2012년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2012A126

카린시안 적용구간 지보패턴 설계 사례

A Case of Design of Support Pattern in Sections of the shallow tunneling method using cut and cover structure

김영덕*†, 신현강*, 임상만*, 우성원*, 신현곤*

Young-Duck Kim*†, Hyeon-Kang Shin*, Sang-Man Lim*, Sung-Won. Woo*, Hyeon-Kon Shin*

Abstract Since the site elevation of ○○ Railway Depot was planned to separate 5~6m from the Top End of main line of ○○ Tunnel, it was necessary to insure the tunnel stability at a shallow depth. Hence, Caninthian Cut and Method was applied to prevent the excessive slope cut of Cut and Cover tunnel section and solve the high cost problem of reinforcement method. The construction sequences are as follows; First step is to excavate the soil cover of the Tunnel. Then, the arch crown concrete structure is constructed and back filled. The rock grade was measured considering the site characteristic, that is, fault fractured zones of the specific sections. The validity of support patterns of Caninthian Cut and Cover Method was evaluated comprehensively regarding previous construction cases and numerical analysis results. Keywords : Carinthian Cut and Cover Method, fault zones, support pattern, numerical analysis 초 록 ㅇㅇ차량기지 부지계획고(E.L 129.57m)가 본선 ㅇㅇ터널 천단부와 5~6m 이격되어 계획됨에 따라 저토피구간의 터널안정성 확보를 위하여 터널 상부토피를 굴착하고 크라운 아치 콘크리트 구조물을 시공한 다음 다시 되메움을 실시하여 개착구조물의 비탈면 과다절취와 보강공법의 고비용 문제를 해결할 수 있는 카린시안공법을 적용하였다. 해당구간의 지층이 단층파쇄대가 발달한 지역을 고려하여 암반등급을 선정하였으며, 카린시안공법 지보패턴의 적정성을 기존 시공사례, 수치해석결과를 종합적으로 검토하여 선정하였다. 주요어 : 카린시안공법, 단층파쇄대, 지보패턴, 수치해석

1. 서 론

저탄소 녹색친화 및 저비용 고효율 차량기지 건설에 대한 요구가 증가함에 따라 차량기

지 하부를 통과하는 터널구조물 사례가 증가하고 있다. 특히 터널의 유효 토피고를 확보하

지 못하는 저토피 터널에는 일반적으로 강관 등의 수평보강재를 이용하여 천단부 보강후 굴

착을 실시하거나 완전 개착공법을 채택하는 것이 일반적이다. 본 사업구간에서는 차량기지

하부에 시공될 터널의 안정성 확보 대책으로 키린시안공법을 적용하였으며 터널 굴착시 안

정성 확보를 위해 기존시공사례, 수치해석결과를 종합적으로 검토하여 지보패턴을 제안하였

다.

† 교신저자: 포스코건설 토목환경사업본부 토목기술그룹(wrapping@poscoenc.com)

* 포스코건설 토목환경사업본부

2. 본 론 2.1 카렌시안 공법

2.1.1 공법 개요

카린시안 공법은 저토피구간의 터널 통과를 위하여 터널 상부토피를 굴착하고 크라운 아

치(Crown Arch) 콘크리트 구조물을 시공한 다음 다시 되메움을 실시하여 개착구조물의 비탈

면 과다절취와 보강공법의 비용 문제를 해결하는 공법이다.(Fig 1.) 터널 굴착시 상부 토피

의 붕괴를 방지하는 저토피 구간에서의 반개착 터널 공법으로 1984년 처음으로 시공된 굴착

공법이다.

Fig. 1 Concept of Carinthian method

본 공법의 적용대상은 일반적으로 다음과 같이 ① 터널 토피가 충분치 않아 NATM 터널 시

공이 어려운 저토피 구간, ② 장기간 개착토공을 유지하기가 곤란한 저토피 구간, ③ 가시

설 시공에 필요한 대형장비의 진입 등이 곤란한 구간에 적용한다. 2.1.2 시공순서

본 공법의 일반적인 시공순서는 Table 1.과 같이 터널 상부를 개착하고 마이크로파일을 설

치한 후 방진매트를 설치하고 아치슬래브를 시공하며 되메우기를 통한 원지반 복원 후 본선

터널을 시공한다. Table. 1 Construction sequence

1 단계 2 단계 3 단계 4 단계

∙ 터널 상부 개착 ∙ 마이크로 파일 설치

∙ 방진매트 설치 ∙ 아치슬래브 철근조립

∙ 슬래브 콘크리트타설 ∙ 상부 되메우기 ∙ 모수터널 시공

2.1.3 사례검토

국내 사례로는 전라선 1공구 해룡터널, 중앙선 3공구 월문터널, 경전선 5공구 용담터널 및

호남고속철도 1-2공구 갈산터널에서 적용한 사례가 있으며, 해외사례로는 독일 NeuenBerg 터널, 일본 신칸센 야에하라 터널, 브라질철도 타구아팅가 터널 건설공사 등이 있다.(Table. 2)

Table 2. Construction Case of Carinthian Method

구 분 국내사례 국외사례

대표사례

전라선 1 공구 해룡터널 독 일 NeuenBerg Tunnel

기타사례 ∙ 중앙선 3 공구 월문터널

∙ 경전선 5 공구 용담터널

∙ 호남고속철도 1-2 공구 갈산터널

∙ 일본신칸센 야에하라터널

∙ 브라질철도 타구아팅가터널

∙ 독일 B27 터널

2.2 카린시안 공법 계획 2.2.1 카린시안 적용 현황

동해남부선 00차량기지 건설공사는 울산광역시 울주군 청량면 덕하리 임야지역에 위치하

며 시설규모는 전동차 28편성에 대한 유치시설 1식, 전동차 56편성의 정비에 필요한 경수선

/중수선 시설 각 1식 및 기타 차량기지 운용, 관리를 위한 부대시설 1식으로 구성되어 있다.

특히 차량기지 하부에 동해남부선 0공구 본선 00터널이 계획되어 있다.

기본계획시 차량기지 부지계획고가 E.L 142m로 계획되어 차량기지 하부에 위치한 본선 터

널과 1D이상 이격되었으나, 기본설계시 검수운용 효율성을 극대화시키기 위하여 완전 관통

형 배선으로 변경 계획하였다. 이에 따라 장대레일설치 및 관련 설계기준 준수를 위하여 부

지계획고를 E.L 129.57m로 선정하였다.(Fig 2.)

따라서 차량기지 하부에 위치한 동해남부선 본선 00터널 천단부와 5~6m 이격되어 계획됨

에 따라 저토피구간의 터널 안정성 확보가 필요하여 카린시안 공법을 적용하여 00터널 안정

성을 확보하도록 계획하였다.

(a) min. Radius of Longitudinal curve (b) min. the front free distance

Fig. 2 Selected Reason of the depot height

2.2.2 지반특성 분석

ㅇㅇ터널을 포함한 차량기지 부지 지역은 사암과 이암이 호층을 이루는 퇴적암이 분포하며,

터널 종점지역에 국부적으로 응회암이 분포한다. 퇴적암은 고결화 된 백악기 퇴적암으로

강도측면에서는 결정질 암석과 큰 차이가 없어 양호한 지반상태를 형성하지만 수차례의

지질작용으로 지역에 따라 단층파쇄대가 발달하여 매우 취약한 지반상태를 보인다.

지반특성은 상부의 토사층은 0.3~4.0 m 두께로 비교적 얇게 분포하며, 풍화대 발달이

미약한 것이 특징이며, 연암 내지 경암의 분포심도가 낮아 저토피를 형성하는 계곡부에서도

기반암이 분포한다. 전기비저항탐사에 의한 저비저항이상대와 시추조사에서 확인된

지질이상대는 총 3 개소에서 확인되는데, 58km200, 58km400, 58km550 지점에 해당된다.(Fig 3.) 이 구간의 RQD 는 0~35 %정도로 매우 불량한 암질상태이며, 절리면에 단층활면이 발달하여

단층파쇄대로 평가하였다. 터널구간에서 나타나는 지질이상대의 규모는 다음 Table 3.과 같다.

Fig 3. Distribution of the fault fracture zones

Table. 3 The scale of fault fracture zones

구 분 F2 F3 F4

방 향 N60E N62E N57E

경 사(˚) 65NW 50NW 40NW

순 폭(m) 3~5 3~5 1~2

비 고 단층파쇄대 단층파쇄대 파쇄대

특히, N60E 내지 N62E 방향으로 추정되는 F2 와 F3 단층파쇄대의 규모(순폭)가 3~5m 로 가장

크게 나타나는데, 터널계획고까지 매우 불량한 암질상태로 터널시공시 안전대책이 요구된다.

터널의 암반등급은 기본계획시 Ⅱ~Ⅲ등급이 90%, Ⅳ~Ⅴ등급이 10% 이하로 전체적인 지반이

매우 양호한 암반으로 평가되었으나, 상세조사 결과 단층파쇄대가 다수 발달하여 Ⅱ~Ⅲ등급이

34%, Ⅳ~Ⅴ등급이 66% 정도로 전체적으로 불량한 암질상태로 평가되었다.

2.3 터널안정성 검토 2.3.1 해석개요

표준지보패턴은 터널구간의 암반분류결과를 토대로 구간별 지형, 지질, 터널단면 및 기타

영향요소에 대한 종합적인 분석을 거쳐 결정하였으며, 계획된 지보패턴은 시공시 현지여건에

따라 변경 또는 조절이 가능하도록 설계에 반영하였다.

기존 카린시안공법 시공사례 및 수치해석결과를 종합적으로 분석한 굴진장, 숏크리트,

록볼트, 격자지보재 등의 터널지보량은 다음 Table 4.와 같다.

Table. 4 The support pattern of previous construction cases

구 분 노티터널(호남고철 2-1) 갈산터널(호남고철 1-2) 용담터널(경전선 5)

CD-1 CD-2 CD-3 CD-1 CD-1

굴진장 1.5/1.5 1.2/1.2 1.0/1.0 1.0/1.0 1.0/1.0

록

볼

트

길이(m) 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0

종/횡방향 1.5/1.5 1.2/1.5 1.0/1.2 1.0/1.2 1.0/1.2

격자지보

규격/간격

50X20X30 1.5m

50X20X30 1.2m

50X20X30 1.0m

95X22X32 1.0m

70X20X30 1.0m

카린시안공법을 고려한 터널굴착의 안정성 검토를 위해 시공단계 구현 및 대상구간의 지형,

지반조건, 보강공법 적용에 따른 시공순서를 최대한 고려하여 안정성을 검토하였다.(Fig 5.)

Fig 5. Numerical modeling

터널 안정성 해석에 적용한 물성치 및 해석단계는 Table 5.와 Table 6 과 같다.

Table. 5 Properties of support patterns

구 분 단위중량(kN/m3) 점착력(kPa) 마찰각(°) 변형계수(MPa) 포아송비

Ⅱ 등급 26.0 500 42.0 12,000 0.23

Ⅲ 등급 25.0 300 38.0 6,500 0.25

Ⅳ 등급 24.5 180 35.0 2,000 0.27

Ⅴ 등급 24.0 100 33.0 500 0.30

Table 6. Construction sequence 시공단계 시공내용 시공단계 시공내용

1단계 초기화 7단계 상부굴착

2단계 Ko 8단계 상부 Soft S/C + 상부 R/B

3단계 원지반 굴착(차량기지) 9단계 상부 Hard S/C

4단계 터파기 10단계 하부굴착

5단계 카린시안 시공 11단계 하부 Soft S/C + 하부 R/B

6단계 되메우기 12단계 하부 Hard S/c

2.3.2 해석결과 분석

카린시안공법 적용구간에 대해 발생하는 천단침하는 최대 2.66mm 로 내공변위에 비해

상대적으로 작게 발생하였고, 록볼트 축력은 최대 74.1kNd 로 허용치 86kN 이내로, 숏크리트

인장응력은 최대 1.43Mpa 로 허용치 3.26MPa 이내로 나타나 터널 안정성을 충분히 확보하는

것으로 분석되었다.(Fig 6.)

(a) Stress of Rock bolt (b) Stress of Shotcrete

Fig 6. The results of tunnel analysis

3. 결 론

장대레일 부설시 최소 종곡선반경과 차체세척고 전방 여유거리 확보에 대한 설계기준을

만족시키기 위하여 부지계획고를 E.L 129.57m 로 선정으로 하였고 이로 인하여 향후 시공될

터널의 저토피구간에 대한 안정성 확보를 위해 카린시안 공법을 적용하였다.

차량기지 건설 후 하부를 통과하는 터널의 저토피구간의 통과방안으로서 카린시안 공법을

적용하였고 지보패턴 설계를 하면서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

기존 시공사례와 지반조건을 종합하여 지보패턴을 선정하였으며 시공조건을 고려하여

터널의 안정성 검토를 수행하였으며 천단부 침하가 미소하게 발생하고, 지보재에 발생하는

부재력 모두 허용치 이내로 터널의 안정성을 충분히 확보하는 것으로 평가되었다.

향후 본 논문을 바탕으로 저토피구간을 통과하는 터널의 설계에서 카린시안공법의 지보패턴

설계에 참고가 되기를 기대하고자 한다.

참고문헌

(1) 한국철도시설공단(2010), 동해남부선 덕하차량기지 건설공사 기본설계보고서

(2) 이인기, 박상찬, 김기태, 이명섭, 박인복(2010), 기존 하천 하부통과를 위한 카린시안공

법의 적용-호남고속철도 ㅇ-ㅇ공구 건설공사를 중심으로, 터널기술학회지, Vol.12 No.2,

p75-84.