1. 서 론

우리나라 북동부에 위치한 강원지역은 90%이상의 면적이 산지로 이루어져 있어 도로터널이 다수 운영되고 있다. 특히 강원지역은 다른 지역에 비하여 겨울철 온도가 낮고 국내 타 지역에 위치한 도로터널에 비하여 터널의 고도가 높기 때문에 겨울철 기온이 영하로 떨어지는 날이 많아 동결피해에 취약한 특징이 있으며, 실제로 겨울철 동결피해가 지속적으로 발생하고 있다.

강원지역의 터널을 대상으로 한 기존의 연구를 살펴보면, Kim et al.(2005)은 강릉방향 대관령 1터널에서 2002년 1월 개통 직후 입구로부터 진행방향으로 200～300m 안쪽의 라이닝 시공이음부에서 누수 현상이 발생하고, 결빙 현상이 발생한 것을 보고한 바 있다. 또한 Hwang(2013)은 강원도 내의 10개 지역에 위치한 도로터널 표면균열에서의 누수 및 동결, 배수시설 동결 여부를 검사하였으며, 그 결과 평창, 인제, 양구, 화천, 홍천, 원주 지역에서 동결에 의한 터널의 균열, 도로의 동결융해, 누수, 배수시설 동결, 터널 천정부와 어깨부에서 고드름 생성 등과 같은 유형의 동결피해가 발생하는 것으로 조사되었다. 이러한 동결 피해는 터널의 내구성을 저하시키며, 차량 운행을 방해하거나 심각한 경우 터널 내에서 교통사고로 이어질 수 있는 위험을 안고 있다.

주변국인 일본의 경우에도 최북단에 위치하는 북해도 지역은 전반적으로 냉대기후를 보이며, 연평균 290cm의 적설량을 보이는 한랭지역이다. 이러한 기후 특성으로 인하여 북해도 지역의 도로터널에서도 다수의 동결피해 사례가 보고되고 있다. Inokuma와 Inano(1996)가 북해도지역 내 위치한 178개소의 도로터널에 대한 동결피해 발생현황을 조사한 결과 전체 대상터널중 약 80%이상에서 고드름 발생 및 동결피해가 발생하는 것으로 나타났으며, 준공년도가 30～40년 이상 경과한 터널에서는 91%이상의 터널에서 동결피해가 일어났다. 또한 준공년도가 20～30년 이상 경과한 터널에서는 39%정도로 동결 피해가 현격하게 줄어드는 것으로 확인되었다. 국제 터널링 및 지하공간협회(International Tunnelling and underground space Association, ITA)의 지하구조물의 유지 보수 소위원회(ITA Working group on maintenance and repair of underground structures, 1991)에서도 터널의 공용 기간 동안 누수와 동결피해를 지하구조물의 중요 손상 원인으로 제시하고 있다. 1960년에서 1978년 사이에 건설된 오스트리아, 독일, 노르웨이, 스위스의 도로터널에서도 동결피해가 발생하는 것으로 확인되었다. 국토교통부(MOLIT, 2016)의 교량 및 터널 현황을 이용하여 강원지역의 도로터널 현황을 확인하여 본 결과, 우리나라의 도로터널은 총 1,944개소가 운영 중에 있으며, 강원지역에서는 고속도로 103개소, 일반국도 92개소, 지방도와 기타 43개소 등 총 238개소의 터널이 운영되고 있다. 이들 강원지역 도로터널에 대하여 일본의 북해도 도로터널을 대상으로 분석된 결과와 같이 준공 년도를 확인하여 비교하면, 총 238개소의 터널 대비 준공년도로부터 20～30년 경과한 터널은 11.3%, 30～40년 경과한 터널은 3%로 나타난 반면, 준공년도로부터 10년 이하 경과한 터널은 40.3%, 10～20년 경과한 터널은 45.4%로 준공년도가 20년 미만인 터널의 비중이 높은 것으로 나타났다(Fig. 1). 유럽의 도로터널 동결피해 사례와 일본의 북해도에서 발생한 도로터널의 동결피해 통계결과를 토대로 우리나라 강원지역에서도 준공년도가 20년 이상일 때부터 동결피해가 발생할 가능성이 높다고 판단해볼 때, 약 14.3%의 터널들이 현재 동결 피해에 노출되어 있고, 앞으로 10년 후에는 동결피해 발생가능성이 높은 터널이 54.6% 정도로 더 늘어나며, 20년 후에는 강원지역 내 모든 터널의 준공년도가 30～40년 이상 경과되어 대부분의 터널에서 동결피해가 발생할 것으로 판단되기 때문에 이에 대한 대비가 필요하다.

일본의 북해도에서는 동결피해를 예방하기 위해 표고, 동절기간 등을 고려해 단열재를 설계하도록 규정되어 있으며, 경제성을 비교하여 단열에 필요한 두께를 결정하도록 되어있다. 또한 단열재 두께 산정을 위한 적용조건도 제시하고 있다. 노르웨이에서도 터널 라이닝에서 발생하는 동결피해를 저감시키기 위해 PE폼(polyethylene foam)의 사용을 권하고 있으며, 동결지수가 625℃･day까지 PE폼 45mm가 가장 적절하다고 제시하고 있다(Broch et al., 2002). 하지만 우리나라의 터널설계기준에서는 동결피해를 저감시키기 위해 일부지역에서는 단열공법 필요성을 제시하고 있지만, 자세한 단열공법 적용 기준은 제시되어 있지 않다. 또한 국내에서는 도로의 동상방지층이나 터널의 화재에 의한 단열 등의 연구가 주를 이루고 있으나, 터널 라이닝부의 동결피해를 저감시키기 위하여 국내 환경에 부합하는 단열설계 기준을 제시하기 위한 연구는 매우 부족한 실정이다. 국내에서 한랭지역 터널의 온도영향에 대한 연구로는 Kim et al.(2011), Jin et al.(2017)이 터널 온도 계측 데이터를 이용하여 수치적 연구를 통해 단열재 및 발열체 적용에 따른 열전달 효과를 분석한 사례가 있으며, Son et al.(2017)은 한랭지역인 강원지역 도로터널의 지반특성 및 라이닝부 구조 특성을 고려하여 겨울철 기후조건에 따른 동결깊이를 산정하고 동결피해 민감성 분석을 실시하였다. 그러나 단열설계와 관련하여 단열재의 두께나 재료의 특성인 열전도율에 따라 단열 효과 등을 분석하고 기후특성을 고려하여 이를 설계에 반영할 수 있는 연구는 아직까지 전무한 실정이다. 

따라서 본 연구에서는 한랭지역 도로터널에 대하여 단열재 및 라이닝 두께 등 터널의 구조적 특성과 터널이 시공되는 지역의 지반특성을 고려하여 열 해석을 수행하였다. 또한 한랭지역인 강원도의 겨울철 기후조건을 고려하여 다양한 설계조건 변화에 따른 동결범위를 산정하고, 적용된 단열공법의 동결저감 효과에 대하여 분석을 수행하였다.

2. 수치해석 조건

본 연구에서는 우리나라 대표적 한랭지역인 강원지역의 겨울철 기후특성을 고려하여 터널 구조체 및 배면 지반 내에서의 열전달 거동을 모사하였으며, 지반의 동결 심도 및 단열재의 단열효과를 분석하였다. 이를 위하여 열-수리-역학적(THM) 해석을 수행할 수 있는 PLAXIS 2D 프로그램을 사용하여 열 해석을 수행하였다. 국내 도로터널의 대표적 터널 단면 및 지반조건을 모사하고, 이와 더불어 강원지역의 기상 특성을 고려하기 위하여 위해 다음과 같이 유한요소망과 경계조건을 결정하고, 강도정수 및 열 특성을 적용하였다.

2.1 유한요소망 및 경계조건 결정

겨울철 강원지역에 위치한 터널의 입출구부는 동결피해를 유발할 수 있는 영하의 외기온도에 노출되어 있으며, 실제로 발생하는 대부분의 동결피해가 터널의 입출구부에서 발생하고 있다. 이에 따라 해석에서 모사하고자 하는 터널 역시 강원지역 도로터널의 입출구부를 기준으로 하였다. Kwon et al.(2005)의 조사결과에 따르면 국내 일반국도 112개소 터널 중에서 입출구부 사면의 높이는 30m 미만인 경우가 74.4%인 것으로 나타났다. 국내에서 20m 내외 높이의 사면을 중규모 사면으로 분류하는 점을 고려할 때, 일반적으로 터널 입출구부 사면은 중규모 사면에 해당한다. 본 연구에서도 동결피해에 취약한 터널의 입출구부를 모사하기 위해 터널의 심도를 20m로 적용하였다. 터널의 형상 및 단면 제원은 Fig. 2와 같이 강원도 정선군에 위치한 두문동재2터널의 표준단면을 모사하여 반지름 5m 반원형을 적용하였다(Hangil Engineering Co., Ltd., 2015). 이 때, 터널 중심으로부터 우측 및 하부 경계면까지의 거리는 터널 단면 길이(반지름)의 10배를 적용하여 경계조건의 영향을 최소화 하였다.

Fig. 2의 우측에 확대하여 나타낸 도로터널 라이닝부는 일반적인 터널 단면형상과 같이 콘크리트, 단열재, 숏크리트로 구성하였다. 콘크리트와 숏크리트 두께의 기준은 각각 0.3m, 0.2m로 두문동재2터널의 입출구부 수치와 동일하게 적용하였다. 또한 단열재 두께는 0, 20, 40mm로 변화시켜가며 열 해석을 수행하였다.  

해석단면의 초기온도 및 온도 경계조건 설정을 위하여 강원지역 지중온도 변화를 분석한 기존 연구를 확인한 결과, 지표면에서는 외기온도의 영향을 크게 받지만, 일변화의 영향은 지표면으로부터 1m정도 깊이 이하에서는 거의 사라지는 것으로 나타났으며, 7m 이하의 깊이에서는 계절에 따른 온도변화도 사라져 연중 일정한 온도를 나타낸다. 또한 국내 지중 온도의 30년 평균값은 대부분 지역에서 깊이에 관계없이 15℃를 보이고 있다(Kim et al., 2005). 또한 Fig. 3과 같이 Son et al.(2017)이 기상청의 관측 자료를 이용하여 춘천, 속초, 강릉 등의 지중온도를 분석한 결과에서도 5m 깊이의 지중온도는 평균적으로 15℃정도로 나타났다. 따라서 지표면으로부터 5m 이하의 단면에 대해서는 초기온도 15℃를 적용하였으며, 우측과 하부의 경계면에서도 해석 중 15℃의 경계조건을 갖도록 하였다. 

2.2 강도정수 및 열 특성 

수치해석 시 재료별 강도정수 및 열 특성의 결정은 동결깊이를 결정하는데 매우 중요한 인자이다. 본 수치해석에서 모사하려고 하는 해석대상은 2.1 절에서 결정된 것과 같이 콘크리트, 숏크리트, 단열재, 배면지반으로 구성되어 있으며, 각각의 재료에 대한 기존 연구결과를 비교, 분석하여 합리적인 입력물성치를 결정하였다.

콘크리트의 열적 특성에 대해서는 Shin et al.(1998)이 상온에서 1,100℃까지 온도를 변화시켜가며 콘크리트의 비열과 열전도율을 측정하였으며, 숏크리트의 경우에는 Kim et al.(2011)이 실측온도와 수치해석 결과를 비교하여 역해석을 수행하였다. 따라서, 콘크리트와 숏크리트에 대해서는 이러한 기존 연구에서 실측 및 해석에 사용된 열적 특성을 적용하였다. 단열재의 열전도 특성을 결정하기 위하여 시공현장에서 사용 중인 대표적인 단열재 재료를 조사한 결과, 폴리페놀 폼(Polyphenol foam), 폴리우레탄 폼(Polyurethane foam), 폴리스틸렌 폼(Polystyrene foam), 폴리에틸렌 폼(Polyethylene foam), 유리섬유(Glass wool) 등을 확인할 수 있었다. 이러한 재료에 대한 열전도율은 Table 1에 정리한 것과 같이 폴리페놀 폼의 열전도율이 가장 낮게 나타났으며, 유리섬유의 열전도율이 가장 높게 나타났다. 재료의 열전도율 값이 낮을수록 단열성능이 높다는 것을 의미하기 때문에 본 수치해석 에서는 이 중 열전도율 값이 가장 낮은 폴리페놀 폼의 열전도율 값을 적용하였다. 단열재의 비열은 Kim et al. (2011)이 수행한 해석결과를 참고하였다.

Table 1. Thermal conductivity by insulation material

터널의 배면지반은 주로 암으로 이루어져 있으며, 강원지역의 경우 238개소의 도로터널에 대하여 입출구부의 지질을 확인한 결과, 변성암 39%, 화성암 31%, 퇴적암 21%, 기타 9%의 순으로 나타났다(Son et al., 2017). 이러한 조사결과를 토대로 해석 시 배면지반의 재료는 변성암으로 결정하였다. 변성암의 강도정수는 Kim et al. (2012)이 수치해석에 적용한 물성치를 참고하여 적용하였으며, 열 특성 값은 Park et al.(2009)이 한국 암석들에 대하여 조사한 결과 중 변성암의 비열과 열전도율 평균값을 사용하였다. 이와 같이 조사된 결과들을 토대로 수치해석에 적용된 재료 별 강도정수 및 열 특성 값은 Table 2와 같다.

Table 2. Input parameters for thermal analysis

3. 열해석을 통한 동결깊이 및 동결저감 효과 분석

열 해석을 수행하기 위하여 먼저 강원지역의 특성에 맞는 초기 조건 결정을 위한 해석을 수행하였다. 결정된 초기 조건을 바탕으로 단열공법 적용 유･무와 단열재 두께 변화에 따른 해석을 수행하였으며, 이에 더하여 라이닝부의 콘크리트 두께 및 숏크리트 두께, 배면지반의 열전도율, 외기온도 지속시간 변화에 따른 영향도 함께 확인하였다. 각각의 조건에 대하여 강원지역 겨울철 외기온도 변화를 적용하여 해석을 수행하였으며, 다양한 설계조건 변화에 따른 동결깊이 변화 및 단열공법의 적용과 단열재 두께 변화가 동결 저감 효과에 미치는 영향에 대하여 분석하였다.

3.1 초기 조건 결정 

초기 조건 결정을 위하여 2.1절에서 결정된 터널 표준 단면에 대하여 단열재가 미적용 된 터널과 20mm, 40mm의 단열재가 적용된 터널에 대하여 해석을 수행하였다. 강원지역의 겨울철 평균 기온이 0～-2℃이므로 외부보다 온도가 높은 터널 내부 환경을 고려하여 터널 라이닝 표면에는 동결이 발생하지 않는 최저온도인 0℃를 적용하였다. 또한 지중온도는 2.1절에 설명한 바와 같이 강원지역의 지중온도 조건 15℃를 적용하였다. 이 후 단열재가 미적용 된 터널과 20mm, 40mm 두께의 단열재를 설치한 터널에서 정상상태(steady state) 해석을 수행하여 평형을 이루는 지중온도조건으로 초기 조건을 결정하였다. 단열재의 두께 차이별로 정상상태 해석을 수행한 결과는 Fig. 4와 같으며, 라이닝 주변 지반에서 단열재가 적용된 조건과 적용되지 않은 조건의 온도분포 차이를 뚜렷이 관찰할 수 있다. 이 때, 단열재가 미적용 된 경우 숏크리트와 맞닿는 라이닝 배면지반의 온도는 2～3℃정도로 나타났으며, 단열재 두께 20, 40mm를 적용한 경우에는 동일한 지점의 배면지반에서는 4～5℃정도로 약 1～3℃까지 차이를 보이는 것으로 나타났다.

이와 같이 결정된 초기조건에 대하여, 강원지역의 겨울철 외기온도 변화를 고려하여 transient state 해석을 수행하였다. 기상학적으로 12월부터 2월까지 3개월을 겨울이라고 할 수 있으며, 절기상으로도 입동부터 입춘까지 약 3개월로 정의할 수 있다. 또한 Son et al.(2017)의 연구에 따르면, 도로터널 라이닝 부에 낮은 외기온도가 작용하는 경우, 배면지반의 동결깊이는 1개월까지는 급격히 증가하지만 1개월 이후부터는 지속시간 증가에 따른 동결깊이 증가량이 점차 감소하며, 3개월 이후부터는 배면지반의 동결깊이는 수렴하여 거의 일정한 것으로 나타났다. 이러한 선행연구를 바탕으로 본 연구에서도 외기온도의 지속시간을 3개월로 적용하여 열 해석을 수행하였다. 외기온도를 0℃부터 -21℃까지 변화시켜가며 해석을 수행하였으며, 각 온도 조건에서 3개월의 기간 동안 해석을 진행하였다. 이에 따른 해석 결과로부터 동결 범위는 바닥부로부터 터널 높이의 절반인 5m 지점에서 라이닝 표면으로부터 배면지반 측으로 외기온도가 전달되어 동결이 일어나기 시작하는 0℃ 지점까지의 횡방향 거리를 동결 범위로 산정하였다.

3.2 콘크리트 두께 차이에 따른 동결 범위 변화

터널 라이닝 콘크리트 두께와 단열공법 적용 유･무가 동결범위에 미치는 영향을 확인하기 위하여 다른 조건은 고정한 상태에서 콘크리트 두께와 단열재 두께를 변화시켜가며 해석을 수행하였다. 도로설계편람(MOLIT, 2000)에 따르면 라이닝의 두께는 도로터널이 2차선인 경우 0.3～0.4m, 3차로 이상일 경우 0.4～0.5m로 시공되고 있는 것으로 나타났다. 따라서 앞서 결정된 표준 단면에서 콘크리트 두께 0.3, 0.4, 0.5m를 적용하였으며, 이러한 3가지 조건에 대하여 각각 단열재 두께를 0, 20, 40mm로 변화시켜가며 해석을 수행하고 동결 범위 변화를 분석하였다.

해석결과는 Fig. 5와 같으며, 각각의 그림에서 동결에 가장 취약한 콘크리트 두께 0.3m일 때의 콘크리트 및 숏크리트의 범위와 단열재 위치를 함께 도시하였다. Fig. 5에서 볼 수 있는 것과 같이 콘크리트 두께 변화로 인한 동결심도의 변화는 거의 없는 것을 확인할 수 있다. Fig. 5(a)에서 콘크리트 두께가 0.3m인 경우의 동결심도가 두께 0.5m 인 경우보다 증가하기는 하지만 그 차이는 0.1m로 매우 작다. Fig. 5(c)에서 단열재 두께가 40mm인 경우에는 단열재로 인하여 모든 해석에서 외기온도가 차단되며 동결범위가 모두 콘크리트 라이닝 내부에서만 발생하는 것을 확인할 수 있다. 단열재가 20mm인 경우에는 Fig. 5(b)에서 확인할 수 있는 것과 같이 -12℃의 온도가 3개월 이상 지속되어야만 라이닝 외부의 지반에서 동결이 발생하기 시작하는 것으로 나타났다.

따라서 단열재의 적용 유･무에 상관없이 콘크리트 두께 증가는 동결 범위 변화에 큰 영향을 미치지 않으며, 40mm두께의 단열재는 국내 겨울철 기후조건에서 충분한 단열효과를 발휘한다는 것을 알 수 있다. 그러나 단열재 두께를 20mm로 줄이면 겨울철 온도가 -12℃ 이하로 장기간 지속될 수 있는 지역에서는 배면지반의 동결이 발생할 수 있으므로 주의해야하며, 단열재의 두께에 따라 동결발생을 차단 가능한 온도 범위가 있으므로 추후 추가적 연구를 통하여 지역별 기후특성을 고려하여 단열재 두께를 선정하는 것이 효율적일 것으로 판단된다.

3.3 숏크리트 두께 차이에 따른 동결 범위 변화

강원지역에서 운영 중인 일부 도로터널에는 터널 라이닝 배면지반의 안정성에 따라서 지보패턴별로 숏크리트 타설 두께를 최소 50mm에서 최대 200mm까지 시공하고 있다. 본 연구에서 터널 형상으로 모사한 두문동재2터널 역시 지보패턴에 따라서 숏크리트 타설 두께를 변화시켜가며 시공하였으며, 입출구부에서는 200mm의 숏크리트를 타설한 것으로 조사되었다. 또한, 입출구부에서 터널 중심부 쪽으로 갈수록 숏크리트 타설 두께는 점차 감소하여 최소 50mm까지 시공한 것으로 나타났다(Hangil Engineering Co., Ltd., 2015). 따라서 터널에 적용된 단열재 두께에 따라서 숏크리트 타설 두께를 50mm부터 200mm까지 50mm씩 증가시켜가며 동결범위에 미치는 영향에 대하여 비교, 분석하였다. 이 때 라이닝 콘크리트의 두께는 모든 해석에서 0.3m로 적용하였다.

해석결과는 Fig. 6과 같으며, 숏크리트 두께 변화에 따른 전반적인 해석결과는 3.2절의 콘크리트 두께 변화에 따른 해석과 유사한 경향을 보였다. 즉, 숏크리트의 두께 차이는 콘크리트의 두께 차이와 마찬가지로 동결범위에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났으며, 단열재 두께가 40mm인 경우에는 단열재로 인하여 모든 해석에서 외기온도가 차단되어 동결범위가 모두 콘크리트 라이닝 내부에서만 발생하는 것을 확인할 수 있다. 단열재가 20mm인 경우에는 3.2절의 해석결과와 같이 -12℃의 온도가 3개월 이상 지속되어야만 라이닝 외부의 지반에서 동결이 발생하기 시작하는 것으로 나타났다.

3.4 배면지반의 열전도율 차이에 따른 동결 범위 변화

동결 범위 변화에 가장 큰 영향을 주는 인자는 열전도율이다. 앞에서 수행된 해석에서 터널 라이닝 배면지반의 재료로 적용된 변성암의 열전도율은 Park et al. (2009)이 국내에 분포하고 있는 변성암의 열전도율을 측정하여 얻은 평균값 3.62×10^-3kW/m/℃을 적용하였으며, 이 연구에서 변성암의 열전도율은 최소 1.60×10^-3kW/m/℃에서 최대 8.38×10^-3kW/m/℃까지 측정되었다. 따라서 배면지반의 열전도율 차이가 동결범위에 미치는 영향을 확인하기 위하여 변성암이 가질 수 있는 열전도율 범위에서 최소, 평균, 최대값의 열전도율을 각각 적용하여, 단열재 두께별 배면지반의 열전도율 차이가 동결 범위에 미치는 영향을 비교, 분석하였다. 이 때, 터널라이닝 두께는 0.3m, 숏크리트 두께는 0.2m로 적용하였다.

해석 결과 Fig. 7(a)와 같이 단열재를 적용하지 않은 경우, 외기온도에 따라서 상이한 결과를 보인다. 즉, 외기온도가 약 -9℃까지 감소하는 경우에는 열전도율이 작을수록 동결 범위가 크게 나타나지만, 이 후로는 그 경향성이 점차 역전되어 외기온도가 -21℃인 경우에는 열전도율이 클수록 동결범위가 크게 나타난다. 배면지반의 열전도율이 크면 낮은 외기온도가 지반내로 빠르게 전달되므로 배면지반의 열전도율이 클수록 동결범위가 증가하는 것은 당연한 결과이다. 하지만 상대적으로 외기온도가 높아 배면지반과의 온도차이가 작은 경우에는 터널 내부의 낮은 온도가 라이닝을 통하여 전달되는 속도보다 배면지반의 경계부에서 높은 온도가 전달되는 속도가 더 빠르게 되므로 배면지반의 열전도율이 클수록 동결깊이가 오히려 더 작게 나타난다. 이러한 결과는 단열재가 설치되지 않은 한랭지 터널에 대하여 수행된 기존의 해석적 연구(Son et al., 2017)와 동일한 결과이다. 단열재가 적용된 경우에도 역시 단열재가 배면지반으로의 열전달을 차단하므로 배면지반의 열전도율이 증가할수록 동결깊이는 감소하는 것으로 나타난다.

단열재를 20mm의 두께로 적용한 경우, 최소 열전도율의 갖는 배면지반에서는 외기온도가 약 -4.5℃부터 배면지반에 동결이 발생하는 것으로 나타났으며, 40mm의 단열재를 적용하여도 외기온도가 -12℃이하로 지속될 경우 배면지반에 동결을 발생시키는 것으로 확인되었다. 최대 열전도율을 갖는 배면지반에서는 20mm 두께의 단열재만 적용하여도 배면지반의 동결을 방지할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 외기온도가 매우 낮은 경우에는 배면지반의 열전도율이 높을수록 동결피해에 취약하지만, 외기온도가 상대적으로 높거나 단열재를 설치하는 경우에는 배면지반의 열전도율이 낮을수록 동결피해에 취약하므로, 단열재 설계 시에 배면지반의 열전도율과 겨울철 외기온도의 변화를 함께 고려해야 할 것으로 판단된다.

3.4 외기온도 지속시간 차이에 따른 동결 범위 변화

앞서 수행된 해석에는 기존의 연구를 참고하여 겨울철 3개월 동안 일정한 외기 온도가 유지되는 것으로 가정하여 해석을 수행하였다. 하지만 도로터널 배면지반의 동결발생에 있어서 영하의 온도에 노출되는 시간은 매우 중요하다. 외기온도 지속시간이 지반의 동결범위에 미치는 영향을 확인하기 위하여 지속시간을 1일부터 최대 3개월까지 변화시켜가며, 단열재 두께에 따른 지속시간 차이가 동결 범위에 미치는 영향을 비교 분석하였다(Fig. 8). 이 때, 터널라이닝 두께는 0.3m, 숏크리트 두께는 0.2m로 적용하였으며, 배면지반의 열전도율은 국내 변성암의 평균값을 적용하였다.

해석결과는 Fig. 8과 같다. 단열재를 적용하지 않은 경우에는 외기온도 지속시간이 증가할수록 배면지반의 동결범위도 증가하는 것으로 나타났으며(Fig. 8(a)), 그 차이는 외기온도 -21℃에서 지속시간이 증가함에 따라 최대 4.3m까지 증가한다. 또한 외기온도 -9℃부터는 지속시간이 1일만 되어도 배면지반의 동결이 발생하기 시작하는 것으로 나타났다. 하지만 20mm 두께의 단열재를 적용한 경우에는, -12℃이하의 외기온도가 3개월 동안 지속되어야 배면지반의 동결이 발생하는 것으로 나타났으며(Fig. 8(b)), 40mm 두께의 단열재를 적용한 경우에는, -21℃의 외기온도가 3개월 동안 지속되어도 배면지반의 동결은 발생하지 않는 것으로 나타났다(Fig. 8(c)). 즉, 해석에 적용된 터널조건에서는 겨울철 기온이 -12℃이상인 경우 단열재를 20mm만 적용하여도 배면지반의 동결 발생을 방지하기 때문에 단열재를 40mm까지 적용할 필요가 없을 것으로 판단된다. 하지만 -12℃이하의 온도가 2개월 이상 지속될 경우에는 배면지반에서 동결이 발생하여 동결 피해를 유발할 수 있기 때문에, 단열재를 40mm까지 적용하여야 안전한 것으로 나타났다(Fig. 8(b), (c)).

결과적으로 외기온도의 지속시간은 배면지반의 동결에 매우 큰 영향을 미치며, 동결깊이의 차이는 지속시간에 따라 최대 3.6m까지 나타난다. 단열재를 설치하는 경우에는 동결범위가 급격히 감소하며, 단열재의 두께를 40mm까지 증가시키면 -21℃의 외기온도가 3개월 동안 지속되어도 배면지반의 동결은 발생하지 않으므로, 배면지반의 동결저감을 위해서는 겨울철 지역별 온도조사가 필요하며, 이에 더하여 지속시간별 최저온도를 확인하는 것이 중요할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 겨울철 동결피해에 노출되어 있는 강원지역 도로터널의 단열공법 적용에 따른 동결저감 효과를 분석하기 위하여 콘크리트와 숏크리트의 두께, 배면지반의 열전도율, 외기온도 지속시간의 차이에 따른 수치적 연구를 수행하였다. 각각의 동결범위를 비교, 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1)터널 라이닝부의 콘크리트 두께 차이에 따라서 해석을 수행한 결과, 콘크리트의 두께를 증가시킴에 따라 동결심도는 감소하나 두께 증가량 대비 동결심도의 감소폭이 적은 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 숏크리트 두께 차이에 따른 해석결과에서도 동일하게 나타났다. 이는 단열재 적용 유･무에 상관없이 콘크리트와 숏크리트의 두께 증가는 동결범위 변화에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다.

(2)단열재 두께 0, 20, 40mm에 대하여 해석을 수행한 결과, 단열재를 적용하는 경우 동결범위가 크게 감소하는 것으로 나타났다. 단열재 두께 변화에 따른 결과를 보면, 40mm 두께의 단열재 적용 시에는 국내 겨울철 기후조건에서 충분한 단열효과를 발휘하는 것으로 나타났으나, 20mm 두께의 단열재 적용 시에는 겨울철 온도가 -12℃ 이하로 3개월 정도 지속될 수 있는 지역에서는 배면지반에 동결이 발생할 수 있으므로 주의가 필요하다.

(3)단열재를 적용하지 않은 조건에서 배면지반의 열전도율 차이에 따른 동결 범위 변화를 확인해본 결과, 외기온도가 약 -9℃까지 감소하는 경우에는 열전도율이 작을수록 동결 범위가 크게 나타나지만, 이 후로는 그 경향성이 점차 역전되어 외기온도가 -21℃인 경우에는 열전도율이 클수록 동결범위가 크게 나타난다. 또한 단열재를 적용한 경우에는 단열재가 배면지반으로의 열전달을 차단하므로 배면지반의 열전도율이 증가할수록 동결깊이는 감소하는 것으로 나타난다. 즉, 외기온도가 매우 낮은 경우에는 배면지반의 열전도율이 높을수록 동결피해에 취약하지만, 외기온도가 상대적으로 높거나 단열재를 설치하는 경우에는 배면지반의 열전도율이 낮을수록 동결피해에 취약하므로, 단열재 설계 시에 배면지반의 열전도율과 겨울철 외기온도의 변화를 함께 고려해야 할 것으로 판단된다.

(4)외기온도 지속시간에 따라서 해석을 수행한 결과, 단열재를 적용하지 않은 경우에는 외기온도 지속시간이 증가할수록 배면지반의 동결범위도 증가하며 외기온도 -9℃부터는 지속시간이 1일만 되어도 배면지반의 동결이 발생하기 시작하는 것으로 나타났다. 하지만 단열재를 설치하는 경우에는 동결범위가 급격히 감소하며 단열재의 두께를 40mm까지 증가시키면 -21℃의 외기온도가 3개월 동안 지속되어도 배면지반의 동결은 발생하지 않는 것으로 나타났다. 또한, 겨울철 기온이 -12℃이상인 경우에는 단열재를 20mm만 적용하여도 배면지반의 동결을 충분히 방지할 수 있는 것으로 나타났다.