서 론
지반 열화에 의한 강도 감소
소성영역 지반 열화의 개념
강도 감소에 의한 융기량 산정 조건
운영 중인 터널의 노면 융기 발생 사례
터널 수치 해석
검토단면
해석모델
적용지반정수
지반 열화시 강도감소에 의한 융기량 산정
수치해석 보강 Case
수치해석 보강 Case에 대한 해석 결과 고찰
결 론
서 론
최근 10년간 도로 및 철도 간선망 증가에 따라 건설 구간의 용지 확보, 민원 발생, 경제성, 환경성 등을 고려하여 터널 건설이 증가하고 있다. 특히, 도로 터널은 현재까지 약 3,809개소, 총연장 2,541.3 km가 건설되어 운영 중이며, 2014년 대비 10년 동안 신규터널이 2,032개가 증가하여 약 114.4%의 증가율을 보인다(MOLIT, 2023).
터널 건설 증가로 인하여 터널 운영 중에도 터널 외부 지반의 소성영역 확대에 따른 하부 지반의 강도감소로 터널의 변형, 융기 등이 발생되고 있는 실정이다.
해외의 경우 터널 개통 후 철도 노반 및 도로 노면 융기에 대한 연구가 활발하게 진행(Gioda, 1982; Barla, 1995; Süleyman Dalgıç, 2002; Tada et al., 2009; Nakano et al., 2021; Das, 2023) 되고 있으며, 국내의 경우 수서–평택 간 율현터널 등 철도 터널에 국한되어 연구(Kim, 2020, 2025; Kang, 2022)가 진행되고 있다.
특히, 일본의 Yashiro et al. (2012) 및 Shimamoto (2014)는 지반의 강도비와 토피 하중 관계로 부터 철도 터널 노반의 융기발생에 대해 수직보강재인 락볼트를 이용한 융기 억제 효과를 연구하였으며, 연구 결과 융기 억제 효과는 볼트 설치 개수 및 길이에 따라 영향을 받고, 수직 타설시 효과적인 것으로 나타났다. 또한, 설치 각도는 보강 효과에 큰 변화가 없는 것으로 분석되었다.
터널 노면 융기 발생에 대한 원인 및 보강 대책 연구는 전반적으로 지질 이상대, 단층대 구간을 통과하는 철도 터널에서 진행되어 왔으며, 국내 도로 터널에 대한 시공 및 연구 사례는 국한되어 진행되고 있으므로, 최근 증가 하고 있는 도로 터널에서의 노면 융기 발생에 대한 원인 분석 및 융기 억제를 위한 효과적인 보강 대책 수립이 필요한 상태이다. 따라서, 본 연구에서는 지반 열화에 따른 강도 감소를 반영한 도로 터널 노면 융기량 산정 및 운영 중인 터널에서의 수직보강재 적용시 노면 융기 억제 효과를 분석하였다.
지반 열화에 의한 강도 감소
소성영역 지반 열화의 개념
지반 조건이 불량한 구간에 건설되는 터널의 경우 터널 운영 중 주변 지반의 소성화에 의한 지반 강도 감소와 소성압의 증가로 인한 터널의 구조적 변형 및 도로포장의 균열, 노면 융기 등의 변형이 발생한다. Aydan et al. (1993)은 터널의 소성변형은 터널 굴착에 따른 응력 해방에 기인한다고 제시하였으며, 소성 변형은 굴착에 의한 터널 주변 지반의 소성영역 확대, 소성압 증가를 원인으로 추정하고 있다. 소성영역 발생 후 지반 열화(강도 감소)에 의해 노면 융기가 발생되며, 지반 열화 현상은 지반특성, 지하수 유입, 차량통행에 의한 반복하중 작용 등의 복합적인 요인에 의해 발생하는 것으로 알려져 있다(Ooshima et al., 2005). 본 연구에서는 터널 굴착 완료 후 터널 주변 소성영역구간의 지반 강도 감소에 따라 발생되는 노면의 융기 발생 증가를 고려하였다.
강도 감소에 의한 융기량 산정 조건
강도 감소에 의한 융기량 산정은 구조물의 변형률, 안전율 등 기준 목표치를 설정하고 시행착오법을 통한 기준 목표치에 해당하는 매개 변수를 결정하는 방법이며, 목적함수는 도로포장 유지보수 실무편람(MOLIT, 2013)의 포장 단차 허용 변위를 20 mm, 최근 연구된 고속도로 터널의 운영 중 바닥 융기 발생 구간에 대한 연구(KEC, 2024)에서 포장층 재시공 가능 허용 변위를 30 mm로 제시하고 있으므로 목적함수인 터널 융기량은 30 mm로 적용하였다.
매개변수는 지반 열화 현상을 고려한 강도 감소를 고려하여 소성영역 구간의 지반강도와 관련된 점착력(C′), 내부마찰각(Φ′) 및 변형과 관련된 지반변형계수(E′)를 매개변수로 선정하였다.
연구에서 적용된 강도감소 적용 수행 절차는 Fig. 1과 같다.
운영 중인 터널의 노면 융기 발생 사례
운영 중인 도로 터널에서 터널 변형, 특히 터널 바닥부 융기거동이 발생하는 등 터널 건설과 관련한 문제들이 보고되고 있어 이에 대한 근본적인 원인 규명과 대책이 요구되고 있다. 국내의 경우 철도 및 도로 터널에서 다소 발생되고 있으며, 일본의 경우 안산암, 응회암, 응회각력암, 이암 등의 화산암과 퇴적암으로 구성되어 있고, 단층대 등 지질 구조적 취약성을 가지고 있어 운영 중 노면 융기, 터널 변형 등이 빈번하게 발생하고 있다.
대표적인 도로 터널 노면 융기 발생 사례는 국내의 동해선 문무대왕1터널(Fig. 2)과 일본의 국도 289호선 Kosi tunnel (Fig. 3) 등이 있다. 도로 노면 융기 억제 대책으로 문무대왕1터널에서는 마이크로파일 보강, Kosi 터널에서는 프리캐스트 인버트를 적용하였다.
터널 수치 해석
검토단면
본 연구에서 수치해석을 위해 적용된 터널은 2차로 도로 터널로 계획하였으며, 검토단면은 Fig. 4와 같다. 이때, 터널 하부에 터널 폭의 약 2D (20 m)구간을 Ⅴ 등급 지반으로 가정하여 지반 열화에 따른 강도 감소를 고려한 융기 발생을 검토하였다.
검토 단면은 폭 12.769 m, 높이 8.134 m이며, 지반 등급은 Ⅴ등급(RMR = 0–20)을 적용하였다.
해석모델
2차원 평면변형률 모델을 적용하였으며, Fig. 5 및 Fig. 6은 해석 모델과 해석에 적용된 유한요소망을 보여준다. 좌·우측 경계면은 터널 측벽부로부터 7D (D = 12.8 m, 해석범위 100 m) 떨어진 지점에 하부 경계면은 터널 노면으로부터 11H (H = 8.2 m, 해석범위 100 m) 이격된 지점에 설치하여 인위적으로 설치된 해석 경계의 영향을 최소화 하였다.
적용지반정수
수치해석에 적용된 지반 정수는 운영 중에 노면 융기가 발생한 기존 터널 설계 시 제시된 지반 정수를 인용하였으며, Table 1과 같고, 마이크로파일의 재료적 특성은 Table 2와 같다.
Table 1.
Ground strength parameters used in the numerical analysis
Table 2.
Material properties of the micropile of the road surface
|
Type of reinforcement |
Specifications (mm) |
Corss section area A (cm2) |
X-axis section modulus, Zx (cm3) |
Y-axis section mouulus, Zy (cm3) |
Elastic modulus E (MPa) |
| Micropile | Φ75 | 44.2 | 41.4 | 41.4 | 210,000 |
지반 열화시 강도감소에 의한 융기량 산정
터널 하부 지반 열화에 따른 강도 감소율은 초기 지반 강도의 10–70%까지 감소시켜 분석하였으며, 이때, 도로포장 및 노면의 융기량을 파악하였다. 지반 열화에 의해 감소된 지반 강도 정수는 Table 3과 같고, 터널 노면 무보강시 발생되는 융기량은 Table 4와 같다.
Table 3.
Ground strength parameters at a given ground deterioration
Table 4.
Variation in uplift of the road surface with strength reduction ratio
| Division | Strength reduction ratio (%) | |||||||
| 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | |
| Surface uplift (mm) | 0.0 | 7.0 | 15.4 | 29.1 | 45.5 | 65.7 | 88.9 | 113.8 |
Fig. 7은 지반 열화에 따른 강도 감소를 고려한 터널 노면의 무보강시 융기량 그래프이며, 허용융기량 30.0 mm 이내로 발생하는 지반의 강도감소율은 30%내외이고, 강도 감소율 70% 발생시 최대융기량은 113.8 mm가 발생하는 것으로 검토되었다.
수치해석 보강 Case
Micropile 대한 수치해석 Case는 설치 본 수, 설치 길이, 종방향 설치 간격, 설치 각도에 대해 검토하였으며, Fig. 8과 같다.
파일 설치 본 수는 2본, 4본, 6본에 대하여 검토하였으며, 설치 본 수의 경향 파악을 위하여 파일 길이는 8 m, 종방향 설치 간격은 1 m, 설치 각도는 수직으로 적용하였다. 해석결과는 Table 5 및 Figs. 9 and 10과 같다.
Table 5.
Variation in surface uplift with the number of micropiles
연구 결과 마이크로파일 본 수 2본 및 4본 설치 시에는 지반 열화에 의해 강도 감소율 37%, 43% 시 융기량이 30 mm를 초과하는 것으로 확인되었다. 파일 본 수 6본 설치 시에는 강도 감소율 70%에서도 융기량이 24.32 mm가 발생하여 허용 융기량을 초과하지 않는 것으로 나타났다. 따라서 마이크로파일 본 수는 6본 이상 설치 시 노면 융기 억제에 대한 효과가 있는 것으로 확인되었다.
설치 길이는 6, 8, 10 m에 대하여 검토하였으며, 설치 길이의 경향 파악을 위하여 파일 본 수는 6본, 종방향 설치 간격은 1 m, 설치 각도는 수직으로 적용하였다. 해석 결과는 Table 6 및 Figs. 11 and 12와 같다.
Table 6.
Variation in surface uplift with the length of the micropiles
연구 결과 파일 길이 6 m 설치 시 지반 열화에 의한 강도 감소율 63% 이상에서 융기량이 30 mm를 초과하는 것으로 확인되었다. 파일길이 8 m, 10 m 설치 시에는 강도 감소율 70% 시 융기량이 23.85–24.32 mm가 발생되어 허용 융기량을 초과하지 않는 것으로 나타났다. 따라서 마이크로파일 길이는 8 m 이상 설치 시 노면 융기 억제에 대한 효과가 있는 것으로 확인되었다.
파일 종방향 설치 간격은 1.0, 1.5, 2.0 m를 적용하였으며, 설치 본 수는 6본, 설치 길이는 8 m, 설치 각도는 수직으로 적용하였다. 해석 결과는 Table 7 및 Figs. 13 and 14와 같다.
Table 7.
Variation in surface uplift with longitudinal spacing of the micropiles
연구 결과 종방향 설치 간격 2 m 적용 시 강도 감소율 62%를 초과할 때 융기량이 30 mm를 초과하는 것으로 확인되었다. 파일 종방향 설치 간격 1 m, 1.5 m 적용 시에는 강도 감소율 70% 시에도 융기량이 24.32–29.95 mm가 발생되어 허용 융기량을 초과하지 않는 것으로 나타났다. 따라서, 파일 종방향 설치 간격은 1.5 m 이내로 설치 시 노면 융기 억제에 대한 효과가 있는 것으로 확인되었다.
파일 설치 각도는 노면에 수직, 외곽 공 15°, 30°로 적용하였으며, 파일 본 수는 6본, 설치 길이는 8 m, 종방향 설치 간격은 1 m에 대하여 검토하였다. 해석 결과는 Table 8 및 Figs. 15 and 16과 같다.
Table 8.
Variation in surface uplift with micropile installation angle
연구 결과 지반 열화에 의한 강도 감소율 70% 시 융기량이 24.32–27.30 mm가 발생되어 허용 융기량을 초과하지 않는 것으로 나타났다. 파일의 설치 각도는 수직 설치 시 융기량이 가장 작게 발생하였으나, 각도 변화에 따른 융기량 차이는 큰 영향이 없는 것으로 확인되었다. 설치 각도에 따라 융기량 차이가 발생하지 않는 원인은 해석 모델의 소성영역 지반 형상이 수평으로 검토된 결과이며, 단층대, 지층의 경사 변화 등 검토 조건이 변경될 경우에는 융기량에 차이가 발생할 것으로 판단된다.
수치해석 보강 Case에 대한 해석 결과 고찰
노면 융기 억제 대책으로 마이크로파일 적용시 설치 본 수, 설치 길이, 종방향 설치 간격이 융기량에 영향을 미치는 요소로 작용하며, 설치 각도는 큰 영향이 없는 것으로 확인되었다. Fig. 17은 강도 감소율 70% 저하 시 Case별 융기량 비교 결과이며, 마이크로파일 미설치 시 융기량을 1.0으로 적용한 결과이다.
검토 결과 마이크로파일 설치 시 융기량은 미설치 시 융기량의 약 21–60% 내외로 발생되었으며, Shimamoto (2014)의 모형시험 및 수치해석 연구 사례에서 마이크로파일의 본 수, 길이 등이 노면 융기 억제 효과에 영향을 주는 것으로 연구된 바, 해석적 방법을 통한 본 연구 결과와 유사한 것으로 나타났다. 특히, 마이크로파일 2본 설치 시에는 미설치 시 융기량의 약 60%에 해당되는 융기량이 발생되었으며, 이는 노면 중앙부에 마이크로파일 설치시 좌·우측 지반으로 하중 전이 현상이 원인으로 추정된다.
결 론
본 연구에서는 운영 중인 터널에서 지반 열화에 따른 강도 감소를 적용하여 노면 융기 발생량을 검토하였으며, 노면 융기 억제 대책으로 마이크로파일 보강에 대해 Case별 보강 효과를 검증하였다.
지반 열화에 의한 노면 융기 발생에 대해 보강 대책 수립 전 도로 노면의 융기 발생량은 지반 열화에 의한 강도 감소율 30%일 때 허용 융기량 30 mm 이상으로 발생하였으며, 강도 감소율 70% 일 때는 최대 114 mm가 발생하는 것으로 확인되었다. 마이크로파일 보강 시에는 파일 설치 본 수, 설치 길이, 종방향 설치 간격에 따라 융기 억제 효과가 크게 차이를 보이나, 설치 각도는 억제 효과에 큰 영향이 없는 것으로 확인되었다. 운영 중 터널 노면 융기 발생에 대해 마이크로파일 보강시에는 파일 본 수 6본 이상을 적용(파일 길이 8 m 이상, 종방향 설치 간격 1 m, 수직 보강)할 경우 융기 발생이 최대 80%까지 억제되는 것으로 연구되었다.
본 연구 결과에 따라 운영 중 터널의 노면 융기 발생에 대한 억제 효과는 주행자의 통행여건, 민원발생, 공사기간 및 시공성 등을 고려할 때 마이크로파일 보강이 노면 융기 보강대책으로 적정성이 있는 것으로 검토되었다.
한편, 향후 운영 중인 터널 융기에 대한 연구에서는 지층 조건, 지층 경사, 소성영역의 규모 등 보다 다양한 검토 조건에서 대책공법의 효과에 대한 연구가 필요할 것으로 판단되며, 운영 중 도로 노면 융기에 따른 억제대책 검토시 참고자료로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
