확장판 선단부착 PHC말뚝 시공법에 관한 기술적 고찰

-현장 시공안전성능 검증실험 결과를 중심으로-

        


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최 용 규
경성대학교
건설환경도시공학부 교수
(ykchoi@ks.ac.kr)
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 김 명 학
인제대학교
토목도시공학부 교수
(civmhk@inje.ac.kr)


1. 서 론


일본에서는 PHC말뚝의 선단부의 콘크리트 두께를 바깥쪽으로 확장시킨 선단확장형 PHC말뚝(그림 1(a) 참조)을 사용하고 있으며 국내에서도 생산되고 있다. 이는 선단 두께부를 구조적으로 보강한 말뚝으로 선단확장형 PHC말뚝의 지지력 증가효과는 확실하게 검증되었다. 국내에서는  PHC말뚝의 선단변형 PHC말뚝들(확장판 선단부착 말뚝(그림 1(c) 참조), 강관 선단부착 말뚝(그림 1(d) 참조), 다이렉트 파일(그림 1(e) 참조), 임플란트 파일(그림 1(f) 참조))이 개발되어 사용되고 있다. 선단변형  PHC말뚝들에 대한 연구는 천병식 등(2009), 정상섬 등(2011)의 학술연구용역보고서 및 백규호(2013)의 기술기사에서 찾아볼 수 있었다.


확장판 선단부착 PHC말뚝에 관한 기존의 연구들은 이론식에 의한 검토, 수치해석에 의한 검토, 기 수행된 동재하시험 및 단순 정재하시험 자료를 이용한 검토들이었다.확장판 선단부착 PHC말뚝에서 지지력이 30%만큼 증가한다는 실증적 근거는 찾아볼 수가 없었다. 또한, 강관 선단부착 PHC말뚝에서도 선단지지력이 1.48∼1.81배 증가한다는 실증적 근거는 찾아볼 수가 없었다. 최용규 & 김명학(2018)은 최근 발표한 학술논문에서 확장판 선단부착 PHC말뚝의 실물말뚝에 대한 현장시공안전성능 검증실험을 통하여 지지력 증가가 없음을 밝혔다. 또한 최근(2018년 7∼8월), 확장판 선단부착 PHC말뚝에 대한 현장 안전성능 검증실험에서 경타 시공된 확장판 선단부착 PHC말뚝을 뽑아내어 확장판 및 PHC말뚝의 상태를 확인하였는데 심각한 구조적 손상이 관찰되었다. 2018년 10월 국토교통부 국정감사의 종합감사 시 질의를 통하여 확장판 선단부착 PHC말뚝의 안전성에 심각한 문제가 있음을 지적하였다. 이를 계기로 국토교통부에서는 자체적으로 현장안전점검을 진행하고 있는 중이다.  


이 기술기사에서는 국내에서 사용이 급증하고 있는 확장판 선단부착 PHC말뚝에 대한 기술적 수준을 고찰하고자 한다. 또한 해당 말뚝의 지지력 성능, 시공 안전성 성능 등을 확인할 수 있는 올바른 검증시험 방법론을 살펴보고자 한다.

        

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2. 확장판 선단부착 PHC말뚝의 제작 공정

        

확장판 선단은 PHC말뚝의 마밀라슈 탭경에 고장력볼트로 90N·m의 토크치를 작용시켜 체결되는 구조이며 각 주요 부분은 확장판 선단(SS400; 그림 2(a) 참조), 마밀라 슈(SS400; 그림 2(b) 참조), 고장력 볼트(F10T) 등이다. PHC말뚝의 생산 과정에서 마밀라슈 탭경은 1차 사용되며 PC강봉에 긴장력을 도입할 때 마밀라슈의 탭경과 성형판은 인장볼트로 체결되어 6∼7톤의 긴장력을 도입시킨다(그림 2(c), (d) 참조). 따라서 마밀라슈 탭경은 1차사용 후 용도 폐기된 너트부에 해당된다. 확장판 선단은 1차 사용되어 용도 폐기된 탭경에 체결하게 되는 데(그림 2(e) 참조) 이 때 PC강봉 헤드부는 확장판선단에 맞닿게 된다(그림 2(f) 참조).

        

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매입 시공에서 최종 경타 시 항타에너지는 대부분 PC강봉을 통하여 PC강봉 헤드부에 맞닿은 확장판 선단에 직접 전달된다. 이는 PC강봉의 탄성계수가 콘크리트의 탄성 계수보다 크기 때문에 PC강봉에서 압축 변위가 더 작게 발생하게 되어 나타날 수 있는 현상이다. 이 때 PC강봉에 맞닿아 있는 확장판 선단은 항타로 인한 반력을 PC강봉에 작용시키게 되는 데 이로 인하여 확장판선단 부착에 따라 확장판 선단에 구속된 PC강봉에서는 팽창변형이 발생하게 되고 동시에 PC강봉 주변 콘크리트에 인장 균열을 발생시킨다. 확장판 선단부착 PHC말뚝 매입 시공 후 시공된 말뚝 주변을 선행 천공한 후 해당 말뚝을 뽑아내어 육안으로 관찰하였는데 상당수의 시험말뚝에서 PC 강봉을 따라 심각한 수직 균열이 발생되어 있었으며 이들 균열은 대부분 보수불가능한 구조적인 균열이었다(그림 3 참조).



3. 현장 검증 실험을 통한 시공 안전성 분석


직경 500mm PHC말뚝의 선단에 확장판을 볼트로 부착하여 풍화암층에 2.0m 만큼 관입되도록 매입 시공하였다. 이 때 매 타격마다 동재하시험을 실시하여 PHC말뚝에 발생하는 항타응력을 조절하면서 최종관입량 및 지지력의 만족여부를 확인하는 시공 관리를 실시하는 경우(시공법 1)와 현행 시공법대로 최종관입량을 만족할 때 동재하시험을 실시하여 지지력 만족여부를 확인하는 시공 관리를 실시하는 경우(시공법 2)로 구분하여 시공하는 것으로 계획하였다. 길이 14m의 단본말뚝을 사용하거나 이음이 필요한 경우에는 용접방식 이음을 실시하였다.


확장판 선단부착 PHC말뚝을 시험 시공한 후 시공된 말뚝의 주변을 천공하여 시험말뚝을 뽑아내어 지상의 거치대에 위치시킨 후 확장판 선단과 확장판 선단이 부착된 PHC말뚝의 상태를 육안으로 관찰하였고 균열 등은 균열게이지로 폭을 측정하였고 길이는 줄자로 측정하였으며 모든 과정은 동영상으로 촬영하였다. 따라서 추후 동영상을 통하여 시공 후 상태를 추가로 정밀하게 분석할 수 있었다.


현장 실험 결과를 표 1에 요약하였으며 확장판 선단의 손상 유형 예(사진 1) 및 확장판 선단이 부착된 PHC말뚝의 손상 유형 예(사진 2)의 대표적인 사례를 시험말뚝의 기호와 함께 나타내었다. 확장판 선단에서는 영구변형이 유발되어 원형을 유지하지 못하였고(사진 1 참조), 확장판 선단이 부착된 PHC말뚝에서는 보수불가능한 수직 균열(그림 3 참조), 말뚝 하단부 파괴(사진 2(a) 참조), 하부 보강밴드 손상 및 콘크리트 손상(사진 2(b) 참조), 하부 보강밴드 상단 콘크리트 일부 탈락(사진 2(c) 참조), 말뚝과 하부밴드 사이 벌어짐(사진 2(d) 참조) 등의 손상이 유발되었다.

 

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상세한 내용은 김명학(2018a; 2018b)를 참고할 수 있었다.확장판 선단부착으로 인해 PHC말뚝의 PC강봉을 따라 발생된 보수불가능 균열들을 통하여 지하수가 말뚝 내부로 침투되어 PC강봉을 점진적으로 부식시키게 되고 시간이 경과함에 따라 부식은 점차 가속화될 수 있으며 이에 따라 부식된 PC강봉의 부피팽창으로 인하여 콘크리트의 파손은 급격하게 유발될 수 있을 것으로 판단되었다.


        

4. 하중전이 연직압축정재하실험을 통한 지지력 증가효과 분석

        

현장에 시험 시공된 PHC말뚝(TP-1), 확장판 선단부착 PHC말뚝(TP-2), 강관 선단부착 PHC말뚝(TP-3)의 하중-침하량 거동은 거의 동일한 양상을 나타내었으며(그림 4(a) 참조) 따라서 말뚝의 근입길이가 동일하고 선단지지층의 근입길이가 동일하고 말뚝의 직경이 동일할 경우 선단부착 말뚝들의 지지력 증대 효과는 없는 것으로 나타났다.


선단변형 PHC말뚝의 축하중 분포도를 그림 4(b)에 나타내었다. 각 위치에서의 축하중은 축하중계측용 센서에서 측정된 변형율 값에 말뚝의 탄성계수 값과 말뚝 몸체의 직경 값을 곱하여 계산하였다. 이때, TP-1, TP-2 말뚝은 최대 재하 하중에서의 축하중 분포도를 나타내었으며 TP-3는 TP-1, TP-2와의 비교를 위하여 가장 유사한 단계의 재하하중인 6.98MN에서의 축하중 분포도를 도시하였다. 3가지 선단변형 PHC말뚝들의 축하중 분포도는 비슷한 경향을 나타내었다. 최대재하하중단계에서 말뚝 기초의 지지력 중 주면마찰력이 대부분의 재하 하중을 지지하였으며 PHC말뚝, 확장판 선단부착 PHC말뚝, 강관 선단부착 PHC말뚝에서 선단지지력은 각각 4, 5, 2%의 재하 하중을 지지하는 것으로 나타났다.


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5. 확장판 선단부착 PHC말뚝 시공법의 올바른 검증 방안

        

확장판 선단부착 PHC말뚝의 거동과 관련하여 검증해야 할 항목은 크게 2가지로 판단되었다. 첫째, 시공법 개발자가 주장하는 바에 의하면 확장판 선단부착으로 선단지지력이 크게 증가되고 이에 따라 전체 지지력이 30% 이상 증가하였다는 점과 둘째, 집필진의 연구(김명학, 2018a; 2018b)에 따르면 현장 매입 시공 중에 확장판 선단이 영구 변형되었고 PHC말뚝에 보수불가능한 구조적 수직균열이 발생되었고 PHC말뚝 선단부가 파괴되었고 PHC말뚝 하부보강밴드가 손상됨에 따라 그 내부 콘크리트가 손상되었다는 점이었다.


확장판 선단부착 PHC말뚝에서 실시하였던 말뚝재하시험 자료를 그림 5에 나타내었다. 여기서 말뚝재하시험으로 정재하시험이 실시되었는지 동재하시험이 실시되었는지에 대한 설명도 나타나 있지 않았으며 정재하시험을 실시하였더라도 설계하중의 2배까지만 재하가 되었을 것으로 추정되었다. 이런 재하시험으로는 확장판 선단부착 PHC말뚝이 PHC말뚝보다 지지력이 30% 증가된다는 주장을 입증할 수가 없다. 그림 5에서 빨간 색 박스로 표시한 부분에 있는 자료들을 살펴보면 PHC말뚝 본체의 허용 부재력보다 더 큰 설계하중을 사용하고 있었는데 이는 심각한 설계 오류로 볼 수 있었다. 즉 확장판 선단부착구 사용 시 직경 400, 450, 500, 600mm일 경우 PHC말뚝 본체의 허용 부재력의 최대 163, 131, 139, 119%의 하중까지 지지할 수 있도록 설계한 사례들이 나타나 있었는데 이런 하중 단계에서는 PHC말뚝 본체의 파괴를 전제로 설계가 이루어 졌다고 볼 수 있었다.

        

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확장판 선단부착 PHC말뚝의 경우 축하중전이 측정이 수반된 연직압축 정재하시험을 실시하여 PHC말뚝의 연직하중지지 성능과 비교하면 연직하중지지력 증가 양상을 명확하게 분석할 수 있으며 현장에서 현행 경타 시공법으로 시공한 후 말뚝을 뽑아서 확장판 선단과 그것이 부착된 PHC말뚝을 관찰해보면 경타 시공에 따른 손상여부를 명확하게 확인할 수 있다(표 2 참조).

        

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6. 결언 및 제언

        

(1) 확장판 선단에서는 영구변형이 유발되어 원형을 유지하지 못하였고 확장판 선단이 부착된 PHC말뚝에서는 보수불가능한 수직 균열, 말뚝 하단부 파괴, 하부 보강밴드 손상 및 콘크리트 손상, 하부 보강밴드 상단 콘크리트 일부 탈락, 말뚝과 하부밴드 사이 벌어짐 등의 손상이 유발되었다.


(2) PHC말뚝, 확장판 선단부착 PHC말뚝, 강관 선단부착 PHC말뚝의 하중-침하량 거동은 거의 동일한 양상을 나타내었다. 따라서 말뚝이 선단지지층에 근입된 길이가 동일하고 말뚝의 직경이 동일할 경우 확장판 선단부착 PHC말뚝 및 강관 선단부착 PHC말뚝의 지지력 증대 효과는 거의 없는 것으로 나타났다.


(3) 확장판 선단부착 PHC말뚝의 경우 축하중전이 측정이 수반된 연직압축 정재하시험을 실시하여 PHC말뚝의 연직하중지지 성능과 비교하면 연직하중지지력의 증가 양상을 명확하게 분석할 수 있으며 현장에서 현행 경타 시공법으로 시공한 후 말뚝을 뽑아서 확장판 선단과 그것이 부착된 PHC말뚝을 관찰해보면 경타 시공에 따른 손상여부를 명확하게 확인할 수 있을 것으로 판단된다.


(4) 확장판 선단부착 PHC말뚝에 관한 기존의 연구들은 이론식에 의한 검토, 수치해석에 의한 검토, 기 수행된 동재하시험 및 단순 정재하시험 자료를 이용한 검토들이었다. 확장판 선단부착 PHC말뚝에서 지지력이 30% 이상 증가한다는 실증적 근거는 찾아볼 수가 없었다.


        


참고문헌

1. 김명학 & 최용규 (2018), 확장판 선단부착 PHC말뚝 및 볼트 수직이음을 사용한 PHC말뚝의 시공 중 건전성 확인을 위한 동재하시험의 적용성 및 변형시공법 PHC말뚝들의 올바른 검증시험에 관한 연구, 한국지반공학회 논문집, 제34권 제12호, 2018년 12월, pp. 115-131, ISSN 1229-2427.
2. 김명학 (2018a), 확장판선단부착PHC말뚝 및 볼트수직이음PHC말뚝의 안전한 시공법 개발 프로젝트 최종보고서, 인제대학교 산학협력단, 2018. 9., pp. 1-341.
3. 김명학 (2018b), 확장판선단부착PHC말뚝 및 볼트수직이음PHC말뚝의 안전한 시공법 개발 프로젝트 최종보고서 부록, 인제대학교 산학협력단, 2018. 9., pp. A-1-1-A-13-48.
4. 백규호 (2013), 스마트파일을 이용한 매입말뚝의 선단지지력 증대 기술, 건축구조, 2013년 9·10월호, 제20권 5호, pp. 72-78.
5. 이엑스티 브로셔 (2006), 이엑스티 파일(Ext-Pile)공법, 2014. 9, ㈜이엑스티
6. 정상섬, 김수일, 김홍택 (2011), Ext-Pile말뚝의 시공 및 설계검토 연구 용역 최종보고서, (사)한국지반공학회, KGS11-??, 2011. 1, pp. 1-75.
7. 천병식, 유충식, 이우진 (2009), Ext-Pile 공법 현장적용을 위한 재하시험 연구보고서, (사)한국지반공학회, KGS09-038, 2009. 3, pp. 1-118.
8. 최용규 & 김명학 (2018), 현장검증시험에 의한 선단변형 PHC말뚝들의 연직하중 지지특성에 관한 연구, 한국지반공학회 논문집, 제34권 제11호, 2018년 11월, pp. 107-119, ISSN 1229-2427.



저심도 개착터널의 대체공법으로서

급속 카린시안 공법(RCM) 적용 사례



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신 영 완
하경엔지니어링 사장
(geoeng@daum.net)
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문 경 선
하경엔지니어링 상무
(mks-good@nate.com)
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박 영 만
대림산업 현장대리인
(ym5055@daelim.co.kr)


1. 개 요


철도터널인 OO터널 저토피 구간 중 가시설 설치 후 개착터널 공법이 적용 계획된 중앙선 도담~영천 복선전철 제O공구 노반신설 기타공사 OO터널 굴착공법을 급속 카린시안공법(RCM, Rapid Carinthian cut-and-cover tunnelling Method)으로 변경설계한 사례를 소개하고자 한다.OO터널을 전통적인 방식의 가시설 설치 후 개착터널 공법으로 시공할 경우 공사기간이 길고, 공사기간 동안 OO마을 및 OO축협 한우프라자 진입로와의 시공간섭이 발생됨에 따라, 극심한 공사 중 민원이 예상되었다. 또한, 공사 전 용지매입 등 협의가 지연되어 계획공기보다 약 6개월 이상 착공이 늦어지고 있었고, 조기개통 요구로 OO터널 공사기간 단축이 필요한 상황이었다.따라서 OO터널 굴착공법 변경 및 갱구위치 조정에 의한 터널 연장 축소로 터널 안정성이 확보되고 시공성 및 경제성이 우수하며, 공사기간의 대폭적인 단축으로 민원을 최소화할 수 있는 대체공법이 요구되었다.본 고에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 개발된 급속 카린시안 공법(Rapid Carinthian cut-and-cover tunnelling Method, 급속 반개착 터널공법)의 적용사례에 대해 소개하고자 한다.


        

2. 기존 카린시안 공법 개요

        

국내에서는 주로 아칭효과가 발휘되지 못하는 저토피 구간이나 갱구부 구간에 대한 보조공법 등의 보강공법 연구와 환경훼손을 줄일 수 있는 방법으로 가시설을 이용한 방법 및 개착공기를 단축시킬 수 있는 프리캐스트 구조물을 이용한 방법에 대한 개착식 터널에 대한 연구가 주로 수행되어 왔다.


또한 최근 들어 NATM 또는 개착식 터널의 적용이 곤란한 저토피 및 갱구부 구간에 대한 카린시안(반개착) 터널굴착 공법 적용에 대한 관심이 증가되고 있다. 카린시안 터널굴착 공법은 터널 굴착부 상부 지반조건이 불량한 저토피 및 성토지반 등의 NATM 굴착 시 지반의 아칭효과를 기대하기 어려운 경우와 같은 지반조건에서의 상부지반 일부를 굴착하여 현장에 적합한 형상(아치형 또는 슬래브 형 등)의 콘크리트 구조물로 원지반과 결속 시공한 다음 굴착부를 되메움하고 터널내부를 굴착하는 방법으로 터널 굴착 시 아칭효과를 발휘하여 상부토압 감소 및 하중 분산이 가능하고 개착터널에 비해 원지반 훼손면적 축소와 시공성이 우수한 공법이다.기존 카린시안 터널굴착 공법은 Door frame slab를 이용한 공법(그림 1)으로 독일에서 처음 제안되어 유럽 및 일본 등에서 적용된 공법으로 시공순서는 그림 2와 같다.

        

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3. 지반 현황

        

과업지역 일대는 지체구조상 영남육괴에 해당하는 지역으로 화강암류(흑운모 화강암)가 광범위하게 분포하고 있으나, 정확한 시대를 추정하기 어려워 시대미상으로 분류된다. 또한, 광범위한 지역의 화강암 분포에도 불구하고 뚜렷한 규모의 구조선이 발견되지 않는 것으로 볼 때 차별응력(differential stress)이나 전단응력(shearing stress)에 지배되는 블록변위(block displacement) 발생은 없는 것으로 판단된다. 당초설계 시 OO터널에 대한 지층조건 파악을 위해 갱구부 및 본선구간에 대해 시추조사 5공을 계획하였으나 각종 민원으로 인해 2공만 수행되었으며 시추조사 위치는 그림 3과 같다.


시추조사 결과 표 1과 같이 매립층은 지표 하 1.8~2.4m의 층후로 분포하고, 풍화토층은 매립층 하부로부터 10.6~16.2m 층후를 나타내며, 풍화암층은 약 2.0m의 층후로 분포하는 것으로 확인되었다.지하수위 측정결과 지하수위는 시추심도 이하로 터널 계획고하 약 6.0~7.0m에 위치하는 것으로 확인되었다.

        

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4. 당초 설계 현황

        

본 과업구간에 해당하는 OO터널은 중앙선 도담∼영천 복선전철 제O공구 시점측에 위치하고 있다.


4.1 평면 및 종단 현황

        

본 과업구간인 OO터널은 낮은 토피조건 및 풍화토 이하의 매우 불량한 지반조건을 고려하여 당초설계 시 가시설 설치 후 개착터널 공법으로 계획되었다.또한, 평면선형 계획이 시도 14호선, OO축협 및 OO마을 진입로와 교차함에 따라 공사 중 기존 도로 및 사유지 점유를 최소화하기 위해 노선 좌·우측 모두 가시설을 설치하는 것으로 계획되었다.

        

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4.2 터널단면 현황

        

터널단면은 궤도 중심간격, 전차선 높이, 공동구 규격 등 단면을 구성하는 주요 요소를 모두 고려한 내공단면으로 계획되었다. 터널연장 300m이상 터널은 콘크리트 도상을 적용하되 입출구부 65m 구간은 접속부 자갈도상을 적용하고 터널연장 300m 미만인 경우는 자갈도상을 적용하였다. 본 과업구간인 OO터널은 가시설 설치 후 아치형 완전개착 공법이 적용된 구간으로 그림 5와 같이 곡선구간 및 자갈도상 단면에 해당된다. 개착터널 되메움 토피는 약 3.0m로 계획되었다.

        

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4.3 OO터널 당초설계 시공계획

        

OO터널은 개착공사 중 시도 14호선, OO축협 한우마을 및 OO마을 진입도로가 단절됨에 따라 우회도로 설치 및 주변영향 최소화를 위해 그림 6과 같이 가시설 설치, 구조물 설치, 가시설 철거, 되메우기의 단계별 시공계획을 수립하였다. 그러나 이는 가시설 설치로 경제성이 불리하고, OO축협 공사 중 주차면수 24대분의 감소가 불가피 함에 따라 민원이 발생한 문제점이 있었다.

        

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5. 현장여건 및 문제점

        

중앙선 도담∼영천 복선전철 제O공구 OO터널은 당초설계 시 원지반 토피고가 낮아 전구간 가시설 설치 후 개착터널 공법으로 계획되었다. 그러나 OO터널 공사는 용지매입을 위한 협의가 지연되어 계획공기보다 약 6개월 이상 착공이 늦어지고 조기개통 계획에 따라 공사기간 준수가 어려운 조건이었다. 또한, 당초설계 시 가시설을 이용한 개착터널 공법으로 계획되어 ① 우회도로 설치, ② 좌·우측 가시설 설치, ③ 굴착 및 가시설 지보재 설치, ④ 굴착 완료 후 구조물 시공, ⑤ 되메움 및 도로 복구의 순서로 구간별 단계 시공됨에 따라 시공공정이 복잡하여 시공성이 불량하고, 공사기간 단축이 곤란하며, 공사중 극심한 민원이 예상되었다.


따라서 OO터널에 대해 터널 안정성이 확보되고 공사기간 단축 및 민원발생 최소화가 가능하며, 시공성 및 경제성이 우수한 굴착공법 선정이 필요함에 따라 이에 대한 대체공법을 중점적으로 검토하였다.

        


6. 급속 카린시안 공법 설계

        

터널 굴착공법은 터널의 안정성, 경제성, 공기 등을 결정하는 중요한 요소이므로 터널단면의 크기, 형상, 지반조건 등을 종합적으로 검토하여 적절한 굴착방법 및 굴착공법을 결정하여야 한다. 당초설계에서는 OO터널의 원지반 토피가 낮아 전 구간 전통적인 방식의 개착터널 공법을 계획하고 구간별로 가시설 공법 및 깎기 비탈면을 계획하였으나, 공사기간이 길고 공사 중 민원이 지속적으로 발생될 것으로 예상되며, 가시설 시공성 및 경제성이 불리함에 따라 개선이 필요한 것으로 판단하였다.


따라서, 터널 안정성 확보가 가능하고 시공성이 우수하며 공기단축이 가능한 급속 반개착 공법(RCM, Rapid Carinthian cut-and-cover tunnelling Method) 적용 및 시공계획을 수립하였다.

        

6.1 터널 굴착공법 검토

        

OO터널에 대한 굴착공법 검토 결과, 당초설계 시 계획한 개착터널 공법과 기존의 카린시안 공법에 비해 강지보+숏크리트 아치를 적용한 급속 반개착 공법이 시공성, 경제성 및 공사기간 측면에서 전반적으로 우수한 것으로 판단되었다.


급속 반개착 공법은 개착공법에 비해 환경훼손 면적이 적고 개착공사 기간이 짧으며 경제성 및 공기단축 효과가 우수한 것으로 검토되었다. 또한, 기존의 콘크리트 아치 반개착 공법에 비해 콘크리트 구조물 미설치, 터널 상반 지보재 추가설치 및 터널상반 터널내 굴착이 불필요하여 시공성, 경제성 및 공기단축 효과가 우수한 것으로 판단되었다. 따라서 강지보+숏크리트의 지보력 발휘시간이 짧아 시공성 및 공사기간 단축효과가 우수하고 터널 내에서는 하반굴착만 필요함에 따라 굴착이 용이할 뿐만 아니라 민원을 최소화할 수 있는 급속 반개착 공법을 적용하였다.

        

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6.2 급속 카린시안 공법 개요

        

OO터널에 적용되는 강지보+숏크리트 아치구조물을 이용한 급속 반개착 공법은 굴착 후 강지보+숏크리트의 일체형 아치구조를 형성하여 상부 되메움 하중을 지지하는 상태에서 터널 하반을 굴착한 후 콘크리트 라이닝을 시공하여 지하시설물을 설치하는 공법으로 일반적인 시공 순서는 ① 터널 상반까지 개착 및 강지보 기초부 터파기, ② 강지보 설치 및 기초 콘크리트 타설, ③ 숏크리트 타설, ④ 되메움 실시, ⑤ 터널 하반 굴착 및 지보재 설치, ⑥ 콘크리트 라이닝 설치와 같다.


강지보+숏크리트 아치구조물을 이용한 급속 반개착 공법의 주요 특징을 설명하면, 강지보 및 숏크리트 적용에 따라 시공이 간편하고 지보력 발휘 시간이 짧아 공사기간 단축효과가 매우 우수함에 따라 일반 개착공법이나 기존 반개착(카린시안) 공법에 비해 민원발생 최소화가 가능하다. 강지보 기초부 사부재 및 기초 콘크리트 타설을 통해 구조적인 취약점 보완 및 침하에 대한 저항성을 증대시킬 수 있다.필요한 경우 하부에 지지말뚝을 설치함으로써 기초지지력을 증대시키고 하반굴착 시 침하영향을 최소화 할 수 있다. 굴착공사 시 터널 상반까지 굴착하여 터널 내에서는 하반만 굴착하고 터널 상반 아치구조물에 하반 지보재의 연결이 용이하고 연속적인 시공이 가능하여 시공성 및 안정성 확보에 유리하다.


기존의 콘크리트 아치 반개착 공법 대비 터널 내에서 상반에 대한 굴착 및 지보재 추가설치 등의 공종이 필요 없어 시공성, 경제성 및 공사기간에 유리하다. 강지보+숏크리트 아치구조물을 이용한 급속 반개착 공법의 보강 개요도는 그림 7과 같다.

        

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7. 급속 카린시안 공법 안정성 검토

        

7.1 검토 개요

        

본 절에서는 급속 반개착 공법의 강지보+숏크리트 아치구조물 시공 후 되메움 시 OO터널 안정성이 충분히 확보될 수 있도록 강지보(H-형 강지보)의 적정 규격 및 기초부 보강 형식을 검토하였다. 강지보의 설치 간격은 지반조건인 풍화토임을 고려하여 당초설계 PD-6-1(토사 및 풍화암)의 지보설치간격과 동일하게 0.8m로 설정한 상태에서 강지보 적정규격 검토를 수행하였다. 강지보 적정 규격 및 기초부 보강형식을 위한 검토 시, 설계에서 예상할 수 없는 숏크리트의 비균질한 타설조건 및 균열에 의한 지보력 감소를 고려하여 되메움 하중을 강지보가 모두 지지하는 안전측 검토를 수행하고 해석 방법은 하중 조건 특성에 대한 모사가 용이한 빔-스프링 모델을 활용한 구조해석 방법을 적용하였다.또한, 구조해석으로 결정된 강지보 규격 및 기초부 보강형식에 대해 터널 주변지반과 지보재의 상호작용 및 시공단계를 고려할 수 있는  지반-구조물 상호작용을 고려한 연속체 수치해석을 이용하여 적정성을 검증하였다.

        

7.2 적용 하중

        

본 검토 시 적용된 연직하중과 수평하중은 되메움 하중 높이 2.0m와 H-형 강지보의 종방향 설치간격 0.8m를 고려하여 산정하였다(표 4 및 그림 8).

        

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7.3 H-형 강지보 규격 검토

        

본 절에서는 H-형 강지보의 적정규격을 선정하기 위해 구조검토를 수행하고 허용응력을 만족하는 규격을 선정하였으며 검토 case는 표 5와 같다.H-형 강지보 규격(H-125, H-150)별 구조검토 결과는 표 6과 같으며 H-125의 경우 휨압축응력이 허용응력(210MPa)을 초과하는 것으로 검토되었다. 반면, H-150의 경우 휨압축응력 및 전단응력 모두 허용응력 이내로 상부 되메움 시 강지보 안정성을 확보하는 것으로 검토되어 이를 설계에 반영하였다. 그러나 H-150 적용 시 강지보 기초부의 경우 휨압축응력이 허용응력에 가까운 상태로 검토되어, 안전율 증대를 위해 추가적인 보강이 필요한 것으로 판단되었다.

        

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8. 표준 지보패턴 선정 결과

        

OO터널 굴착공법 변경에 따른 표준 지보패턴 및 구간별 지보패턴 적용 계획은 표 7및 그림 9와 같다.

        

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9. 결론

        

터널연장 202.0m의 복선터널로 계획된 중앙선 도담~영천 복선전철 제O공구 OO터널은 설계속도 250km/h의 곡선단면으로 가시설 설치 후 개착터널로 계획되었다. 그러나 OO터널은 전반적으로 토피고가 낮고 시추조사 결과 매립층은 지표하 1.8~2.4m의 층후로 분포하고, 풍화토층은 매립층 하부로부터 10.6~16.2m 층후를 나타내며, 풍화암층은 약 2.0m의 층후로 분포하는 것으로 확인되었다. 터널 주변 지반은 전 구간 풍화토 조건이었다. 당초설계 시 낮은 토피고와 풍화토 지반조건을 고려하여 전 구간 개착터널로 계획하였으나 협의지연에 따라 계획공기보다 6개월 이상 착공이 늦어지는 상황이었다.


또한, 당초설계 시 가시설을 이용한 개착터널 공법으로 계획되어 ① 우회도로 설치, ② 좌·우측 가시설 설치, ③ 굴착 및 가시설 지보재 설치, ④ 굴착 완료 후 구조물 시공, ⑤ 되메움 및 도로 복구의 순서로 구간별 단계 시공됨에 따라 시공공정이 복잡하여 시공성이 불량하고, 공사기간 단축이 곤란하며, 공사 중 극심한 민원이 예상됨에 따라 굴착공법 변경이 요구되었다. 따라서, OO터널 시공여건, 지반조건 및 지장물 현황 등을 종합적으로 고려하여 당초 개착터널 공법을 강지보+숏크리트 아치를 적용한 급속 반개착 공법으로 변경계획하였다.터널 주변 지반조건 및 주요지장물 현황을 고려한 대표단면에 대해 연속체 수치해석을 통한 변경 굴착계획 적정성 평가 결과, 지보재 부재력 및 응력은 허용값을 모두 만족하여 터널의 구조적 안정성을 확보하는 것으로 검토되었다. 또한, 시도 14호선 및 현장사무소에 대한 손상도 평가 결과 경미한 것으로 검토되어 주변 지장물 안정성을 확보하는 것으로 검토되었다.


과업구간에 대한 내진 안정성 검토 결과 철근 보강을 통한 설계강도가 지진하중으로 인해 발생하는 계수강도 이상으로 충분한 안정성을 확보하는 것으로 검토되었다.

        


참고문헌

1. 강기돈, 송치용, 이종성, 이재찬(2008), ‘카린시안공법(Carinthian cut-and-cover method) 및 그 시공사례’, 한국지반공학회, 지반(학회지), 제 24권, 제7호, pp.40-45.
2. 신영완, 문경선(2018), ‘고성능 지보재를 활용한 급속 카린시안 공법 적용 사례’, 한국터널지하공간학회, 학회지, 제20권, 제3호, pp.33-43.
3. 한국철도시설공단(2018), 중앙선 OO-OO 복선전철 제O공구 노반신설 기타공사 OO터널 굴착공법 변경설계 보고서
4.
http://projects.dr-sauer.com


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