[20년01월] 12. 재래식터널 콘크리트라이닝 개량 방안

 

Concrete lining reinforcement design was performed to widen tunnel space to satisfy some facility limits for the highway tunnel constructed by the conventional tunneling method(ASSM) in 1969. Reinforcement design considered the conventional tunnel design, construction technology at that time, geological conditions such as shale and local characters, long-term tunnel durability and seismic stabilities. Concrete lining was designed by using the empirical method and numerical analysis with the equations of rock loads respectively. In particular, rock loads were calculated with the local safety factor and stress transfer effects considering the deterioration condition of the existing lining. The new concrete lining was designed based on the results of the rock loads.

 

 

 

 

이재국 상무(토질및기초기술사), 지반부(jklee6906@hanmail.net)

양유홍 부장(토질및기초기술사), 지반부(yhyang@samaneng.com)

이진웅 대리, 지반부(jwlee@samaneng.com)

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1. 서론

경부고속도로 언양~영천 확장공사는 1969년 개통된 경부고속도로 대구-부산 4차로 구간을 6차로로 확장하는 사업으로 울산 울주군 동부리에서 경북 영천 본촌동에 이르는 55.03km 구간이다(Fig 1. 참조). 경주터널은 1969년 재래식 터널 공법(ASSM)으로 공사가 완료되었다. 터널 연장은 부산방향 152m이며, 서울방향은 132m이다. 갱문형식은 면벽식으로 되어 있다. 언양~영천 확장공사를 통해 부산방향의 경우에는 3차로 터널을 신설하여 확장공사 당시 차량이 통행 중에 있었다. 기존 경주터널은 터널 내부 타일 파손 등 이용차량의 긁힘이 발생하고 있는 것으로 조사되었으며 터널 내에는 일부 누수 및 열화 등으로 인해 내부 콘크리트라이닝에 대한 보강 대책이 필요한 것으로 파악되었다.

 

Fig. 1. 경주터널 위치

 

Fig. 2. 언양-영천간 확장공사 경주터널구간

 

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2. 아화터널 설계 및 시공현황

경부고속도로 건설지에 의하면 아화터널은 전체 폭원은 10.3m, 높이는 6.85m로 계획하였다(Fig 3. 참조). 차로 폭원은 2차로 7.2m이며 좌측 및 우측 길어깨폭은 1.0m이다. 측구를 좌우측 각각 0.70m로 설치하였으며 시설한계 폭과 높이는 9.2m(1.0+3.6+3.6+1.0)와 4.5m로 계획 하였다. 터널 내공단면은 반경 5.15m의 원형단면으로 하였다.

터널굴착공법은 재래식 터널 공법을 적용하였고 상부반단면, 정설 도갱 방식으로 시공하였다(Fig 4. 참조). 건설지에 의하면 하행선(부산방향) 서측에는 국부적으로 지표면까지 함몰되는 일이 있었으며 상행선의 경우에는 약 272m에 이르는 구간에 연속 3회의 붕락사고가 있었다고 되어 있다.

콘크리트라이닝은 두께 60cm 이상으로 시공하였으며 골재의 최대치수는 35mm 이하로 하였다. 콘크리트라이닝의 압축강도는 당초 130kg/㎠였으나 공사중 측압으로 인한 균열이 발생하게 되어 강도를 170kg/㎠로 상향시켜 시공하였다.

 

Fig. 3. 아화터널 설계당시 내공단면 (경부고속도로 건설지, 1969)

 

Fig. 4. 아화터널 굴착공법 (경부고속도로 건설지, 1969)

 

 

콘크리트라이닝은 원형 강봉(Φ216.3mm)의 아치형태의 강지보재를 라이닝 배면에 설치하고 강지보재가 토피하중을 받는 개념으로 설계하였다(Fig 5. 참조). 토피하중은 3m가 작용하는 것으로 보고 암반의 단위중량을 2.5t/㎥으로 보았다. 지보재 설계 개념은 Procter and White Rock Tunnelling with Steel Support 방법으로 하였다(Fig 6. 참조).

 

Fig. 5. 강지보재에 작용하는 토피하중 개념 (경부고속도로 건설지, 1969)

 

Fig. 6. 콘크리트라이닝 설계개념 (Procter and White, 1946)

 

 

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3. 콘크리트라이닝 보강현황

 

1985년에 터널 내측으로 20∼40cm 두께의 콘크리트라이닝을 기존 콘크리트라이닝에 추가로 설치하였다(Fig 7. 참조). 내측에 콘크리트라이닝을 설치한 이유는 누수, 동해, 콘크리트라이닝 열화를 고려하여 보강개념으로 실시한 것으로 파악된다. 내부 콘크리트라이닝 철거시 확인한 결과 내부콘크리트와 기존 콘크리트라이닝 사이에 골함석이 설치되어 있었으며 이는 누수를 방지하기 위해 설치한 것으로 보인다. 내부 콘크리트라이닝은 평균 30cm 두께로 무근이며 내공단면 측량결과 부산방향 및 서울방향 모두 단면이 일정하지 않고 단면의 변화가 많았다.

 

Fig. 7. 경주터널 내부 콘크리트 보강 (정밀안전진단보고서, 2010)

 

 

2010년 정밀안전진단을 수행하였으며 평가결과 안전등급은 B등급으로 평가하였다. 긴급을 요하는 문제점은 없으며 발생된 손상에 대한 내구성 확보차원의 보수 및 지속적인 유지관리를 수행하면 도로터널(2종 시설물)의 기능을 확보할 수 있을 것으로 판단하였다. 그러나 내부 콘크리트라이닝에 대한 조사결과 기존 콘크리트라이닝 두께가 부족한 구간이 다수 있었고 일부 구간에서는 콘크리트라이닝의 강도가 약화되어 거의 토사화 되어 있었다. 또한 내부 콘크리트라이닝과 기존 콘크리트라이닝 사이에는 빈 공간이 다수 존재하고 있는 등 내부 콘크리트라이닝은 구조적인 역할을 크게 기대하지 못하고 있었으며 기존 콘크리트라이닝도 보강이 필요한 것으로 확인되었다. 즉 1985년에 설치한 내부 콘크리트라이닝은 구조적인 역할보다는 누수 방지를 위해 설치된 구조물인 것으로 판단된다.

 

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4. 기존 경주터널 보강계획

 

4.1 경주터널 보강 필요성 검토

 

터널설계기준(2007, 국토교통부)에 의하면 콘크리트라이닝은 내구연한 동안 구조체로서의 역학적 기능을 보유하도록 하도록 하고 있으며 일반적으로 터널은 100년 이상의 구조물로서 안정한 상태로 유지하여야 하도록 유지관리하고 있다. 그러나 기존 경주터널은 1969년에 재래식 터널공법으로 시공된 콘크리트라이닝은 이미 약 50년 경과한 상태이다. 경주터널 주변지반은 신생대 퇴적암으로 지질학적으로 취약한 셰일 등으로 되어 있다.

기존 경주터널 시공시 다수의 붕락 등이 발생하였으며 터널의 안정성에 불리한 지반조건인 것으로 나타나 장기적인 터널의 안정성을 확보하기 위한 근본적인 대책이 필요한 것으로 분석되었다.

별도로 터널을 신설하게 될 경우에는 공사비 및 공사기간이 과다하게 소요되어 기존 경주터널을 단계별 소통계획을 수립하여 보수 및 보강을 하게 되면 교통정체를 최소화 할 수 있고 특히 최근 경주, 포항 지진 등이 발생하여 지진시 터널의 안정성 확보를 위해서 보강 이 필요한 것으로 검토되었다.

또한 기존 콘크리트라이닝과 내부콘크리트라이닝 사이에 골함석으로 설치되어 있어 구조적으로 일체화 되어 있지 않고 분리된 구조로써 균열이 발생한 부위는 향후 지진시, 대형 차량 등에 의한 충돌시 콘크리트 블록이 탈락될 가능성이 있어 블록 탈락으로 인한 사고 가능성이 발생할 가능성이 높은 것으로 조사되었다.

따라서, 내부 콘크리트라이닝을 제거하고 구조검토를 통해 신설 내부콘크리트라이닝을 설치하여 장기적인 내구성과 함께 터널의 안정성을 확보할 수 있도록 설계를 수행하였다.

 

 

4.2 경주터널 콘크리트라이닝 설계 방향

 

재래식 터널공법으로 건설된 경주터널에 대해 내부 콘크리트라이닝을 철거하고 신설 콘크리트라이닝 설치에 다음과 같은 개념으로 수행하였다.

 

1) 재래식 터널공법으로 시공된 60cm 두께의 기존 콘크리트라이닝의 기능과 역할 정립

2) 내부콘크리트라이닝의 압축강도, 열화 및 누수, 당시 시공 상황 등 고려

3) 신설 콘크리트라이닝 설계를 위한 지반이완 하중 산정 방법

4) 최근 경주, 포항지역에 발생한 지진에 대한 안정성

 

Fig. 8. 경주터널 터널단면

 

 

1969년도에 설치된 콘크리트라이닝은 압축강도가 17MPa에 지나지 않으며 당시의 시공 상황과 50년 이상 경과년수를 고려하였다. 기존 콘크리트라이닝의 강도저하별 터널 안정성 검토를 수행한 결과 장기적으로 터널의 안정성 확보를 위해 별도의 보강이 필요한 것으로 검토되었다. 별도로 내부 콘크리트라이닝을 보강하는 방법도 있으나 기존 콘크리트라이닝과 내부 콘크리트라이닝의 시공상황, 당시 시공기술 등을 고려하고 임시 구조물이 아닌 장기 내구연한을 확보해야 하므로 내부 콘크리트라이닝을 철거하고 새롭게 설치하는 방안으로 결정하였다.

기존 경주터널 콘크리트라이닝 설치는 내부콘크리트라이닝과 기존 콘크리트라이닝 부착성은 기존 콘크리트라이닝이 약 50년 이상 경과한 터널로써 장기 내구성을 확보하기 어렵다고 판단되었다. 따라서 부직포와 방수막을 설치하고 콘크리트라이닝을 설치하는 방안으로 하여 시공성, 안정성, 유지관리 측면에서 유리한 방법인 분리구조를 적용하는 것이 타당할 것으로 판단되어 별도로 내부 콘크리트라이닝을 설치하는 것으로 계획하였다.

내공단면은 내공단면 측량결과에 따라 시설한계 저촉여부, 시설한계 여유 등을 고려하여 단면을 선정하였다(Fig 8. 참조).

배수계획은 기존 콘크리트 내부로 유출되는 지하수의 경우 부직포+방수막을 통해 좌우 측벽부 하부에 필터 콘크리트 및 유공관을 설치하고 종방향 배수관을 통해 지하수 처리하도록 하였다(Fig 9. 참조). 기존 콘크리트라이닝에서 설치한 배수관은 종방향 배수관을 설치하여 연결하도록 하였다. 터널 바닥부 지하수는 하부 맹암거를 설치하여 배수하도록 하였다.

 

Fig. 9. 기존 경주터널 배수계획

 

내공단면 고정부분을 유지하고 기존 콘크리트라이닝 단면 변화부의 경우 Variable 처리하는 개념으로 시공하였다. 도로중심선을 기준으로 편구배를 확인하고 시공하였다. 기존 콘크리트라이닝에서 유도 배수하는 배수공은 신설하는 배수관과 종방향 배수관이 연결되도록 하였다.

곡선구간인 서울방향의 경우 내공단면 측량결과 전술한 바와 같이 내공단면의 변화가 심하고 일부 내공단면 부족구간이 발생한 구간을 고려하여 부산방향의 경우 1심원을 적용하였으나 내공단면 확보를 위해 3심원으로 단면을 계획하였다.

 

4.3 신설 콘크리트라이닝 설계를 위한 이완하중 산정

 

1) 국부안전율에 의한 이완하중 산정결과

터널 수치해석을 수행하면 터널 굴착면 주변의 변위, 지반응력, 부재력, 그리고 변형률 등 다양한 해석결과를 분석할 수 있다. 터널 굴착에 따른 지반이완영역을 산정하기 위해서는 해석결과와 비교하여 이완영역을 판단할 수 있는 기준이 필요하다. You and Lee (2007, 2008)는 지반강도와 실제 발생되는 지반응력 간의 비율인 국부안전율 (strength-stress ratio)을 정의하고, 국부안전율이 2~3에 존재하는 영역을 경계로 지반이완하중을 결정하였다.

Yoo et al. (2008) 등에 의한 연구는 수치해석을 통해 터널 주변의 국부안전율을 결정하고 국부안전율이 2~3에 존재하는 영역을 경계로 지반이완하중고를 결정하였다. 여기서 국부안전율이란 지반강도와 실제 발생되는 지반응력 간의 비율( )이다. 다음의 그림과 같이 해석영역의 각 요소가 얼마나 파괴에 가까운가를 설명하는 데에는 효과적이며, 터널의 안정성 해석 시 굴착으로 인해 발생한 터널 주면부의 파괴영역이나 양상, 보강이 필요한 부분을 찾아내는 데에 효과적으로 사용될 수 있다(Yoo et al, 2000).

 

Fig. 10. 국부안전율에 의한 지반 이완하중고 (Yoo et al, 2000)

 

기존 콘크리트라이닝의 압축강도가 최대 90%까지 열화된다는 조건을 가정하여 터널안정성 해석을 수행하였으며 그 결과를 이용하여 국부안전율에 의한 이완하중고를 산정하였다. 굴착시 이완하중고는 1.0m이하인 것으로 산정되었으나 열화가 90% 진전될 경우에는 이완하중고가 2.69m로 증가하는 것으로 나타났다.

 

Table 1. 국부안전율에 의한 이완하중고(Hp) 산정

2) 응력전이비(e)에 의한 지반이완 하중 산정

Yang et al. (2015)은 터널 수치해석을 수행하여 터널 굴착면 주변의 최대주응력 차이에 대한 응력전이를 제시하고, 터널 굴착면 주변에서의 응력아치에 대해 지반조건, 터널형상의 비에 대한 응력상태를 분석하였다.

아래 그림과 같이 터널 주변에서의 응력전이효과로 인해 최소주응력은 굴착면에서 0이 되나 굴착면에서 멀어질수록 응력값은 점차 증가하게 된다. 반면, 최대주응력은 굴착면에서 원지반으로 이동될수록 최대값까지 증가하다가 다시 감소하게 된다. 이러한 지반아치현상은 터널 굴착면 주변에서 발생하게 되며 천장부와 측벽부에서도 나타난다.

굴착된 터널 굴착면 주변 아치의 모양은 다양하며 터널 굴착면 주변의 최대주응력의 최대점 A와 그 밖의 응력은 점차 수렴하게 된다. A 영역까지를 굴착에 의해 발생한 소성영역으로 보고 있다. A 영역을 벗어나게 되면 반경방향과 법선방향의 응력이 유사하게 수렴되는데 소성영역을 벗어난 탄성영역내의 범위 B까지의 영역을 지반아치가 작용하는 것으로 보았다.

이때 최대주응력과 최소주응력의 차이에 대한 최대 주응력과의 비를 식 (1)과 같이 응력전이비(e)로 정의하였다.

응력전이비(e)가 10% 일 때 점 B에 해당하는 경계를 지반아치가 작용하는 것으로 보았다. Rankine 이론과 같이 전단파괴 영역범위인 β는 45+ /2와 같이 정의되며 (여기서, 는 지반의 내부 마찰각), 주변 지반의 내부 마찰각과의 관계로 콘크리트라이닝에 작용하는 하중의 영역으로 보았다.

 

Fig. 11. 응력아치의 경계 (Yang et al, 2015)

 

 

기존 콘크리트라이닝의 압축강도가 최대 90%까지 열화된다는 조건을 가정하여 터널안정성 해석을 수행하였으며 그 결과를 이용하여 응력전이효과에 의한 이완하중고를 산정하였다. 이완하중고는 1.0m 이하인 것으로 산정되었으나 열화가 90% 진전될 경우에는 이완하중고가 3.64m로 증가하는 것으로 나타났다.

 

 

Table 2. 응력전이비(e)에 의한 이완하중고(Hp) 산정

3) Terzaghi 암반분류표에 의한 지반이완 하중 산정

통상적으로 콘크리트라이닝 설계에 적용하는 Terzaghi 암반분류표에 의한 지반이완하중 산정방법을 이용하였다. 이 방법은 지반조건을 어느정도 고려할 수 있으나 지보재, 굴착방법, 시공조건을 고려할 수가 없으며 다소 보수적으로 이완하중고가 다른 방법 보다 크게 산정되는 특징이 있다. 특히 열화 진행에 따른 이완하중고 변화에 대해서는 고려할 수 없어서 당초 조건인 지반조건을 고려하여 산정하였다.

Terzaghi 암반분류표의 5번에 해당하는 식이며 터널 굴착에 의해 적용되는 하중이 아닌 기존 경주터널의 라이닝이 이완하중을 지지해주므로 0.4(B + Ht)를 적용하였다.

 

이완하중 산정결과, Terzaghi 암반분류표에 의한 이완하중이 가장 보수적이며, 구 경주터널의 노후화를 고려하여 Terzaghi 이완하중을 적용하였다.

 

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5. 기존 경주터널 내부 콘크리트라이닝 철거 및 신설

 

2018년 7월부터 부산방향 터널부터 내부 콘크리트라이닝 철거를 시작으로 하여 10월에 서울방향 내부 콘크리트라이닝 철거를 완료하였다. 철거 중 기존 콘크리트라이닝과 내부콘크리트라이닝 사이에는 배수를 위해 설치한 골함석을 확인할 수 있었다(Fig 12. 참조).

Fig. 12. 기존 경주터널 내부 콘크리트 라이닝 철거

 

 

신설 내부콘크리트라이닝은 콘크리트라이닝 구조계산에 의거하여 계산을 수행하였으며 30cm 두께로 압축강도 27MPa로 강재거푸집을 이용하여 설치하였다(Fig 13. 참조).

 

Fig. 13. 신설 내부콘크리트라이닝 설치 후 전경

 

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6. 결론

 

1969년에 ASSM공법으로 건설된 경주터널에 대해 1985년에 내부 콘크리트라이닝을 설치한 이후 일부 시설한계가 저촉되어 내부 콘크리트라이닝을 제거한 이후 시설한계를 만족하는 내부 콘크리트라이닝 보강설계를 수행하였다.

기존 경주터널 보강설계는 당초 재래식 터널설계 현황, 당시 시공기술, 셰일 등 경주지역의 지질적인 특성, 장기적인 터널의 내구성 확보, 지진시 안정성 확보 등을 고려하였다. 현장에서 입수한 내공단면 측량자료 및 관련 자료를 검토한 결과 각 단면별로 내공단면이 차이가 있어 단면차이를 고려한 내공단면을 계획하였다. 내부 콘크리트라이닝 설계는 기존 경험식과 수치해석적인 방법에 의해 각각 이완하중을 산정하여 설계에 반영하였다.

금번 경주터널 콘크리트라이닝 보강설계를 통해 재래식 터널공법으로 건설된 터널 보강설계 개념정립 및 보강 시공에 도움이 되었으면 한다.

 

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Reference

 

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