2-arch 터널 실무 설계 가이드 - 붕괴사례

1. 2-Arch 터널 및 중앙벽체

2-Arch 터널은 중앙터널과 확폭터널로 구성되는 터널 형태로 Pilot 터널의 중앙터널 굴착→ 중앙벽체 시공 → 좌 ․ 우측 확폭 터널을 굴착 순으로 시공된다. 특히 확폭 터널 굴착시 중앙벽체로 하중이 집중되므로 중앙터널 후 시공되는 중앙벽체의 역할이 가장 중요하다. 2-Arch 터널에서의 중앙벽체의 형태는 도로터널과 철도터널이 서로 다르므로 터널 단면 계획시 고려하여야 한다. 초기 도로터널은 철도터널의 단면 형태와 유사하게 계획되었으나 현재는 단면이 완전히 달라서 구분이 가능하다.

두 터널의 중앙벽체의 큰 차이점은 도로터널의 중앙벽체는 연속된 벽체와 같은 구조물이지만 철도터널은 일정 간격으로 비어 있는 기둥과 같은 형태로 구조체의 역할도 좀 달라진다공 생각하면 된다. 간략히 설명하면 지하철 정거장의 플랫폼에서 서서 보면 반대쪽이 보이는 형태의 중앙기둥이 철도터널에서는 적용되지만 도로터널은 연속되는 벽체와 같은 구조물이라 피난연결통로 이외에는 반대편을 볼수 없게 되어 있다. 이런 형태에 따라 철도터널의 중앙기둥 구조계산은 거더형태로 설계되는 것이 합리적이다. 하지만 도로터널은 연속적인 벽체 구조물이라 일반적인 콘크리트라이닝 해석을 수행해도 된다고 생각된다.

2. 2-Arch 터널 붕괴사례 및 문제점 현황

현재까지 2-Arch 터널의 시공사례 중 붕괴 사례는 거의 없었다. 하지만 몇년전 붕괴사례가 발생했다. 알려진 2-Arch 붕괴사례로는 이 프로젝트가 유일하다고 보면 된다. 바로 『복수~대전간 지방도 확포장 구간』 중 2-Arch 터널(구례터널) 붕괴사례이다.

시공 중 이미 2차례의 붕괴가 발생하였고 무리한 공사 진행 및 지반조사의 미흡으로 인한 과도한 하중이 중앙벽체에 집중되어 붕괴로 이어졌다고 알려져 있다. 과도한 하중이라고 하는 함은 설계시 발견되지 않은 단층파쇄대의 존재이다.(한국터널공학회 사고원인 조사보고서 참조) 구례터널은 300m의 짧은 터널로 중앙터널 굴착 후 중앙벽체 시공 완료후, 본선 확폭터널 굴착 중 붕괴가 발생하였다. 초기 붕괴가 발생했을 당시 압성토를 실시하였으나 결국 상부 지표가 붕괴로 진행되었다. 구례터널은 지반조건이 실시설계 당시에도 불리한 조건이었다. 붕괴사고후 한국터널학회의 관련 원인조사 용역, 관련 소송을 통하여 현재는 터널이 아닌 토공 방식으로 변경되어 시공되고 있는 것으로 알려져 있다.

필자는 한국터널공학회 사고원인 조사용역에 해석지원으로 참여하면서 현장 방문 및 관련 자료를 접할 기회가 있었다. 구례터널은 지반조건이 매우 불량한 구간으로 파쇄대가 존재하고 주변으로 풍화대가 발달한 지역으로 실시설계시 지반조사를 통해서 확인하지 못한 단층파쇄대가 직접적인 원인이었다고 한다.

다음은 붕괴현장 관련 사진을 몇장 정리했다.

구례터널 붕괴관련 관련 사진
터널 함몰부 전경	붕락부 막장면 단층파쇄대 및 풍화대
터널 종점부 하부 결빙	유입수 고드름 발생현황

따라서 이번 글에서는 2-Arch터널의 중앙벽체 구조계산에 대해서 이야기 해볼려고 한다.

3. 2-Arch 터널의 중앙벽체 구조계산

2-Arch 터널설계에서 터널 단면은 중앙터널, 본선 확폭터널로 나누어진다. 중앙터널은 다시 중앙벽체로 구분할 수 있다. 중앙벽체는 중앙터널 굴착 후 본선 확폭터널 굴착시 하중을 지지하는 구조적인 중요한 역할을 하므로 중요하다. 필자는 2아치 터널 설계를 다수 수행하면서 느끼지만 2-Arch 터널 설계 중 제일 고민하고 신경 쓰는 부분이다. 앞서 언급한 구례터널의 경우도 중앙벽체부의 크랙 발생이 붕괴 전 감지되었다고 한다. 그런 부분을 생각해 볼때 중앙벽체 설계에 좀 더 고민했다면 터널 붕괴로 진행되지 않을 수도 있지 않을까 생각해 본다.

중앙벽체 구조계산에서는 특히 이완하중 산정이 제일 중요하다고 본다. 예전 초기 2-Arch터널 설계에서는 1-Arch 터널의 이완하중을 산정방식을 적용하여 계산을 수행한 설계도 꽤도 있다. 이 방식은 2-Arch 터널의 특성인 중앙벽체부의 중요성을 간과한 방법이라고 생각된다. 중앙벽체는 완전히 다른 구조적 거동을 하므로 기존 방식과 동일하게 구조계산을 수행하면 안된다.

2-Arch터널에서 중앙벽체 전구간 철근 보강적용은 굴착중인 2-Arch 터널의 구조적 안정성 확보에 유리하다고 생각한다. 따라서 중앙벽체부의 적정 이완하중을 산정하고 구조계산을 수행하는 것이 타당하다. 현재까지 많이 적용하는 방식은 Matsuda의 제안식을 사용하거나 지반조건을 고려한 수치해석을 통하여 중앙벽체에 작용하는 이완하중을 산정하는 방식이있다.

하지만 Matsuda의 제안식의 이완하중 산정은 과도한 이완하중을 산정될 수도 있기 때문에 하중감소계수를 적절히 사용해야 한다. 이렇게 산정된 하중을 다시 구조해석에서 단면력을 산정한다. 다른 방식인 지반조건을 이용한 수치해석방법을 사용하면 사용하중 개념의 중앙벽체에 작용하는 단면력을 구한다는 점에서 앞선 방법과 차이가 있다. 보통의 구조계산은 사용하중에 하중계수를 곱한 하중을 이용하는 것과 차이가 있다는 의미이다. 두가지 방법 중 어느 한가지가 맞다는 것을 이야기 할 수는 없다. 따라서 대표적인 2가지 방식 중 사용하여 2-Arch 터널의 중앙벽체 이완하중을 산정하는 것이 합리적이라고 생각된다.

4. 마무리

2-Arch 터널은 도로공사에서 한때 배제된다는 이야기 있었다. 하지만 2-Arch 터널의 장점은 분명히 존재한다. 그리고 노선계획상 2-Arch 터널로만 가능한 구간이 있기 때문에 적용을 안할수는 없다. 중앙터널, 중앙벽체 시공으로 시공성이 복잡하지만 나름 유용한 터널형식으로 변단면 2-Arch 터널, 비대칭 2-Arch 터널등 다양한 형태로 진화되고 있다. 그리고 3-Arch 터널, 4-Arch 터널 등 여러 형태로 적용할수 있다는 사실도 알아야 한다. 2-Arch 터널에 대해, 특히 중앙벽체에 대해 간략히 이야기 했지만 기회가 되면 2-Arch 터널의 단면 발전 형태에 대해서 이야기 하겠다. 마지막은 다음은 다양한 형태로 적용할 수 있는 2-Arch 터널이다.

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참고문헌

2-Arch 터널 중아벽체 작용하중 산정에 관한 연구(한국지반공학회 논문집, 2007.11, 오규철 외1인)

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Tunnel2023

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