1. 서 론
2. 이론적 배경
2.1 겉보기 탄성계수
2.2 터널 막장 안정성 평가 방법
2.3 터널 막장 안정성 평가 다이어그램
3. 터널 붕괴현장 사례
3.1 풍화된 암반층에서의 터널 굴착 (Case-A)
3.2 미고결 사질토 지반에서의 터널 굴착 (Case-B)
4. 터널 안정성 평가 사례분석
4.1 풍화된 암반층에서의 터널 굴착 (Case-A)
4.2 미고결 사질토 지반에서의 터널 굴착 (Case-B)
5. 결 론
1. 서 론
도심지 및 하저터널 구간의 터널공법으로 널리 사용되는 NATM 터널링이나 쉴드 터널링의 안정성 평가에 관한 연구는 꾸준히 발표되고 있다(Kim et al., 2006; Jeong et al., 2018; Kwon et al., 2022; 2023). 국내 터널 시공의 경우 쉴드공법에 비해 경제성과 단면 적용성이 우수한 NATM 터널 굴착공법이 일찍이 도심지 터널 굴착공법으로서 주목받게 되었다. NATM 터널 굴착공법은 산악터널을 대상으로 개발된 공법이므로 도심지 터널에 적용하는 경우 토피가 얕고, 지하수가 존재하는 풍화된 지반 또는 미고결 지반을 고려해야 한다. 이러한 지반 환경에서 터널의 막장 자립은 당연히 불리하게 되며, 이를 위해 지반보강이나 지하수위 억제와 같은 보강공법 또는 보조공법이 적용된다.
도심지에서의 불안정한 지반 조건에 NATM 굴착공법을 활용한 터널 시공 시 고려할 사항으로는 막장 안정성, 높은 지하수위에 대한 대책, 지반평가, 주변 시설물의 안정성 평가 등이 있다. 불안정한 지반 조건은 터널 굴착 시 막장의 자립성 저하로 인해 시공이 어렵고, 주변 구조물과 터널 자체 안정성을 위협한다. 따라서, 터널의 주지보재인 숏크리트, 락볼트, 강지보재와 병용하여 안전하고 효율적인 도심지 터널 시공을 위해 보조공법과 단면 분할 굴착공법이 개발되었다. 도심지 터널에 있어 보조공법과 단면 분할 굴착공법의 적용에 있어 가장 고려해야 할 부분이 경제성 문제이기에 도심지 터널의 시공에 NATM 공법을 보다 활발히 적용하기 위해서는 앞서 설명한 막장 안정성, 지반평가, 지하수 문제, 주변 구조물의 안정성과 함께 공사비의 감소를 위한 굴착공법과 보조공법의 조합 방법에 관한 연구가 필요한 실정이다.
하중계수 ‘N’을 활용하여 점착성 지반 즉, 내부마찰각이 ‘0’인 지반 환경의 막장 안정성에 관한 많은 연구가 보고되고 있다(Broms and Bennermark, 1967; Peck, 1969; Schofield, 1980). 또한, Mashimo et al.(1993)은 용수의 유출이 없는 지반의 터널 막장에 대하여 모형실험뿐만 아니라 2차원, 3차원 수치해석 방법을 활용하여 막장 안정지수라는 개념을 발표하였다. 일본 농림성(MAFF, 1975)은 원지반 일축압축강도(qu), 토피(h), 그리고 단위중량(γ)을 활용한 지반강도비를 제안하여 암반의 평가 및 지보설계를 위한 값으로 사용하였다. 막장의 안정성 평가에 있어서 터널 변위를 직경에 대비하여 원지반의 강도 특성의 관계를 이용하는 연구도 보고되고 있다(Hoek, 1998; 2001; Sakurai, 1982; 1997; Taromi et al., 2017). Sakurai(1982; 1997)는 비교적 신뢰성 높은 계측이 가능한 현장의 천단 변위 및 내공 변위를 활용하여 측정된 변위로부터 터널 주변에서 발생하는 암반 변형률을 추정하고, 추정된 암반 변형률을 실내실험을 통해 획득한 암석의 한계변형률 및 파괴변형률과 비교하는 안정성을 평가 방법인 직접변형률 평가법을 제안하였다. 직접변형률 평가 방법과 관련된 인자는 터널 주변 지반 일축압축강도와 천단변형률이며, 현장에서는 천단변형률을 한계변형률로 고려하여 적용된다. 또한, 최근 기술의 발전으로 인해 터널의 안정성 평가에 수치해석이나 인공지능을 활용한 연구가 진행되고 있다(Ghiasi and Koushki, 2020; Kumar and Chauhan, 2023). 이런 수치해석이나 인공지능을 활용한 연구의 경우, 무엇보다도 결과 검증의 신뢰성에 있어 터널 붕괴 현장 자료를 활용한 사례 연구는 터널 시공 시 뿐만 아니라 터널을 운용하는 과정에서 터널 안전 및 구조 안정성을 향상하는 데 중요한 역할을 한다.
본 연구에서는 기존 터널의 안정성 평가 방법의 타당성과 신뢰성을 검증하기 위하여 불안정한 지반에서의 전형적인 두 가지 붕락 사례를 소개하고 일반적으로 많이 적용되고 있는 터널 막장 안정성 평가 방법 즉, 하중계수에 의한 방법, 막장 안정지수에 의한 방법, 지반강도비에 의한 방법, 겉보기 탄성계수와 천단변형률에 의한 방법, 일축압축강도와 한계변형률에 의한 방법, 지하수위에 의한 방법으로 두 붕락 터널을 대상으로 터널 막장 안정성을 평가하고 다이어그램을 활용한 평가 방법의 실효성을 평가 분석하였다.
2. 이론적 배경
2.1 겉보기 탄성계수
(1) 겉보기 물성치 개념
겉보기 물성치는 터널 시공 중에 발생하는 지반의 변위를 나타내며, 지반이 압축되거나 인장되는 정도를 의미한다. Timoshenko and Goodier(1970)은 터널의 지반을 무한 탄성지반으로 가정하여 Eq. (1)을 활용하여 터널의 변위를 구하였다. Fig. 1은 무한지반에서의 탄성해석을 위한 터널 개념도를 나타낸 것이다.
여기서, θ는 터널 중심을 통과하여 수평축으로부터의 계산된 지점까지의 각도이다.
원형터널의 천단변위와 내공변위는 Eq. (1)로부터 Eqs. (2)와 (3)으로 간단히 나타낼 수 있다.
여기서, Uc는 터널의 반경 방향 내공변위, Uh는 터널의 반경 방향 천단변위를 나타내며, E는 대상 암반의 탄성계수, K0는 원지반의 토압계수 그리고 γ은 지반의 단위중량을 나타낸다.
여기서, Ec'와 Eh'는 계측된 내공변위와 천단변위에 대한 겉보기 탄성계수이며, Uc와 Uh는 실제 현장에서 계측된 내공 및 천단변위값을 의미한다. Eqs. (4)와 (5)의 겉보기 측압계수(K0')는 Eq. (6)과같이 구할 수 있다.
겉보기 탄성계수를 구하는 방정식은 다음 Eq. (7)과 같다.
여기서, Es'는 겉보기 탄성계수, Umax는 최대 지표침하, h0는 토피고, r0는 터널 반경, γ는 원지반의 단위중량, 그리고 υ는 포아송비를 나타낸다. 겉보기 탄성계수를 이용하여 터널 시공 중 또는 터널 운영 중에 지반의 변화를 예측할 수 있으며, 지반의 응력과 변형을 모니터링하고 터널 구조물의 안정성 및 성능을 향상하는 데 활용된다.
2.2 터널 막장 안정성 평가 방법
기존의 경험적 수식 중 터널 막장 안정성 평가를 위해 일반적으로 많이 적용되고 있는 방법에는 다음과 같은 방법들이 있다.
(1) 하중계수에 의한 방법
하중계수를 막장 안정성 평가 지표로 사용하기 위해 Eq. (8)과 같이 제안되었다(Broms and Bennermark, 1967; Peck, 1969; Schofield, 1980).
여기서, c는 지반의 점착력, γ는 지반의 단위중량, R은 굴착면의 반지름, h는 천단에서 지표면까지의 높이, Pa는 터널의 지보압을 나타낸다. 대상터널에서 Eq. (8)을 활용하여 획득한 하중계수 ‘N’과 한계값 ‘Nc’을 비교하여 막장의 안정성을 평가한다. 한계값 ‘Nc’에 대하여 5-7 정도의 값을 보고하고 있다(Broms and Bennermark, 1967; Peck, 1969). 그리고 Schofield(1980)은 지보재로부터 막장까지의 거리(d)와 터널 천단에서 지표까지의 높이(h)를 고려하여 Fig. 2를 제안하였다.
(2) 막장 안정지수에 의한 방법
용수의 유출이 없는 지반의 막장 안정성의 경우 모형실험과 2차원, 3차원 수치해석 결과를 활용하여 다음 Eq. (9)와 같이 막장 안정지수 ‘Fc’를 제안하였다(Mashimo et al., 1993).
여기서, c는 지반의 점착력, D는 굴착 터널의 직경 그리고 γ는 지반의 단위중량을 나타낸다. 용수의 유출이 없을 시 무차원량 ‘c/(γD)’가 막장의 안정성을 평가 지표로 활용되며, 그 지표가 0.13-0.16 이상이면 막장은 안정하다고 평가한다.
(3) 지반강도비에 의한 평가 방법
일본 농림성(MAFF, 1975)은 원지반의 일축압축강도(qu), 토피(h) 그리고 단위중량(γ)을 지반강도비 ‘Fg’로 표현하여 암반 평가 및 지보설계를 위한 지표로 사용하였으며, 지반강도비를 나타내는 수식은 다음 Eq. (10)과 같다.
일반적으로 지반강도비가 4.0 이상이면 안정하고, 2.0-4.0은 불안정, 2.0 이하이면 터널 주변부의 지반이 붕괴할 가능성이 있다고 평가된다.
(4) 겉보기 탄성계수와 천단변형률을 활용한 안정성 평가 방법
터널의 막장 안정성을 예측하기는 매우 어렵다. 그러나 간편한 방법에 따라 개략적으로 예측할 수 있다면 설계 단계에서 매우 유효할 것이다. NATM 터널 공법에서 정성적인 막장의 안정성을 고려한 겉보기 탄성계수와 천단변형률의 관계도(see Fig. 3)와의 비교를 통하여 터널 천단변위로부터 막장의 안정성을 평가할 수 있다.
(5) 일축압축강도와 한계변형률에 의한 방법
Sakurai(1982; 1997)은 암석의 일축압축강도 실험을 통해 한계 상태(Critical state)에서 한계변형률이라는 개념을 확립한 후, 터널 주변의 지반강도 인자와 터널 변형률의 관계를 고려하여 일축압축강도와 한계변형률의 관계 곡선을 터널 안정성 평가 방법으로 제안하였다. Figs. 4(a)와 4(b)는 각각 일축압축강도에 따른 지중변형률과 천단변형률의 관계를 나타내며, Fig. 5는 한계변형률과 일축압축강도의 관계를 나타낸 것이다(Sakurai, 1982; 1997; 1998).
(6) 지하수위에 의한 방법
지하수위에 의한 막장 안정성 평가 방법은 Fig. 6과 같이 지하수위의 깊이(L), 토피((h(), 그리고 터널 반지름(R)을 이용하여 평가할 수 있다. 지하수위 깊이가 토피보다 작으면 붕락, 지하수위가 터널 내에 존재하면 불안정, 지하수위가 터널보다 밑에 존재하면 굴착에 큰 영향을 주지 않는다고 판단하여 안정이라 평가할 수 있다.
2.3 터널 막장 안정성 평가 다이어그램
최근까지 도심지 터널에 있어 소규모 붕락 사고가 자주 발표되고 있으며, 이를 사전에 방지하고자 터널 막장 안정성에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다(Broms, 1967; Peck, 1969; MAFF, 1975; Sakurai, 1982; 1997; 1998; Schofield, 1980; Mashimo et al., 1993; Shin et al., 2007). 본 연구의 안정성 평가는 위에서 설명한 1) 하중계수의 방법, 2) 막장 안정지수의 방법, 3) 지반강도비의 방법, 4) 겉보기 탄성계수와 천단변형률에 의한 방법, 5) 일축압축강도에 의한 방법, 6) 지하수위 평가 방법을 사용하여 산정한 결과를 바탕으로 육각형의 다이어그램에 표시하여 안정, 불안정 그리고 붕락을 평가하였다. 터널 굴착 중 붕괴한 대표적인 미고결 지반의 터널 현장에 대하여 6가지 평가 방법 중 네 가지 방법 이상 안정 영역에 속하면 안정, 3가지 방법에서 불안정 영역이면 불안정 그리고 3가지 이상의 방법에서 붕락영역이면 붕락으로 판단하여 평가하였다(see Fig. 7).
3. 터널 붕괴현장 사례
본 연구에서는 미고결 지반에서 일어날 수 있는 즉, 풍화된 암반층에서의 터널(Case-A)과 미고결 사질토 지반에서의 터널(Case-B)의 전형적인 두 가지의 붕락 사례를 소개한다.
3.1 풍화된 암반층에서의 터널 굴착 (Case-A)
(1) 터널 개요
일본 동북 신간선 프로젝트 공사 구간 중 일본 혼슈 끝단에 위치한 구간으로 터널연장은 2km이었고 굴착방법은 NATM 기술과 링컷공법을 병행한 상하반 분할굴착으로서 0.8m의 숏크리트가 적용되었다. 터널단면의 상세 시공단면은 Fig. 8(a)와 같으며 터널 계획심도 15m에서 화강섬록암층이 풍화된 것을 확인하였다. 지보방법으로는 고밀도의 간격으로 록볼트를 시공한 후 20cm 두께로 강섬유 숏크리트를 타설하였으며 이후 강지보를 설치하였다. 또한, 강관다단그라우팅을 실시하고, 가인버트를 설치하여 단면 폐합을 유도하여 천단을 보강하였다(see Fig. 8(a)).
(2) 터널 붕괴의 개요
터널 붕괴사고는 터널 시점으로부터 22.4m 굴진 장소에서 강지보 설치 과정 중 터널 천단 부근에서 굴진면이 붕괴되면서 지표면까지 함몰되었다. Fig. 8(b)는 터널 굴지면 상부지반이 붕괴된 사진이며, Fig. 9(a)은 굴진면이 붕괴함으로 인하여 지표면의 함몰이 발생한 전경이다. Fig. 9(b)는 터널 붕괴가 일어난 지점이 풍화된 암반층으로 지반조건이 변화하고 지하수위가 낮아진 지점에서 발생했음을 나타내고 있다.
3.2 미고결 사질토 지반에서의 터널 굴착 (Case-B)
(1) 터널 개요
두 번째 사례는 경전선과 부산 신항 배후철도가 인접한 공구의 일부분으로 터널 연장은 2,070m이고, 터널 종단도와 단면은 각각 Figs. 10(a)와 10(b)와 같다. 터널 굴착은 기계화시공이 아닌 NATM 터널링과 단계별 벤치(Bench) 굴착공법으로 시공되었으며, 인버트를 세 번째 벤치인 하반 하부에 시공하였다. 상반으로부터 100m 후방부터 하반 굴착이 진행되었고, 하반 굴착면 460m 후방에서 인버트를 시공하고 있었다. 토피고 10m인 터널 통과 지점은 미고결의 사질토층으로 예상되었고 터널 지보방법으로 천단 보조공법 이외에 하반 지지공(T=65mm, L=5.5m)과 지하수위 저하공법인 심정(Deepwell)이 적용되었다. 또한, 지하수량의 변화를 계측하기 위한 관측공이 설치되었다.
(2) 터널 붕괴의 개요
터널 붕괴 사고는 터널 시점으로부터 22.4m 굴진이 진행되어 강지보 설치 과정 중 측면의 숏크리트 탈락으로부터 시작되어 굴진면 함몰이 지표면 붕괴까지 연결되는 형태로 아주 짧은 시간 내에 굴진면 전체가 붕괴하었다(see Fig. 11(a)). 붕괴한 상부지반을 제거한 후 지질학적인 실사 결과 사질토와 점성토가 Fig. 11(b)와 같은 호상으로 분포하고 있으며, 사질토층이 터널 상반의 지층을 이루고 있었으며, 그 위에 점성토층이 천장부 상부에 존재함을 알 수 있었다. Fig. 12(a)는 터널 붕락된 위치와 지하수위 계측 단면을 나타낸 것이다. 터널 붕괴의 중요 변수인 지하수위 계측은 심도가 낮은 Tu-14 관측정과 붕괴지점에서 가깝고 심도가 깊은 C-5 관측정에서 측정되었으며, Fig. 12(b)는 Tu-14 및 C-5 관측정에서 측정된 지하수위의 결과이다. 두 관측정의 지하수위 결과를 보면 Tu-14의 경우 계측 심도가 낮음에도 불구하고 일정한 수위를 유지하였지만, 붕괴지점에서 가깝고 심도가 깊은 C-5 관측정 결과 오랜 기간 지속해서 수위가 내려간 것을 볼 수 있다. 이러한 경향은 터널 붕괴지점 지반으로 지하수가 유실되어 유선이 급격하게 변화함을 암시하며, 불투수층인 점성토층이 터널 굴착 과정 중 국부적으로 붕괴하여 터널 천장부 상부를 통하여 지하수가 터널 굴착 현장으로 유입되고 있었던 것으로 유추할 수 있다.
4. 터널 안정성 평가 사례분석
위에서 설명한 각각의 안정성 평가 방법을 활용하여 막장 안정성 평가 다이어그램을 토대로 풍화된 암반층에서의 터널 굴착 사례와 미고결 사질토 지반에서의 터널 굴착 사례를 대상으로 터널의 안정성을 평가하였다. Table 1은 각 터널의 원지반 탄성계수와 겉보기 탄성계수를 구한 것이다. 겉보기 탄성계수는 굴착 후 터널 천단침하로부터 구하였고, 터널 단면 정보인 계측 단면과 지반 물성치는 다음 Table 2와 Table 3과 같다.
Table 1.
Elastic modulus and apparent elastic modulus of original ground
| Tunnel | Elastic modulus, E (MPa) | Apparent elastic modulus, E’c (MPa) | E’c/E |
| A | 230 | 115 | 0.50 |
| B | 23 | 7.8 | 0.34 |
Table 2.
Tunnel section information
Table 3.
Input data and measured values for tunnel stability analysis
4.1 풍화된 암반층에서의 터널 굴착 (Case-A)
Tables 1, 2, 3의 정보와 각각의 안정성 평가 방법을 활용하여 풍화된 암반층에서의 터널 굴착 사례를 평가한 결과는 Table 4와 같다.
Table 4.
Results of stability evaluation using each method
붕락된 현장의 겉보기 탄성계수와 천단변형률의 관계도에 의한 막장 안정성 평가에도 불안정영역이 나타났다. 대상터널은 내공변위와 천단침하가 계측된 단면으로서 주변 지반이 불량해 터널 안정성이 확보하기 어려운 상황이며, 그 결과는 현장 상황과 일치하였다. Fig. 13(a)는 대상터널의 A 단면에 대한 막장 안정성 평가 다이어그램으로 분석된 결과를 나타낸 것이다. Fig. 13(a)과 같이 하중계수와 막장 안정지수에 의한 평가 방법을 제외하고, 지하수위, 지반강도비, 일축압축강도, 겉보기 탄성계수에 의한 평가 방법에서 모두 불안정 또는 붕락으로 나타났으며, 이는 현장 상황과도 일치하는 결과이다. 위에서 설명한 지반강도비를 활용한 막장의 안정성 평가 결과는 대상터널의 지반조건을 가장 효율적으로 반영하는 결과를 보였으며, 막장 안정성 평가 다이어그램에 의한 분석 결과가 서로 잘 일치하는 것으로 나타났다.
4.2 미고결 사질토 지반에서의 터널 굴착 (Case-B)
미고결 사질토 지반에서의 터널 굴착 사례 역시 Tables 1, 2, 3과 각 평가 방법에 따라 분석된 결과는 Table 4와 같으며, 현장 붕락된 현황과 같이 겉보기 탄성계수에 의한 막장 안정성 평가에도 불안정 영역이 나타났으며, 그 결과는 현장 상황과 일치함을 나타났다. Fig. 13(b)는 대상터널에 있어 단면에 대한 막장 안정성 평가 다이어그램 결과이다. Fig. 13(b)에서 하중계수와 막장 안정지수에 의한 평가 방법을 제외하고 지하수위, 지반강도비, 일축압축강도, 겉보기 탄성계수에 의한 평가 방법에서 모두 불안정 또는 붕락으로 나타났다. 여섯 가지 평가 다이어그램 중 네 가지 방법에서 불안정 또는 붕락의 결과가 나왔으며 이는 현장 상황과도 부합되는 결과이다. 지하수위에 의한 방법이 대상터널의 조건을 가장 잘 보여주었으며, 막장 안정성 평가 다이어그램에 의한 평가 결과 역시 현장 상황과 서로 일치하는 것으로 나타났다.
5. 결 론
도심지 지하수가 존재하는 풍화된 암반층과 미고결 사질토 지반에서 NATM 터널 공법 적용 시 발생할 수 있는 전형적인 두 가지 붕락 사례를 소개하고, 현장 지반조건를 고려한 일반적인 안정성 평가를 수행하였으며, 그 결과를 종합하여 육각형의 다이어그램에 의한 방법으로 터널의 안정성을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
(1) 첫 번째 사례의 경우 풍화암층과 토사층이 교차하는 터널 갱구부에서 붕괴가 발생한 경우로 지반강도비가 0.34로 붕락영역에 해당하였고, 두 번째 사례는 지하수위에 의한 평가 결과가 0.55로 미고결 토사층에서 NATM 터널링 적용 시 발생할 수 있는 전형적인 붕락 경우였다.
(2) 각 현장에 대한 하중계수에 의한 평가 결과는 각각 0.15와 2.098이었으며, 막장 안정지수는 0.26과 0.24로 안정영역에 해당하는 결과였지만, 두 대상터널의 현장 상황과 상반되게 평가되었다. 하지만, 여섯 가지 평가 목록 중 다른 네 가지 방법은 불안정, 붕락으로 평가되었으며 이는 현장 상황과 거의 일치하는 결과를 얻었다. 특히, 지반강도비를 이용한 평가 방법과 지하수위에 의한 평가 방법이 현장 상황을 가장 효과적으로 평가하였다.
(3) 도심지 NATM 굴착공법을 활용한 터널의 정보화시공에 관한 적용은 우선 조사 단계에서 원지반 탄성계수를 구하고 터널의 기하학적 특성과 지반 특성을 분류한 후 막장 안정성 평가 다이어그램을 적용하여 적절한 보조공법과 지보공법을 선정할 수 있을 것으로 판단된다.
(4) 터널 시공 중 터널 굴착이나 굴착면 보강이 이루어지지 않은 상태에서 발생할 수 있는 터널 주변부 지반의 급격히 변화에 대처하여 현장의 여러 지반 특성을 고려할 수 있는 막장 안정성 평가 다이어그램에 의한 방법은 터널의 설계 단계뿐만 아니라 터널 시공 및 운용 단계에서 막장의 안정성 확보를 위한 합리적인 평가 방법이라고 판단된다. 또한, 다양한 막장 상태의 터널 시공 현장을 포함한 더욱 다양한 지반조건 및 터널 시공 현장 자료를 통한 보다 신뢰성 있는 터널의 막장 안정성 평가 방법에 관한 추가적인 연구가 필요하며, 이러한 지속적인 연구는 향후 도시지 터널 공법의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
