1. 서 론

최근들어 대심도 지하터널의 시공사례가 늘어나고 단층파쇄대 구간 등 지반불량 조건에 대한 안정성확보에 많은 어려움이 예상되는 대단면 터널의 안전한 시공을 위해 다양한 보조공법 및 보강공법의 적용이 이루어지고 있다. 단층각력암 및 신갈단층 손상대의 영향지반 조건의 매우 취약한 토사화된 파쇄암을 포함하는 고속철도 대단면의 통과구간에 대한 굴착 및 보강공법의 적용시 터널의 상반굴착 안정성 확보를 위한 보조 및 보강공법의 적용에도 불구하고 터널의 하반굴착시 추가적인 지반이완과 응력전이 및  지반 지지력 부족으로 인한 터널의 전체 안정성 저감 및 과다변위 발생, 우각부 침하의 우려가 발생하기도 한다.

이러한 단층파쇄대 구간에 대한 터널의 계획시 굴착지보 보강에 대한 적정한 지보량의 적용, 보강공법의 합리적인 선정 등으로 굴착단계별 변위의 경향예측 및 터널의 안정성 검토를 통한 터널의 굴착지보 단계별 거동양상 등 지반의 강도 및 지반응력에 대한 이론적인 이해와 함께 보강공법의 적용시 거동특성 및 적용효과에 대한 평가가 필요하다.

신갈단층대 지하 통과구간인 본 연구구간은 전 구간 터널구간으로 계획된 단층각력암 및 각력화된 토사화 지반이 분포하는 구간인 단층대가 터널굴착 방향과 같은 방향으로 발달되어 있는 터널 전단면이 단층 영향권내에 위치하고 있다. 이러한 터널의 보조 및 보강공법 지보량의 선택적 차이에 따른 천단 및 내공변위 등의 과다변위가 부분적으로 유발된 사항에 대해 터널의 안정성해석을 통한 보조공법(우각부 보강)의 적용성 연구를 통해 보강효과의 적정성을 평가하고자 한다.

또한, 각부보강의 시공조건에 따르면 일반적으로 설계 및 시공시 측벽지보의 축선 연장선상에 각부보강을 선정하고 있으나, 본 연구에서는 단층파쇄지반과 같은 취약지반이 분포하는 경우 각부보강공 적용각도 및 파일길이 차이에 따른 하중의 전달 및 터널주변 이완영역의 영향으로 수반되는 천단 및 내공변위의 영향성 관계에 대한 공학적인 특성을 터널 안정성해석을 통한 보강효과를 평가함으로써 단층대 구간에 적용되는 각부보강공법의 경제적이고 합리적인 적용법에 대해 고찰하고자 한다.

2. 우각부 보강공법 개념 및 적용방법

2.1 우각부 보강공법 개념

단층파쇄대 등 지반불량구간의 굴착중 터널 보조 및 보강공법으로 급격한 천단 및 측벽변위의 억제 및 수평저항력의 증대를 위해 적용하는 공법으로, 일반적으로 측벽 지반지지력 부족의 문제와 각부침하가 수반되는 불안정한 영역이 점진적으로 인근 지반으로 확대되는 이완영역의 증가가 있는 불량지반의 대단면에서 터널의 안정성 확보를 위하여 우각부 보강공법을 적용한다. ‘각부’란 상반굴착시 강지보재를 지지하는 인버트 양단의 지지부위 또는 아치 하단부를 의미하는 것으로 각부보강공법은 연약한 지층(터널 전단면에 걸쳐 충적토사층, 단층파쇄대 등 지반불량구간이 분포하는 경우)에 적용되는 터널상반의 지지력 강화 및 침하억제를 목적으로 아치 하단부인 각부에 강관이나 말뚝을 삽입하고 주변에 그라우팅을 시행하여 지반을 보강하는 공법을 말한다(Fig. 1 ).

Fig. 1

Concept of Elephant Foot Method

2.2 우각부 보강공법 적용방법

일반적인 우각부 보강 적용방법은 우각부 지반보강(각부 지반개량 및 파일보강 등)의 개념을 가진 공법과, 각부단면을 확대하여 숏크리트를 채우거나 wing rib을 설치하여 측벽의 강성증가를 통한 보강효과 이용한 적용공법이 있을 수 있으며, 본 연구의 경우 “지지면적의 확대(숏크리트 채움)+각부보강 파일공법”을 적용하여 그 효과의 신뢰성을 터널의 안정성측면에서 파악하고자 하였으며, 각부보강 공법의 보강효과 및 개념에 대해서는 Fig. 1에 보여지고 있다.

3. 지반조건 및 터널현황

3.1 지질 및 지반특성

본 지역의 지질은 선캠브리아 경기 편마암 복합체중 호상편마암 및 우백질 편마암이 분포하며 대규모단층인 신갈단층이 노선과 평행하게 발달하며, 원천단층 및 용인단층이 분포하고 있다. 특히 터널통과구간은 신갈단층 형성시 생성된 단층 점토대, 단층각력 및 파쇄암으로 이루어진 공학적인 특성고려 매우 불량한 지반성상을 나타내고 있다.

신갈단층대 해당구간의 시추조사결과는 평균적인 단층각력암이 단층토사보다 약간 우위를 점하고 있으며 단층점토 및 실트로 이루어진 지층의 경우 5/30~6/30 정도의 N값을 보이며 코아회수율이 저조한 구간이 선별적으로 나타나며 신갈단층 및 수반단층의 발달로 인해 기반암은 심한파쇄 및 완전파쇄, 부분적으로 단층점토 및 단층각력암이 분포하는 것으로 확인되었다.

3.2 구간별 암반등급 및 지보패턴 현황

단층대구간에서의 터널 단면형상은 구조적으로 취약한 하부 우각부 과다변위 및 응력집중을 방지하기 위한 구조적 안정성 우수한 인버트 폐합형식으로 터널단면 적용되었으며, 본 연구구간 인근(25km 근접부)에서의 암반등급이 지반조사결과 근거 및 당초 굴착시공시 단층점토지반의 지반불량구간으로 판단하여 계획지보패턴 PD-6-2(Fig. 4)로 적용하였고, 굴착진행시 암판정결과에 의한 지층구조분석 및 계측결과 feed back을 통하여 탄력적으로 지보패턴 적정하게 변경 선정 할 수 있도록 하였다(Fig. 2).

Fig. 2

Tunnel Reinforcement Pattern

4. 터널의 보강공법 선정을 통한 시공중 이상변위 발생

4.1 시공중 계측자료분석

시공중 굴착에 따른 터널변형 특성 평가를 위해 천단침하 및 내공변위계측이 수행되었으며, 계측결과로 분석된 기초자료로 활용되며, 본 연구구간은 24km893~24km958(L=65m)으로 2014년 1월 16일 기준으로 천단침하가 전반적으로 2차계측관리기준(-53mm)이상 발생하였으며, 24km 940구간(우각부보강 미적용구간)에서 최대 천단침하 –100mm 발생하여 3차계측관리기준(-79mm)를 초과한 과다변위 발생한 것으로 분석되었다(Fig. 3).

Fig. 3

Field Monitoring Status

위치별 변위계측결과에 의하면 해당구간 전 막장면 신갈단층 파쇄대 영역으로 전구간 2차계측관리기준을 상회하는 “주변구조물에 영향을 미칠수 있는 이완영역이 발생한 것”으로 숏크리트 변상(crack) 및 지하수 침투 현상들이 현저하게 나타나고 있으며 우각부 보강 적용변화 구간인 24km 950~940에서는 특히나 변위가속도 및 경시변화가 크게 나타나고 있으며, 24km 940(각부보강 미시행)의 경우 3차 계측관리기준을 상회하는 “명확하게 이완영역이 발생하기 때문에 안전의 문제와 시공의 곤란이 예상되므로 굴착방법 및 지보공법 등의 변경이 필요”한 계측관리 기준의 판정조건인 터널자체의 위험에 대비하라는 의미의 이상징후를 나타내는 터널변상현상들이 보여지고 있다.

5. 역해석결과에 의한 현장계측결과 및 수치해석적 검토비교

5.1 역해석 수치해석 조건

지반조건은 당초 현장에서 기 평가된 지반조건을 기준으로 한 실시공시 터널주변지반의 지반변형계수(E)값을 변화시켜가며 시행착오법을 통하여 목표함수와 부합하는 현장지반조건에 가장 근접한 지반변형계수(E′)을 재산정하였다(Fig. 4).

터널의 안정성 수치해석방법은 연속체 해석적 방법을 사용하고 해석프로그램은 MIDAS GTS을 사용하여 해석하였으며, 해석위치는 지반정수 재평가 결과 도출을 위해 적용된 해석위치와 동일하게 설정하였으며 역해석시 기준으로 한 목표계측값(목적함수)은 터널굴진에 따라 지속적인 계측결과 분석을 통하여 터널의 거동특성을 가장 효과적으로 파악할 수 있을 것으로 판단되는 천단침하를 목적함수로 결정하여 연구진행하였다.

Fig. 4

Deformation Modulus

5.2 현장계측결과 및 수치해석적 검토비교

각부보강 조건에 따른 현장계측결과 분석에 의하면 신갈단층대라는 특수성을 가진 단층대에서의 우각부 보강 유무에 따라 각부보강의 적용성 효과는 뚜렷한 변위율 감소효과를 가지고 있으며, 천단침하의 경우 현장계측결과 평가에 의하면 16.8%의 변위 감소율을 보이고 있고 내공변위 감소율 또한 그 감소하는 경향을 명백하게 보이고 있다(Tables 1 and 2).

Table 2 의 경우는 역해석을 통한 지반재평가 결과에 의한 수치해석을 수행한 각부보강조건에 대한 비교결과이며, 암반의 비균질성, 비등방성, 불연속면, 절리 등의 영향 및 절리면 충전물의 전단강도 등 단층파쇄대의 지질구조적 복합적 비균질 지반조건임을 고려한 현장계측결과와 수치해석적결과의 값은 다소 차이가 나고 있으나, 단층파쇄대 지반에서의 각부보강공 적용효과는 매우 큰 것으로 나타나고 있다. Fig. 5는 이와같은 신갈단층대 지반에서의 각부보강 유무에 따른 천단 및 내공변위, 각부변위 감소율에 대한 경향을 보이고 있다.

Table 1. Comparision of Field Measurement for Reinforcement Condition

Table 2. Comparision of Numerical Analysys for Reinforcememt Condition

Fig. 5

The Ratio of Reduction for Reinforcement Condition

6. 각부보강공법의 시공조건(각도의 영향)에 따른 적용성

신갈단층대 지반에서의 고속철도 단면에 대한 수치해석결과 변위발생 경향 고려시, 우각부 보강공 시공조건(각도)에 따르면 천단변위량의 경우 시공각도 60도까지 변위량 증가를 보이다 점차 수렴하는 경향을 보이는 바 넓은 의미에서 각도의 range 고려 50도 이상의 각부보강공 적용은 큰 의미를 가지지 못하는 것으로 판단된다. 내공변위의 경우 기준각도에서 각도의 증가로 인한 점진적 변위량이 커지고 있으나 40도에서 오히려 변위량의 감소추세를 보이고 있다. 이것은 굴착시 측방이동 이완하중 지지면적의 감소가 그 원인인 것으로 사료되며, 45도 이상에서의 내공변위 감소원인은 측벽 밀림 이완하중에 대한 하중전달 방향이 보강파일의 지지방향과 동일한 방향으로 거동함으로 인한 보강파일의 축력증가 영향으로 파악된다. 각부 수직변위량의 경우 측벽지반 지지력의 영향이 당연히 클 것이기 때문에 각도의 증가에 따른 우각부 침하량은 변위감소율의 영향이 없는 증가현상을 나타내고 있다(Fig. 6).

Fig. 6

Variation of Tunnel Displacement by Leg Pile Installation Angle

결론적으로, 우각부 시공각도 조건에 대한 연구 종합분석결과 단층대와 같은 지반불량구간에서의 보강파일의 설치각도는 가능한한 직각방향으로 설치할 수 있도록 하는 것이 공학적으로 가장 유리할 것으로 판단된다. 또한, 시공조건을 고려한 불가피한 조건을 고려하더라도 45도 이내로 설치하는 것이 이완하중 분산 및 측방변형억제에 가장 효과적이라 판단된다. 시공의 복잡성 및 어려움이 따르더라도 상반지보공 설치후 신속한 우각부 보강의 시공과 함께 보강공 파일의 설치각도는 가능한 작은 경사가 적용될 수 있도록 현장관리하는 것이 터널의 안정성 확보측면에서 가장 바람직할 것으로 사료된다.

7. 각부보강공법의 시공조건(파일 길이)에 따른 적용성

단층파쇄대 지반에서의 우각부 보강공(레그파일) 길이 고려한 수치해석적 검토결과에 의하면 하방향의 하중흐름에 대한 지보보강의 효과가 천단 및 각부침하의 변위경향성의 경우 파일의 연장이 길어짐에 따라 변위제어 효과는 매우 큰 것으로 나타나고 있다. 이완하중 영향에 의한 내공변위 제어력은 6m이상의 길이조건에 대해서는 큰 적용효과를 발휘하지 못하는 것으로 파악되며 이것은 지반취약구간에서의 상반이완하중이 하반 측방이동의 하중으로 수평응력이 발생하므로 이러한 수평력에 대한 저항효과를 가지는 레그파일의 연장효과는 하반굴착깊이 까지가 그 적용효과의 한계점을 나타내는 것으로 보인다. 또한, 보강파일의 축력평가에 의하면 연장 6m (1.5H, H : 하반굴착깊이)까지 급격한 축력증가의 발휘를 보이는 보강파일의 효과를 확인할 수 있으며 그 이상의 연장(길이)에 대해서는 축력효과 미미한 것으로 나타나고 있다. 이것은 하반굴착에 의한 지반변형에 의해 발생한 보강파일의 축력영향이 파일길이 6m (1.5H)까지의 적용조건에서 축력발휘 효과면에서 가장 적정한 최적의 조건임을 나타낸다고 할수 있다(Fig. 7).

Table 3. Displacement by Leg Pile Installation Angle

Fig. 7

Axial Force of the Leg Pile Length

결론적으로, 천단 및 각부변위의 경우 하중전달 메커니즘을 고려한 파일의 길이 증가 적용시 변위제어효과는 점진적으로 증가되는 것으로 나타나며, 내공변위 및 축력분포 발생경향을 고려할시 하반굴착깊이까지의 연장조건(파일길이 6M=1.5H, H:하반굴착깊이)일 경우 경제성 및 안전성 확보를 위한 가장 합리적인 최적의 적용조건이라 판단된다. 이와같은 우각부 보강 파일의 적용개념은 지반불량 취약지반(단층파쇄대 등)에서의 적용기준설정을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다(Fig. 8).

Fig. 8

Variation of Tunnel Displacement by Leg Pile Installation Length

Table 4. Displacement by Leg Pile Installation Length

8. 결 론

본 연구에서는 신갈단층 파쇄대 지반에서의 고속철도 대단면 시공중 터널의 안정성 저하로 인한 과다변위 발생구간에 대한 현장 계측분석을 통한 지반거동 특성을 분석하고, 과다변위지반의 지반재평가 수치해석을 통해 우각부보강공 적용 유무에 따른 보강효과를 현장계측결과와 비교분석 평가하였다. 또한, 지반불량(신갈단층대) 구간에서의 우각부 보강시공조건(레그파일각도 및 길이에 대한 영향)에 따른 보강효과를 수치해석적으로 검토하여 현장적용시 최적의 보강조건을 분석한 결과 단층대 구간에서의 보강 적용조건은 상반 바닥면에 수직에 가까운 방향으로 설치할 경우 변위제어에 가장 효과적임을 알수 있었다. 시공성 및 경제성 고려 레그파일의 적용연장은 하반굴착 깊이를 기준으로 한 바닥면까지 적용하는 것이 가장 합리적인 것으로 확인되었다.

(1)지반취약(신갈단층 파쇄대)구간 각부보강공 적용할 경우에 대한 현장계측결과 변위추이 분석 및 수치해석적 검토 비교결과 명백한 변위감소 효과가 뚜렷이 나타나는 것으로 평가되었다.

(2)우각부 시공각도 조건에 대한 연구결과 단층대와 같은 지반불량구간에서의 보강파일의 설치각도는 천단 및 내공변위량 발생추이 고려시 가능한 직각방향으로 설치할 수 있도록 하는 것이 공학적으로 가장 유리할 것으로 확인되었다. 시공조건 고려한 불가피한 조건을 고려하더라도 시공각도 45도 이내로 설치하는 것이 터널 주변지반 이완하중의 분산·전달 및 측방변형억제에 가장 효과적이라고 판단된다. 시공의 복잡성 및 어려움이 따르더라도 상반지보공 설치후 신속한 우각부 보강의 시공과 더불어 설치각도는 가능한 작은경사가 이루어질 수 있도록 현장관리하는 것이 터널의 안정성 확보측면에서 가장 바람직할 것으로 판단된다.

(3)우각부 보강파일 길이 영향조건에 대한 적용성 평가결과, 파일의 연장이 길어짐에 따른 변위의 제어효과는 명백히 좋아지는 경향으로 당연하다 하겠으나, 내공변위 및 축력분포의 결과 고려할시 보강파일의 길이는 터널단면 하반굴착고의 기준길이(1.5H, H : 하반굴착고)를 적용하는 것이 가장 적정한 최적의 합리적인 조건으로 평가되었다. 각도시공조건과 더불어 보강파일의 경사는 가능한 작은각도(직각방향)로 설정하여 하반굴착깊이 1.5H에 근접한 레그파일의 길이를 적용하는 것이 시공성․경제성․안전성 고려한 가장 적정한 조건이라고 판단된다.