Coulomb을 사용하였으며, 지반 물성치는 Table 2에 나타냈다. Zone-B(Swelling potential zone)은 swelling rock 모댈을 적용하였다. Swelling rock 모델의 paramter들은 90일의 계측 값과 역해석(Fig. 5)를 통해 물성치를 구하였으며, 그 값을 Table 3에 나타냈다.
Table 2.
Material properties of soil
Table 3.
Material properties used for the long-term behavior model
| kq (%) | σqoi (kPa) | A0 | Ael | Apl | |
| Swelling potential zone | 3 | 290 | 0.65e-3 | 0 | 0 |
3.2 장기거동 해석결과
수치해석은 90일간의 계측결과와의 검증(Fig. 5)을 통해 얻은 모델을 이용하여 터널 시공 후부터 360일까지에 대해 수행하였으며, 수치해석 결과는 Fig. 6, 7에 나타냈다. Fig. 6은 시공 직후부터 30일까지의 결과를 나타냈다. 그림을 보듯이 시공 후 변위는 0.016mm 발생하였으며, 5일 후 2.340mm로 2.324mm 변위가 더 발생함을 확인하였다. 또한 변위는 10일 후 1.344mm, 15일 후 0.773mm, 20일 후 0.45mm, 25일 후 0.271mm, 30일 후 0.163mm가 증가하여 시공 후 30일 후에는 최종적으로 5.341mm 변위가 발생함을 확인하였다. 따라서 30일 동안 변위는 지속적으로 증가하였으나, 시간이 지남에 따라 변위의 증가량이 감소하고 있음을 알 수 있다. 발생된 변위량은 Table 4에 나타냈다.
Table 4.
Numerical analysis results (for 30 days)
Fig. 7은 30~360일까지의 결과를 나타냈다. 그림을 보듯이 변위는 지속적으로 증가하나, 시공 후 30일까지의 변위 증가량보다 낮았다. 발생된 변위량은 Table 5에 나타냈다.
Table 5.
Numerical analysis results (30 days later∼360 days later)
Fig. 8은 발생된 변위를 그림으로 나타낸 것으로 그림을 보듯이 변위는 초기 30일에 변위가 가장 많이 발생하였으나, 이후 증가량이 감소하며 수렴하는 모습을 보여주고 있다. 변위가 수렴하는 모습을 보이고 있긴 하지만, 지반이상 지역의 경우 장기적인 변위가 상당히 발생할 수 있기 때문에 지속적인 터널 안정성 확보를 위해 막장면 및 현장계측 등의 시공관리가 필요하다.
4. 결 론
본 연구에서 살펴본 터널은 막장이 완전 풍화상태가 주를 이루며 부분적으로 심한 풍화상태로 분포하는 구간에 시공되었다. 시공 중 터널 내공변위를 침범하여 강지보 및 숏크리트를 재시공하였으며, 기존 설치된 flat형 인버트의 제거 없이 현 상태에서 라이닝 철근 보강공법을 적용하였다. 이러한 보강공법을 적용 후 실시한 계측 자료를 바탕으로 바닥의 융기가능성 구간에 대하여 수치해석적인 방법으로 장기변위 예측을 통해 터널의 장기적인 안정성을 검토하여, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 터널 시공 30일 후까지 수치해석 수행결과 변위가 많이 발생하였으나, 시간이 지남에 따라 변위 증가량이 감소하고 있음을 확인하였다.
(2) 터널 시공 30~360일까지 수치해석 수행결과 변위는 지속적으로 증가하나 시공 후 30일까지의 변위 증가량 보다 낮았으며, 변위가 수렴하는 것을 확인하였다.
(3) 따라서, 수치해석 결과 변위가 수렴하지만 지반이상대 구간의 지반 조건을 단순화하여 수치모델링 한 것으로 지반이상 지역의 경우 장기적인 변위가 상당히 발생할 수 있기 때문에 지속적인 터널 안정성 확보를 위해 막장관찰 및 현장계측 등의 시공관리가 필요하다.
