터널신공법(NATM)의 설계와 시공

목      차

1. 터널 신공법의 발달

2. 터널 신공법의 개념

3. 터널 신공법의 Flow Chart

4. 터널 신공법의 설계

4.1 사전지질조사

4.2 암반분류

4.3 터널 안정성 해석

4.4 설계시 고려사항

1) 터널의 내공 단면치수

2) 단면형상의 결정

3) 지보재의 역할

4) 굴착공법

5) 보조공법

5. 터널의 계측

5.1 계측의 목적

5.2 계측 계획

5.3 계측 항목의 선정

5.4 계측간격 및 측정빈도

5.5 계측관리

5.6 계측사례

부록 : 도로터널 터널시공장비

터널신공법(NATM)의 설계와 시공

1. 터널 신공법의 발달

과

거

․

․

∘대규모 터널에서

안정성 저하

지반양호

∘동발목

∘콘크리트 지주

∘강재지주

∘터널주변 이완

∘지보공에 하중 증가

∘취약성 내포

지반불량

∘Shield

∘Messer

∘압기공법

∘시공비 고가

∘공기 소요큼

현

재

․

․

지반양호

전단면

지반불량

반단면

보조공법

∘터널주변 이완 최소

∘취약성 개선(계측에 의한 검증)

∘공기소요 적고

∘시공비 저가

- 1960년 오스트리아의 Rabcewicz가 소개

- 1970년 후반 국내에 산발적으로 도입 적용

- 1982년 서울지하철 3, 4호선에 대규모 도입 적용

- 현재 터널공법은 대부분 NATM을 적용

NATM의 역사

2. 터널 신공법의 개념

재 래 식			터널 신공법
개념	◈ 1차 지보 터널주변에 가해지는 하중을 지보로 지지		개념	◈ 1차 지보 터널지지 주체는 지반자체이고 지보는 지반자체의 지보능력을 최대로 발휘하도록 보조재 수단
	◈ 2차 라이닝 최종지보재로 구조적 기능을 위하여 설치			◈ 2차 라이닝 안전율 증가와 방수 및 기타기능을 위하여 설치

(그림-1) 반경방향 응력과 벽면 변위의 관계

3. 터널 신공법 Flow Chart

(그림-2)  터널 신공법에서의 설계와 시공과의 관계

지  질  조  사

지보패턴 및

굴착공법 설정

시공예의 조사

설계표준안의 검토

설 계 계 산

판 정

시    공

계    측

O  .  K

판 정

FEED BACK

No.

YES

No.

보 강 조 치

YES

4. 터널 신공법의 설계

4.1 사전 지질조사

◦ 지질구조 조사(지형, 지세의 판단)

◦ 지하수 및 용수조사

◦ 정밀 지질조사(Boring조사, 탄성파조사 등)

◦ 시료시험

◦ 지질분석 및 분류

￭ 상기조사는 재래식터널에서나 신공법에서 공히 행하는 조사

￭ 지반의 물성치 파악을 위한 조사는 NATM에서는 특히 요구

￭ 지보 저항력 및 지반, 지보공, 복공의 변형과 응력을 산정하여 이들 부재의 예비설계를 하여야 한다.

예비설계에 필요한 지반 물성치

구분	Conventional Method (Rabcewicz방법)	FEM에 의한 방법	탄소성 지반 해석	점탄소성 지반해석
	∘ 단위중량(σ) ∘점착력(C)	∘ 단위중량(σ) ∘Young율(E) ∘Poisson비(ν)	∘ 단위중량(σ) ∘Young율(E) ∘Poisson비(ν) ∘점착력(C) ∘내부마찰각(Φ)	∘ 단위중량(σ) ∘Young율(E) ∘Poisson비(ν) ∘점착력(C) ∘내부마찰각(Φ) ∘점성계수(τ)
이상의 조사와 획득된 자료로서 지질구조, 지하수의 상태를 파악하고 과거의 실적을 기초로 하여, 설계계산의 결과와 병행한 설계기준 및 시공 방식의 결정을 하여야 한다.

4.2 암반분류.

1) 개  념

￭ 터널 신공법과 관련한 암반분류의 개념은 암반의 지질학적 분류 (일반적 분류)와는 달리, 대상 암반에 대한 터널의 설계 및 시공과 관련한 공학적 의미를 포괄적으로 포함시켜 암반을 정량적으로 분석하는 기법을 의미

￭ 따라서 조사 → 설계 → 시공단계에서 통일된 분류기준 적용이 필요(시공단계에서 설계에의 Feed-back에 필수 요소)

￭ 현재 국내에 적용되는 기준은 각각의 시공조건, 구조물의 사용목적 등에 따른 특성을 고려하여 서울지하철 분류기준, 한국도로공사 암반 분류기준, 건설품셈의 암반 분류기준등 매우 다양(따라서, 그 다양성으로 통일된 분류기준 마련이 곤란하므로 일반적 RQD에 의한 암반분류, RMR에 의한 분류 및 Q-System에 의한 1차 분류 후 지표지질조사 및 각종 물리 탐사에 의한 2차 분류 이를 보완, 터널설계의 기초 자료로 삼는다.)

2) 암반의 공학적 분류

(1) 분류계통도

RQD에 의한 분류

∘분류방법 : 시추 Core의 RQD값

∘탄성계수 추정 : Bieniawski(1978)의 Mass Factor(j)이용

∘지보패턴 : Deere(1970)제시

RMR에 의한 분류

∘분류방법 : 실내암석시험과 불연속면의 상태

∘탄성계수 측정 : Baeniawski(1978)와 Serafim & Pereira(1983)의 추정식

∘지보패턴 : Bieniawski(1989)제시

Q-Sysytem 법

∘분류방법 : RQD값과 불연속면의 상태

∘탄성계수 추정 : Barton(1995), Grimstad&Barton(1993)제시

∘지보패턴 : Barton(1974)

전기비저항 및 탄성파 탐사에 의한 비교분석

∘전기비저항탐사 : 500Ωm 이하(저비저항대)

500～1,000Ωm(중비저항대)

1,000Ωm 이상(고비저항태)

∘탄성파탐사 : 탄성파속도(Vp, Vs)

암반등급 분류

∘등급 - Ⅰ: 극경암             ∘등급 - Ⅱ : 경암

∘등급 - Ⅲ : 보통암            ∘등급 - Ⅳ : 연암

∘등급 - Ⅴ : 풍화암

(2) RQD에 의한 암반 분류

￭ Deere등 (1967)에 의해 제시된 RQD(Rock Quality Designation)는 시추조사시 회수 Core중 10㎝이상것의 길이합과 총 시추장의 비로 정의

[eqn: rm RQD = {SUM 10㎝이상 Core 길이합} over {시추 총 연장} TIMES 100(%)]

￭ 암반 분류 적용

RQD(%)	분 류
<25	매우 불량
25 ～ 50	불 량
50 ～ 75	보 통
75 ～ 90	양 호
90～ 100	매우 양호

(3) RMR에 의한 암반 분류

￭ Bieiawski(1973)에 의해 제안된 방식

￭ 남아프리카 공화국의 다수의 광산용터널 시공 경험으로 얻어진 암반특성과 보강과의 관계를 수치적으로 점수화 (RMR 값)하여 암반을 정량적으로 분류

￭ 현재 세계적으로 가장 보편화된 암반분류법중의 하나

￭ 암반 평가 방법으로 다음의 6가지변수에 분류기준을 둠

① 일축압축강도     ② RQD            ③ 절리간격

④ 절리의 상태      ⑤ 지하수 조건     ⑥ 절리의 방향성

￭ 각매개 변수에 대한 점수 합계 후, 주향, 경사에 대한 굴착 진행방향을 고려 점수를 보정한 값을 RMR 값으로 결정

￭ RMR 값에 의한 암반 분류 등급에 따라 해당 암반내 공동의 평균 자립시간과 폭, 암반의 c, Φ 값 추정

￭ 암반 분류 적용

암 반 등 급	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ
R M R 값	81～100	61～80	41～60	21～40	<20
암 질 상 태	Very Good	Good	Fair	Poor	Very Poor
평균자립시간	15m span에 10년	8m span에 6개월	5m span에 1주일	2.5m span에 10시간	1m span에 30분
암반의점착력 c(t/㎡)	>40	30-40	20-30	10-20	<10
암반의 마찰각 Φ(。)	>45。	35。 - 45。	25。 - 35。	15。 - 25。	< 15。

(4) Q-System에 의한 암반분류

￭ NGI(Norwegian Geotechnical Instinctive)의 Barton(1974, 1993)에 의해 제안된 방법

￭ 스칸디나비아 지역에서 200개의 기시공된 터널 보강실적을 통계처리하여 암반상태와 보강과의 관계분석

￭ 암반상태를 정량적 수치(Q값)로 표현하고 이에 상응하는 보강방법, 보강량 결정

￭ 6개의 변수를 3개의 그룹으로 나누어 종합적으로 암반을 평가

[eqn: rm Q = RQD over Jn TIMES Jr over Ja TIMES Jw over SFR]

◦ RQD/Jn = 암반의 지질구조(암괴의 크기)

① RQD : 암질지수

② Jn : Joint Set Number(절리군 수)

◦ Jr/Ja = 절리면강도 특성

③ Jr : Joint Ronghness Number(절리면 거칠기 정도)

④ Ja : Joint Alternation Number(절리면의 풍화정도)

◦ Jw/SFR = 암반의 활성응력(Active Stress)

⑤ Jw : Joint Water Reduction Facter(절리사이의 물에의한 저감계수)

⑥ SFR : Stress Reduction Factor(응력에 의한 저감계수)

￭ 암반분류 적용

암반등급	Q값	암 질 상 태
Ⅰ	1000 ～ 400	Exceptionally Good
Ⅱ	400 ～ 100	Extremely Good
Ⅲ	100 ～ 40	Very Good
Ⅳ	40 ～ 10	Good
Ⅴ	10 ～ 4	Fair
Ⅵ	4 ～ 1	Poor
Ⅶ	1 ～ 0.1	Very Poor
Ⅷ	0.1 ～ 0.01	Extremely Good
Ⅸ	0.01 ～ 0.001	Exceptionally Good

(5) RMR과 Q-System의 상관관계

￭ 현재 가장 널리 이용되고 있는 이 두가지 암반분류 방법의 비교와 그 상관관계는 다음과 같다.

분류방법	분류기준 요소	배점방법	비 고
RMR	① 일축압축강도(15) ② RQD(20) ③ 절리간격(20) ④ 절리의 상태(30) ⑤ 지하수(15) ⑥ 절리의 방향(-12)	①+②+③+④+⑤+⑥ ( ) : 최대배점	절리의 간격 및 상태, 방향등 3요소를 경험적 판단으로 평가
Q-system	① RQD ② 절리군의 수(Jn) ③ 절리면 상태(Jr) ④ 절리의 풍화정도(Ja) ⑤ 지하수 (Jw) ⑥ 응력 저감요소(SRF)	[eqn: rm Q = RQD over Jn TIMES Jr over Ja TIMES Jw over SFR]	터널 시공시 육안으로 식별될 수 있는 요소로 판단.

￭ 제안된 RMR값과 Q값의 상관 관계식

RMR=9LnQ+44(r=0.77) (Bieniawski, 1976)       RMR=13.5LogQ+43(r=0.85) (Rutedge, 1978)

RMR=5.4LnQ+55.2(r=0.55) (Moreno, 1980)       RMR=5LnQ+60.8(Cameron - Clarke, 1981)

RMR=10.5LnQ+41.8(r=0.66) (Budavari, 1981)     RMR=8Ln(Q×SRF)+30(r=0.92) (R.K, Goel, 1995)

RMRmod = RMR - (일축압축강도와 절리방향의 배점)

4.3 터널안정성 해석

1) 해석목적

￭ 터널 굴착 공법과 표준 지보패턴의 적정성 파악

￭ 터널 굴착에 따른 실제 지반거동과 지보재의 변위 및 응력을 예측하여 터널시공시 안정성 확보를 할 수 있는 기준 제시

￭ 실제 시공시 계측을 통하여 터널 주변 지반과 지보재의 거동을 분석하며 역해석을 통하여 설계시 가정 조건을 확인하고 설계 적정성 여부 평가

2) 안정성 해석 순서

해석위치선정

해석지반 특성치 산정

해석방법 결정

￭지형 및 지질조건

￭지보패턴

￭지반조사 결과 분석

보강대책수립

해석조건 결정

해 석 수 행

연속체 해석

불연속체 해석

종 합 판 단

안정성 검토

NO

YES

￭경계조건

￭해석영역

￭해석단계

￭하중분담율

￭하중분담율

￭지반의 변위, 응력

￭록볼트 축력

￭숏크리트 휨응력

3) 해석위치 및 해석조건

(1) 해석위치의 선정

￭ 적용 지보패턴의 적정성 검토

￭ 지형, 지질 조건상 불리한 부분(토피, 편토압, 파쇄대, 갱구부)

￭ 교차부 및 접속부(피난연락갱, 집진갱, 수직구)

￭ 계측위치(B)와 일치

(2) 해석조건

해 석 영 역	￭ 굴착에 따른 영향이 미치지 않는 범위까지 모델링 - 상 부 : 지표면 또는 토피가 큰 경우는 일부 하중으로 처리 - 측 부 : 2.5D - 하 부 : 2.5H이상
해 석 순 서	￭ 실제 시공방법 및 순서를 고려하여 해석단계 선정 - 전단면 굴착 초기응력상태→상행선 전단면 굴착→지보설치 →하행선 전단면 굴착→지보설치 - 상하반단면 굴착 초기응력상태→상행선 상반굴착→지보설치 →상행선 하반굴착→지보설치→하행선 상반굴착 →지보설치→하행선 하반굴착→지보설치
경 계 조 건	￭ 측 부 : 수평방향 구속 ￭ 하 부 : 수직방향 변위구속
해석물성치, 측압계수, 하중분배율	￭지반조사결과 및 기존자료 참고

4) 해석결과 및 분석

￭ 지표침하, 천단침하, 내공변위

￭ 숏크리트 응력

￭ Rockbolt 축력

￭ 소성영역의 범위

￭ Plotting 결과

- 해석 Mesh                      - 주응력분포도

- 변위도                          - 안전율분포도

- 지보재에 작용하는 모멘트, 축력, 전단력 분포도

- 터널 주변 지반응력 분포도

￭지반 및 지보재의 안정성 검토

4.4 터널설계시 고려사항

￭ 터널은 그 목적에 따라 지하에 필요한 공간을 필요한 시간동안 안전하게 확보 유지할 수 있어야 하므로 설계시 터널 용도에 따른 내공치수를 결정

￭ 지반상태, 토피두께, 지형 및 용수 상태, 안정성 및 경제성을 고려하여 단면형상과 지보공의 규모를 결정

￭ 공기, 시공성 및 사용장비 등에 따라서 굴착공법과 지보설치 시기 등을 결정

￭ 터널은 지하에 굴착된 공간 그 자체가 구조물인 음의 구조물이기 때문에 터널의 안정은 지반상태에 크게 지배된다.  따라서 설계시 결정되는 지보공은 지반의 강도를 최대로 이용할 수 있도록 설계

￭ 지반과의 부착력이 좋은 숏크리트와 지반의 불연속면을 봉합시켜 주기 위한 록볼트가 주지보재로 이용

1) 터널의 내공단면 치수

터널의 내공 단면은 도로나 철도 등 그 용도에 따른 구축한계에다 필요한 여유를 고려하여 소요의 단면적이 되도록 그 크기와 모양을 정한다.

2) 단면형상의 결정

￭ 터널의 단면 형상은 요구되는 내공치수에 따라 결정

￭ 지반 조건과 작용하는 하중조건에 따른 주변지반의 역학적 거동을 분석하여 터널굴착에 대한 안정에 유리하도록 단면 형상을 결정

￭ 터널의 용도와 주변 조건에 따라 결정되는 방수공법은 터널에 작용하는 수압문제와 직결되므로 단면형상의 결정에 매우 중요한 요소

※ 터널단면형상 결정시 고려사항

㉮ 터널사용 목적에 의한 구축 한계

㉯ 터널의 내부 설비

㉰ 지하수위 및 수압 처리방식

㉱ 토피와 지반의 강도

㉲ 터널의 내부 하중과 Lining의 재질과 강도

㉳ 굴착공법과 굴착 단면적

가) 지하수위와 수압에 대하여

￭ 수압이 터널의 구조적 결정에 미치는 영향은 재래식이나 신공법에 의한 터널에서나 마찬가지로 매우 지대함.

￭ 더우기 신공법에서는 2차 Lining이 모든 수압을 부담하도록 되어 있기 때문에 단면 형상을 적절히 조정할 필요가 있음

￭ 수압이 문제되는 경우에는 수압을 해소하기 위한 수단으로서 국내외에서 널리 채택되어온 배수형 방수공법을 추천함

나) 단면 형상과 응력의 분포

지금까지 터널 단면으로서 널리 사용되어온 형상은 대체로 Arch형 Roof에 (1) 연직 측벽을 갖는 경우(그림-3a) (2) 곡선형 측벽과 Invert를 갖는 경우(그림-3b)와 (3) 원형에 가깝거나 원형으로 하는 경우 (그림-3c, 그림-3d)로 대별된다.

그러나 이중에서 원형이나 원형에 가까운 단면은 굴착단면이 비교적 크고 시공이 까다롭기 때문에 수압을 견디어야 하는 경우나 팽창성 지반에서 불가피하게 사용하는 일 이외에는 대개(a) 또는 (b)의 단면이 사용되어 왔다.

(그림-3) 터널의 단면 형상

3) 지보재의 역할

터널 신공법의 주요 지보재의 역할과 기능에 대하여 간략히 설명하고 굴착공법의 종류와 그 장점을 서술하기로 한다.

가) 지  보

(1) 숏크리트

￭ 록 볼트와 마찬가지로 신공법에 있어서의 중요한 지보재임

￭ 연약지반 또는 토피가 얕은 터널에서는 숏크리트가 지보 주체임

￭ 숏크리트는 얇은 구조로 생각하여야 하며 경암 터널에 있어서 암의 붕락방지용으로 두께 5㎝정도의 숏크리트가 쓰이는 수도 있으나 지보로써 이용하는 경우에는 통상 10㎝정도를 최소 두께로 하고 있음

￭ 숏크리트가 너무 두껍게 되면 지반의 변형을 강제 구속하게 되어 과대한 응력이 발생하여 숏크리트가 파괴에 이를 염려가 있음

￭ 숏크리트의 최대 두께는 터널의 크기 및 지반조건에 따라 다르나 통상 25㎝미만으로 채택하고 있음

￭ 변형량이 상당히 크고 숏크리트의 축력이 크게 된다고 예상되는 경우는 가축지보공(U, V형)을 병용하기도 함

(2) 록볼트

￭ 대단면의 터널, 토피가 깊은 터널에서는 숏크리트와 마찬가지로 록볼트의 작용 효과는 지반상태에 의해 달라짐

￭ 변위가 적은 경암지반에 있어서는 변위는 암반중에 존재하는 절리에 따라 발생하려고 하므로 암괴가 붕락하지 않도록 록볼트에 의하여 암괴를 잡아주는 것으로 지반을 안정시킴

￭ 변형이 비교적 큰 지반에서는 록볼트를 조직적으로 배치하므로서 Ground Arch가 형성되어 지반은 일축압축상태에서 이축압축상태로 변화되므로 파괴되기 어려운 상태로 됨

￭ 이와 같은 관점에서 도로터널의 경우 TYPE-1에서는 필요한 경우에 부분적인 록볼트(Random 록 볼트)를 사용하였고 TYPE-2에서는 붕락방지를 위해서 천장에  TYPE-3, 4, 5, 6에서는 단면형상을 고려하여 천정부 및 측벽부에 각각 조직적인 록볼트(System 록볼트)를 설치하였다.

￭ 또한 일부 풍화토의 구간은 토피도 얕고 측압계수도 작을 것이라고 예상되고 이완영역(소성 영역도 포함시켜)이 측벽부에 집중하므로 측벽부만 조직적인 Bolting을 설치하는 것으로 설계함

￭ 록볼트는 그 축력이 항복 응력이하에서 유효하게 작용하므로, 혹시 계측의 결과 록볼트 응력이 항복 응력을 상회하는 경우에는 록볼트의 크기 및 간격 등의 재검토가 필요

(3) Steel Rib

￭ 터널 신공법에 있어서의 Steel Rib은 기본적으로는 숏크리트가 경화할때까지의 지보재로 생각하고 있기 때문에 지반이 양호한 경우는 불필요함

￭ 숏크리트가 경화되지 않은 단계에서는 토압이 집중적으로 작용하면 파괴될 염려가 있는 막장의 자립시간이 짧은 파쇄성의 지반, 토사지반, 팽창성 지반에서는 특히 Steel Rib을 사용하여야만 하고 이 경우에도 재래공법에서 사용하고 있는 대형 Steel Rib은 필요하지 않다.

￭ 변형량이 큰 경우에는 가축 Steel Rib을 사용해야 하지만 그렇지 않은 경우는 고려하여 H형 Steel Rib 및 △형 지보를 사용해도 좋다.

(4) Wire Mesh

￭ 숏크리트에 넣은 Wire Mesh 의 역할은 기본적으로 숏크리트의 부착효과를 증가시키고, 숏크리트의 타설 압력에 의한 굴착면의 손상을 방지하는 효과가 있다.

￭ 따라서 서울 지하철에 있어서도 풍화토 및 풍화함의 경우에 숏크리트의 부착효과를 높이고 굴착면의 손상면을 방지하기 위해서 일차적으로 ø3×50×50㎜의 Wire Mesh를 사용하였고 모든 지반에 대해서는 숏크리트의 강도를 높이고 자중에 의한 붕락의 방지 등을 위하여 2차로 ø5×100×100㎜의 Wire Mesh를 사용하였다.

(5) 2차 Lining

￭ 터널 신공법에 있어서 2차 Lining의 의의에 대한 통일된 경해는 없으나 대체로 다음과 같은 역할을 생각할 수 있다.

㉠ 치    장

2차 Lining은 터널의 변형이 수렴한 뒤에 시공되므로 기본적으로 2차 Lining에 외력은 치장을 위한 목적으로 시공

㉡ 안전율의 증가

록볼트는 통상부식에 대한 방식처리가 되어있지 않으므로 최종적으로 하중을 지보하는 것은 숏크리트와 2차 Lining이다.  록볼트의 부식의 문제나 지반의 불균일성, Shoterete 품질의 불균등의 불확정요소를 고려하여 2차 Lining을 안전율의 증가로 평가

㉢ 2차 Lining후 발생하는 수압, 지반의 Creep변형, 팽창성 지압, 또는 토피가 낮은 경우는 나중에 작용하는 상재하중을 2차 Lining에 의해 지보

㉣ 전하중에 대한 지보

재래공법에서의 사고방식과 마찬가지 숏크리트, 록볼트를 1차적인 지보로 생각하고 최종적으로는 2차 Lining이 전 하중을 지보하는 것으로 생각

￭ 이상과 같이 설계에서의 2차 Lining의 역할을 여러 가지로 생각하고 있으나 외국에서는 현재까지 실적에서는 ㉠, ㉡, ㉢의 개념을 많이 갖는 것같다.  국내터널에서 신공법 적용은 지반 조건이 비교적 양호하므로 숏크리트와 록볼트에 의한 1차 Lining을 시공하면 전하중이 2차 Lining에 작용하는 일은 거의 없다고 보았다.

4) 굴착공법

￭ 터널시공에 있어서 굴착공법은 기본적으로 굴착의  대상이 되는 지반의 상태(막장의 자립성, 용수상태, 균열의 발달정도)와 단면 크기의 상관 관계에 의해 결정되지만 이와 더불어 공기, 터널주변에 보호되어야 할 구조물이 있을 경우 그 허용 침하정도, 또 가용굴착장비 등을 고려하여 터널의 안정성을 확보하면서 가장 경제적인 공법을 채택

￭ 신공법에서는 굴착에 따른 터널주변지반의 이완 확산을 숏크리트의 조기 타설에 의하여 억제가 가능하여짐에 따라 재래공법에 비교하여 아래와 같은 특징이 있음

◦단면분할을 비교적 크게 할 수 있음

◦막장의 자립성이 비교적 불량한 경우도 막장의 자립성을 적극적으로 향상시켜 가면서 굴진 하는 것이 가능

◦굴진도중 지반의 변화에 대한 공법의 변경이 비교적 용이

<표-1> 터널신공법 굴착공법의 분류

공 법		계 략 도		적 용 조 건 (지반 및 단면의 크기)	비 고
		횡단면	종 단 면
전단면공법 (Full Face cut)				◦소단면에서 일반적인 시공법 ◦양호한 지반에서는 중단면 이상도 가능
	Long Bench Cut 공 법			◦비교적 양호한 지반에서 중단면 이상의 일반적 시공법	Bench 길이 L>50m
	Short Bench Cut 공 법			◦보통지반에서 중단면이상의 일반적 시공법	10m<L<50m
	Mini Bench Cut 공 법			◦연약한 지반에서 중․소단면 정도	L<10m혹은 터널 직경의 2배 이내
	Multi Bench Cut 공 법			◦중단면 이상에서 막장의 자립성이 극히 부족한 경우
	가 lnvert 공 법			◦중단면 이상에서 BENCH의 길이를 크게 할 필요가 있는 경우	풍화암 또는 그 이하의 지반상태
측벽선진 도갱공법 (Silot or Side Pilot)				◦대단면에서 지반이 비교적 불량한 경우 ◦침하를 극소화할 필요가 있는 경우

소단면 : 내공폭 3.0m 내외

중단면 : 내공폭 5.0m 내외

대단면 : 내공폭 8.0m 내외

(1) 전단면 공법

￭ 단면전체를 일회에 굴착하는 공법

￭ 지반이 비교적 안정되어 있는 지반이나 소단면의 경우에 가능

장 점	단 점
◦굴착에 따른 응력의 재배치가 한 Cycle에 완료되므로 이론적으로 신공법지보의 특성에 가장부합되는 공법 ◦막장이 단일하므로 작업이 단순 ◦기계화에 따른 급속시공에 유리	◦지질변화에 따라 시공법 변경이 필요한 경우 그 변경이 어렵다 ◦단면이 큰 경우 숏크리트 및 록 볼트 작업이 늦고 큰 작업대 필요

(2) Bench cut 공법

￭ 단면을 수단으로 분할하여 굴착하는 공법

￭ Bench의  단수나 길이는 굴착단면의 크기, 지반조건에 따른 설계상 Invert의 폐합시기 , 투입되는 기계설비 등에 의하여 결정

가) Long Bench Cut 공법

￭ 통상 Bench장이 50m 정도 이상

￭ 지반이 비교적 양호하고 시공단계에 있어서 Invert 폐합을 거의 필요로 하지 않는 경우에 채택

￭ 정의로는 상반선진도갱공법도 포함

장 점	단 점
◦상하반 병행작업이 가능 ◦일반적인 장비의 운용이 용이	◦경사로를 만들지 않으면 버럭이 두번 적재됨

나) Short Bench Cut공법

￭ Bench장이 보통 10m～50m 정도로 공법의 적용번위가 넓고 신공법에 있어서 주류를 이루는 공법

장 점	단 점
◦ 굴진도중 지반의 변화에 대처하기가 용이 ◦ 일반적인 장비의 운용이 용이	◦ 상반 작업공간의 여유가 적어질 가능성이 있음 ◦ 경사로를 만들지 않으면 버럭이 두번 적재됨 ◦ 상하반중 한 부분만 작업이 가능하므로 작업 Cycle의 Balance를 맞추기 어렵다.

다) Mini Bench Cut 공법

￭ 팽창성 지반이나 토사지반에서 Invert 조기폐합의 필요가 있는 경우에 주로 채택

￭ Bench의 길이는 10m 이내 혹은 Tunnel 직경의 2배 이내가 보통

장 점	단 점
◦ Invert의 조기폐합이 가능 ◦ 침하를 최소로 억제하는 것이 가능	◦ 시공 속도가 한정되는 일이 많다. ◦ Short Bench에 비해 비경제적임

라) Multi Bench Cut 공법

￭ 통상 일단의 Bench로는 상반 굴착고가 너무 커서 적용장비의 굴착범위를 넘는 경우나 막장의 자립성이 극히 불량하여 분할굴착을 하여야 할 필요가 있는 경우에 채택

￭ 그 동안의 국내외 실적을 보면 주로 막장의 자립성 때문에 선정되는 예가 많고 대단면에서도 적용사례가 있음(지하발전소, 유류비축기지등)

장 점	단 점
◦ 막장의 안정성을 확보하기가 용이 ◦ 대단면에서도 일반적인 장비의 운용이 가능	◦ 버럭 반출이 각 막장에서 중복되는 일이 많다. ◦ 각단의 Bench 길이가 한정된 경우는 작업공간이 협소해질 가능성이 큼 ◦ 일반적으로 Short Bench 공법보다 변형침하는 크다.

마) 가 Invert 공법 (Temporary Invert Method)

￭ 통상 중단면 이상에서 지반의 변형을 적극 억제하면서 시공성을 높이기 위하여 Bench의 길이를 길게 할 필요가 있을 경우에 Bench 상부에 소정량의 숏크리트를 타설하여  가 Invert를 형성시켜가며 굴진하는 공법

장 점	단 점
◦ 상반Bench의 길이를 크게 할 수 있으므로 상반작업공간을 넓힐 수 있다. ◦ 상반관통후 하반을 시공하면 경사로가 필요없다.	◦ 상반시공속도가 크게 저하될 가능성이 크다. (가 Invert 타설시간, 숏크리트가 일정한 강도에 달하는데 소요되는 시간, 굴착장비의 통행으로부터 가 Invert를 보호하기 위해 버럭 되메우기 시간 등 시간손실이 많다.) ◦ 별도의 숏크리트가 필요하므로 경제성이 떨어진다.

(3) 측벽선진도갱공법(Silot or Side Pilot 공법)

￭ 대단면에서 지반이 연약한 경우 및 도시터널에서 지표침하를 극소화할 필요가 있는 경우에 채택

￭ 측벽도갱의 숏크리트가 하나의  Tube를 형성하여 하중을 부담함으로써 연약지반에서도 침하를 적게 할 수 있으며 또 이 Tube가 터널 중앙부의 지반과 밀착되어 있으므로 측압에 의한 측벽의 이동을 억제하는 것이 가능

장 점	단 점
◦ 대단면 시공에서도 침하를 최소화 ◦ 용수가 많은 경우 측벽도갱으로 배수가 가능 ◦ 대단면에서도 막장의 안정성 확보가 비교적 용이	◦ 일반적으로 공사비가 타공법에 비하여 높다 ◦ 도갱내벽 철거에 많은 시간과 비용이 소요

5) 보조공법

￭ 신공법에서는 굴착후 즉시 숏크리트를 시공하는 것이 중요하며 그 사이 (보통 3～4시간) 막장이 자립하는 것이 안전시공의 전제가 된다. 또 용수가 많아 숏크리트의 시공이 곤란한 경우가 많으므로 주변 지반의 상태, 용수상태에 따라서 주공법 외에 보조공법을 병용할 필요가 있다.

<표-2> 보조공법의 분류

							◦경사 Bolt 혹은 Fore Poling
				천단의 안정			◦Mini Piperoof
							◦강시판
	막장의 안정
							◦Core를 형성시키는 방법 (Ring Cut)
							◦Tunnel Face 숏크리트
				막장의 안정			◦Tunnel Face 록볼트
							◦약액주입 등에 의한 지반개량
							◦동결공법
							◦약액주입공법
				지 수 공 법			◦동결공법
							◦압기공법
	용수처리
							◦Deep Well 공법
				배 수 공 법			◦Well Point 공법
							◦수발용 선진Boring
							◦ 수발용 갱

(1) 막장의 안정수단

막장의 붕괴는 터널 천단부에서는 붕락과 막장면(Tunnel Face)의 붕괴로 대별할 수 있다.

가) 터널 천단부의 안정

Tunnel 천단부의 안정을 확보하기 위해서는 강지보공간격 혹은 1회의 굴진장을 좁히고 막장 전방의 지반과 후방의 1차Lining간의 Arch Action을 기대하여 붕락을 방지하는 것을 기본으로 하나 실제 시공시에는 보조공법이 필요할 경우가 많다.

(가) 경사 Bolt

￭ 일반적으로 풍화암 이상의 균열이 심하게 발달된 지반에서 사용

￭ 순수하게 붕락방지만을 목적으로 하는 형과 지보의 효과까지 기대하는 형으로 분류

㉠ 붕락방지만을 목적으로 하는 경우

(그림-4) 일반적인 경우

￭ 1차 숏크리트 타설후에 강지보공을 설치하고 그 위에서 터널 진행방향으로 통상 10～20° 각정도로 천공하고  록볼트  시공

￭ 이 경우 Mortar을 주입하고 그후 철근봉을 타설하는 형과 철근봉만을 타입하는 형이 있다.

㉡ 지보효과도 기대하는 경우

(그림-5) 특수한 경우

￭ 경사Bolt타입각도를 약간 크게 (약 30°～45°) 함으로써 붕락방지뿐만아니라 지보효과도 기대

￭ 반경방향으로 타설하는 것보다 지보효과는 당연히 적어지므로 지반이 비교적 양호하여 변위가 적고 절리간격이 비교적 넓은 지반에 한하여 적당

(나) Mini Piperoof 공법

￭ 주로 토사터널을 대상으로 하여 천공경보다 약간 큰 Pipe를 타입하여 공벽과  Pipe를 밀착시켜 지반의 이완을 방지하고 또한 붕락을 방지하기 위하여 사용

￭ 철근으로 직경이 커지고 중량이 커지고 취급하기가 곤란하므로 휨강성도 크고 시공성이 양호한 Pipe를 선택

(다) 강시판

￭ 특히 지반이 나쁜 토사터널에서 타입이 가능한 경우에만 유효한 방법

￭ 일반으로 폭 15～20cm 정도의 강시판이 사용되며 지반과의 지지면적이 크므로 경사Bolt나 Mini Piperoof보다 갯수를 적게 시공하는 이점이 있다. 보통 타입이 어렵고 지반이 손상하기 쉽기 때문에 시공에 있어서 반드시 현장타입시험을 행하여 타당성 여부를 확인할 필요가 있다.

￭ 강시판을 사용하는 경우 지반과 숏크리트의 밀착을 도모하기 위하여 가능하면 20cm 정도 간격을 두고 설치하는 것이 좋다.

나) 터널면(Tunnel Face)의 안정

￭ 원칙적으로 굴착단면을 분할하여 노출단면을 최소로 하는 것이 안정을 기하는 기본이지만

￭ 시공상 필요한 단면은 부득이 노출되는 것이 보통이므로 막장면을 보호해야 할 경우가 있다.

(가) 핵(Core)을 남기는 방법

￭ 막장의 자립성이 약한 지반에서 가장 많이 사용되며 막장면으로 작용하는 힘에 저항하기 위해 핵을 남기는 방법

￭ 핵의 길이는 통상 2～3m

(그림-6)  핵을 남기는 예

(나) 막장 숏크리트

￭ 숏크리트를 막장면에 타설하여 막장면의 이완과 확산을 억제하며 붕괴를 방지함

￭ 숏크리트의 역할은 막장면에 굴곡을 완화시켜 응력의 집중을 완화시키고 암괴의 절리에 따른 이동을 숏크리트의 전단저항력에 의해 막는 효과를 기대

(다) 1회의 굴진장을 짧게 하는 방법

(그림-7) 막장에 작용하는 하중상황

￭ 막장면의 이완형상은 막장상부에서 시작하여 점차 넓어져가기 때문에 굴진장이 길어지면 당연히 막장에 작용하는 하중도 증가하므로 굴진장을 짧게 하는 방법에 의해 막장에 작용하는 하중을 경감시킬 수 있다.

(라) 막장면을 록볼트 등으로 보강하는 방법

￭ 팽창성 지반이나 막장의 자립성이 극히 불량한 지반에서는 막장면에 수직으로 Fiberglass등과 같은 제거하기 용이한 록볼트를 타설하여 보강할 수 있으며 타설빈도는 보통 1～2m2에 1회, 길이는 4.0～6.0m 정도

(마) 기타

￭ 그 밖의 방법으로 막장은 안정구배로 눕히는 방법, 약액주입공법, 압기공법, 동결공법 등의 특별한 공법이 있으나 그 사용예가 그리 많지 않으므로 자세한 설명은 생략한다.

(4) 시공중의 용수처리

￭ 신공법에 있어서 용수는 막장의 자립성, 숏크리트의 반발율, 시공등에 큰 영향을 주므로 이에 대한 대책 필요

￭ 터널주변으로의 지하수 유입을 막는 지수공법과 터널주변의 지하수를 강하시키는 배수공법이 있다.

5. 터널의 계측

5.1 계측의 목적

￭ 안전성의 확보

∘ 주변 지반의 움직임을 파악

∘ 각 지보부재의 효과 확인

∘ 구조물로서의 터널의 안전성을 확인

∘ 주변 구조물에 미치는 영향을 파악

￭ 경제성의 확보

∘ 공사의 경제성을 도모

∘ 계측 결과를 설계 및 시공에 반영하여 장래 공사 계획을 위한 자료로 활용

사 전 조 사

기 본 설 계

실 시 설 계

시       공

계       측

안  전  성

공 사 완 료

시공법의 개선

경  제  성

시공법 변경

으로 가능

설 계 변 경

YES

YES

NO

YES

NO

NO

(그림-8) 터널공사시 계측의 위치

5.2 계측계획

계측목적설정

계측단면결정

계측항목결정

관리기준설정

계측기사양결정

설치위치결정

계측간격및빈도결정

∙ 산악터널

∙ 도심터널

∙ 지질조사결과

∙ 주계측 단면 및 일상계측

단면의 배치

∙ 계측 목적에 부합

∙ 터널의 규모

∙ 변위 허용치 결정

∙ 근접 구조물 허용 변형치 결정

∙ 계기의 용량

∙ 정밀도

∙계기의 배치

(그림-9)  단계별 계측 계획의 설정

5.3 계측 항목의 선정

￭ 터널을 굴착함에 따라 어떤 현상과 문제가 발생할 것인가를 판단

￭ 문제가 되는 거동을 파악하기 위해 어떤 계측을 하여야 하는지를 생각

￭ 계측의 방법, 실시상의 제약, 계측기의 설치방법에 유의.

1) 일상의 시공관리를 위한 계측 (계측 A)

① 경내 관찰조사

② 내공변위 측정

③ 천단침하 측정

④ 지표침하 측정

⑤ 록볼트 인발시험

2) 대표 위치에서의 계측(계측 B)

① 지반 시료시험 및 원위치 시험

② 지중변위 측정

③ 지중침하 측정

④ 록볼트응력 측정

⑤ 숏크리트 응력 측정

⑥ 지중수평 변위 측정

⑦ 갱내탄성파 속도 측정

문제 및 현상의 예측

터널 및 주변구조물의 안정유지, 시공의 안정성

합리적이고 경제적인

터널의 설계와 시공법

계측항목의 선정과 그 사양

현장 계측상의 제약에 관한 검토

◦ 터널의 단면 형상            ◦ 측정장비의 형식

◦ Core의 크기                 ◦ 계기설치의 기술적, 가능성

◦ 시공기계                    ◦ 계기의 정도, 측정범위

◦ 계기설치에 필요한 시간과    ◦ 계기의 보호

인력                        ◦ 계기의 내구성

◦ 계측에 필요한 시간과 노력   ◦ 공정, 공사비

계 측 실 시

계측결과의 정리, 검토, 해석, 판단

계측항목과

사양의 재검토,

대체안의 검토

계측의 내용은 만족한가?

대체안은 만족한가?

시공자와

협    의

YES

YES

NO

NO

(그림-10)  계측항목과 그 사양의 검토 FLOW Chart

5.4 계측간격 및 측정빈도

￭ 일상의 시공관리를 위한 계측의 간격은 15～50m로 하는 것이 보통임.

￭ 시공의 초기 또는 지질의 변화가 심할 경우는 계측 간격을 좁게 하고, 양호하고 비슷한 지질이 연속되는 경우는 간격을 넓게 계획

￭ 대표 위치에서의 계측은 시공의 초기단계에서 실시하여 200～500m마다 1측선 또는 Pattern이나 지질이 변하는 구간마다 설치

￭ B계측의 경우는 계측의 목적이나 지질, 시공법 등을 종합적으로 검토한 후 측정 위치를 결정

￭ 계측의 측정빈도는 시공상태나 계측 결과에 따라 측정 빈도를 조정

<표-3> 계측간격 및 측정빈도

계 측 항 목	계측간격	배 치	빈 도				설치시기
			-20～0일	0～15일 (0～7일)	15～30일 (8～14일)	30일～ (15일)
갱내관찰조사	전 연장	각막장	-	1회/일	1회/일	1회/일
내공변위측정	15～50m	수평 2측선 대각선 4측선	-	1～2회/일	2회/주	1회/주	막장후방 1m
천담침하측정	〃	1점	-	1～2회/일	2회/주	1회/주	〃
록볼트 인발 시 험	50본당 1본정도	1단면 5본	-	-	-	-	정착효과발생 후 즉시
지표면침하측정	15～50m	터널상부 3～5개소	-	1～2회/일	2회/주	1회/주	터널전방 15～30m
지반시료시험	200～500m	-	-	-	-
지중변위측정	〃	3～5개소/단면 3～5점/개소		1～2회/ 일	1회/2일	1회/주	막장후방 1～3m
지중침하측정	〃	터널상부3～5개소3～5점/개소	1회/ 2～7일	〃	〃	〃	터널전방 15～30m
록볼트 축 력 측 정	〃	3～5개소/단면 3～5점/개소	-	〃	〃	〃	막장후방 1～3m
숏크리트 응력측정	〃	접선 및 반경방향 3～5개소/단면	-	〃	〃	〃	〃
지중수평변위측정	〃	터널상부양측 중요건물인접	1회/ 2～7일	1회/일	1회/주	1회/2주	터널전방 15～30m
갱내탄성피속도측정	500㎡	측선장 100～200m	-	1회	1회	1회

※ 빈도란 중 (    )은 수렴이 빨리 수렴해 버리는 경우의 빈도임.

(주) 다음의 경우는 계측간격, 계측빈도를 변경할 수 있다.

① 팽창성 지질에서 장기간 지반이 안정치 않을 경우  ② 굴착의 진행이 현저히 빠르거나 늦은 경우

③ Tunnel의 연장이 길거나 혹은 짧은 경우           ④ 양호하며 같은 형의 지질이 연속될 경우

⑤ 지질의 변화가 현저한 경우                        ⑥ 변위가 대단히 빨리 수렴해 버리는 경우

5.5 계측관리

1) 계측 결과의 판단 사항

￭ 터널 신공법(NATM)에 있어서 터널 지보의 설계 시공관리는 원칙적으로 계측 결과에 의해서 적용

￭ 지보재가 지반의 거동과 관련하여 당초 예상했던 기능을 발휘하고 있는지, 또는 지보가 과다한지의 여부를 판단

￭ 2차 Lining시기를 판정하는 기준

2) 지보재의 증감시기

내공 변위의 속도 및 록볼트의 축력, 록볼트의 인발 시험결과 등으로 판단하고 다음의 경우는 적절한 조치를 취하여야 한다.

내공변위	￭ 변위속도가 변함 없이 일정하든지 가속도 상태에 있는 경우 ￭ 평균 변위속도로 추정하여 변형 여유치를 넘는다고 판단되는 경우 ￭ 시공상의 변화(하반의 굴착등)가 없는데, 시간과 변위의 관계를 반대 수지에 그렸을 때 멸곡점이 생긴 경우 ￭ 변형 방향이 일정하지 않고 부분적으로 극히 커서 지보재에 Buckling이 생길 때
R o c k B o l t	￭ 록볼트 길이의 약 6%이상의 변형이 예상되는 경우 ￭ 록볼트의 인발시험 결과로부터 충분한 인발내력이 얻어지지 않는 경우 ￭ 록볼트의 선단에 축력의 Peak치가 있는 경우 ￭ 소성 영역의 범위가 록볼트의 길이를 넘는다고 판단되는 경우 (록볼트의 축력 측정과 지중 변위측정 결과로부터)

3) 2차 Lining의 시기

① 변위량이 수렴한 경우

② 30일간의 평균 변위 속도가 규정치에 미달하는 경우

③ 변위 속도가 좀처럼 줄어들지 않지만 2차 Lining에 의해 변위 속도가 줄어들 것으로 판단되는 경우

<표-4> 계측결과의 판단 사항

관리항목	중요한 계측항목			판 단 사 항
일상관리를 위한 계측	일상시공관리	갱내관찰조사		∙시공의 적합 및 안전성 여부의 Check
		지표면침하		∙두께가 얇은 경우, 위험방지 효과 및 작용하중 Check
		천단침하 내공변위 지중변위	시공	∙굴착방법, 굴착단면의 크기, 굴착장 및 시공순서
			설계	∙록볼트의 길이, Pattern, 시공순서 ∙Steel Rib의 형상, 방법, 종류 ∙기타(Wire Mesh등) ∙Lining의 시기, 변형여유량, Inert의 시기, 효과
		록볼트의 인발시험		∙재료의 Check ∙종류의 선정
		숏크리트의 강도시험		∙재료의 Check
장래의 설계 및 미굴착 구간의 설계 시공에의 반영	지반의 시료시험			∙지반의 시험치
	내 공 변 위			∙지보의 설계 ∙변형여유량 ∙시공계획
	지중변위측정			∙설계조사 ∙록볼트길이
	록볼트의 축 력 측 정			∙록볼트의 설계
	숏크리트 응 력 측 정			∙Shoterete두께, 시공시기

5.6 계측 사례

(그림) 간벽구간에서의 내공변위 측정결과

부      록