터널 굴착공사시 천단부 보강공법으로 포오폴링과 강관 보강그라우팅이 있다.
각각의 보강공법은 터널해석시 좀 다르게 표현된다.
포오폴링 공법
2차원 해석시 모델링에 표현되지 않는다. 다만 3차원 해석에서는 록볼트처럼 표현한다.
강관 보강그라우팅
2차원 혹은 3차원 해석시 부채꼴 형태의 보강 영역 형태로 표현되며 보강 설계지반정수로 속성 변경하여 반영된다.
(포오폴링은 왜 2차원에서 반영이 되지 않을까? 하는 고민은 한 번쯤 해보았는지 모르겠지만, 필자가 생각하기에 록볼트 형태와 비슷한 시공방법으로 종방향 보강이므로 모델링에 반영하지 않는 것 같다.)
강관 보강그라우팅 공법은 터널 막장 천단부에 강관과 같은 보강재를 적절한 간격으로 설치하고, 그라우팅 주입을 통하여 막장 천단부에 Umbrella Arch를 형성 시켜 주변 지반을 일체화 시키는 공법이다. 이 공법은 지반강도가 증진 되는 효과를 통해 상부의 토압과 이완하중을 분산 시키는 방식으로 터널의 천단부 안전성을 확보한다.
(보통 강관다단 그라우팅, 천공형 보강그라우팅 등 다양한 용어로 사용되고 있다.)
강관 보강그라우팅공법
강관 보강그라우팅 공법은 지반조건에 따라 소구경(Φ60.5mm) 강관, 대구경(Φ114.3mm) 강관으로 보강되며, 천공 → 강관 삽입 → 주입그라우팅 순으로 강관과 그라우팅으로 인한 지반강도 증가효과가 크다.
따라서 터널해석시, 강관 보강그라우팅에 따른 보강 설계지반정수의 산정이 해석결과에 큰 영향을 미치게 된다. 그리고 이 정수는 해석 엔지니어 마다 다양한 근거를 활용하여 산정하고 있다.
강관 보강그라우팅 공법에서 시공 후 주입효과 확인을 위해 시험을 수행할 수 있으나, 현장 여건상 매번 시행하기에는 어려움이 있기 때문에 기존의 연구자료나 관련 논문, 학회자료 등을 고려하여 산정하고 있다.
현재는 일부 상세 해석을 위해서 강관과 구근 모두 모델링을 하며, 그 외 대부분은 보강영역의 속성변경으로 모델링한다.
초기 보강 설계지반정수는 기존의 연구 자료와 학회 논문 등을 통하여 원지반 물성에 대하여 일정비율을 증가시켜 추정하는 방법을 사용하였다.
예를 들면 변형계수 2배, 점착력 2배... 이런식의 보강 설계지반정수를 산정법을 주로 사용하였다.
강관 보강그라우팅 적용에 따른 원지반 설계지반정수의 변화를 정량적으로 파악하는 것은 기술적으로 쉽지 않기 때문에 국내에서 발표된 각종 논문 및 연구사례들을 근거로 추정하였다.
하지만 원지반의 설계지반정수에 따라 결정되기 때문에 편차가 크고, 강관, 그라우팅재, 중첩 길이 등 다양한 인자들을 고려하지 못하여 실제 보강조건에 따른 설계지반정수의 증가를 제대로 반영 못하는 단점이 있다.
다음은 원지반 물성을 일정 비율로 증가 시켜 보강 설계지반정수를 산정하는 실시 설계 터널해석보고서의 관련 내용을 발췌하여 해당 자료의 근거를 정리해 보았다.
위의 내용들은 예전 터널해석보고서에 주로 표기된 내용으로 『강관보강형 다단 그라우팅공법의 개발(연구)(1994, 한국건설기술연구원)』, 『3차원 터널해석에 의한 강관보강형 다단그라우팅의 보강효과(1996, 한국지반공학회 학회지)』 라는 학술자료를 근거로 한 것으로 판단된다.
그리고 위의 방식으로 산정된 보강 설계지반정수는 엔지니어의 판단에 따라 조금 다르게 반영되기도 하였다. 변형계수, 점착력, 내부마찰각, 포아송비 등의 보강 설계지반정수를 전부 반영하여 해석을 수행하거나 변형계수와 점착력만 반영해서 연속체 해석을 수행하기도 했다.
현재는 다양한 보강 관련 논문이 나오고 있으나 아직도 실제 강관 보강그라우팅 시공 후 설계지반정수의 강도증가를 수치화 한 자료는 많지 않다.
그래서 현재는 원지반, 구근, 강관, 강관의 중첩길이, 설치각도 등 여러 인자를 고려한 등가물성 산정방법을 많이 사용하고 있는 것으로 알고 있다.
다음은 등가물성 산정방법으로 보강 설계지반정수를 산정하는 일반적인 방법 3가지 자료를 정리하였다.
필자도 사용하고 있고, 다양한 설계프로젝트를 수행하면서 만나는 성과품에 수록되는 자료들이라고 볼 수 있다.
송기일, 조계춘의 『터널 사전보강 영역의 효과적 수치해석을 위한 등가 물성치 결정 기법』(터널기술 제8권 제2호, 2006),
도로설계편람(2011) 터널편에 나오는 등가물성 산정법,
황영철, 김기림, 이정흠의 『터널천단 보강공법 적용시 등가물성 산정방법에 대한 고찰』(자연, 터널 그리고 지하공간 Volume 13 issue 2, 2011)
이상 3가지 자료는 보강물성을 산정하는 근거로 해석담당 엔지니어가 주로 사용하고 있다고 봐도 무방하다.
엑셀형태로 만들어진 자료를 선배로부터 받아서 사용하기에 출처를 고민하지 않고 있다면 이글을 보고 한번 자신이 가지고 있는 보강 설계지반정수 산정하는 엑셀자료의 근거를 한번 찾아보기 바란다.
다음은 3가지 자료에 나오는 등가물성 산정법에 대한 검토 CASE를 정리해보았다.
강관 보강그라우팅을 적용한 터널해석을 수행시 앞서 언급한 보강 설계지반정수의 산정은 해석결과를 좌지우지 하는 해석인자이므로 위의 3가지 혹은 다른 합리적인 논문자료가 있다면 그 자료를 선정하여 해석에 반영해야 할 것이다.
천단부 보강뿐 아니라 측벽그라우팅 및 하부그라우팅 등 다양한 터널 보강공법이 있으므로 보강 설계지반정수의 산정은 항상 고민을 해야 하는 부분일 것이다.
필자는 위의 등가물성 산정법에 의해서 산정된 보강 설계지반정수를 기존의 다양한 논문 내용과 비교 분석하여 사용하는 편이다. 등가물성 산정법에 나온 증가비의 상한을 어느정도 두고 결정하는 편으로 특히 토사구간의 보강 설계지반정수의 강도 증가비는 논문에서 언급된 것보다 어떤 경우에는 휠씬 크게 증가되므로 이 부분에서는 다소 안전측 강도 증가비를 적용해서 해석을 수행하고 있다.(이부분은 필자의 주관적인 의견임)
앞으로 강관 보강그라우팅을 시공하는 회사가 자신의 보강공법(강관 보강그라우팅관련 특허공법이 많음)에 대한 지반강도를 수치적으로 제시 해줄 수 있다면 연속체 해석에 의한 보강공법의 최적화를 이룰 수 있을까 하는 생각도 한다.
끝으로 등가물성 산정 및 터널 보강에 따른 지반강도 증가에 대한 참고 논문 목록을 정리했으니 업무에 도움이 되었으면 좋겠다.
[1] 도로설계편람 (국토교통부, 2011)
[2] 강관보강형 다단 그라우팅공법의 개발(연구), (한국건설기술연구원, 1994.12)
[3] 3차원 터널해석에 의한 강관보강형 다단그라우팅의 보강효과, (이봉렬, 김형탁, 김학문, 한국지반공학회지 1996.8)
[4] 그라우팅에 의한 터널 보강효과의 해석적 연구, (이종우, 이종석, 김문겸, 터널과 지하공간 1996)
[5] 연약지반내 굴착터널의 안정성 평가 및 최적보강설계에 관한 연구, (최성웅 신희순, 한국암반공학회, 1997)
[6] Umbrella Arch공법에 의한 터널 천단부 보강시 주변지반의 거동에 관한 연구, (배규진, 김창용, 문홍득, 홍선완, 한국암반공학회, 1997)
[7] Umbrella Arch공법에 적용된 터널의 3차원 유한요소해석에 관한 연구, (김창용, 배규진, 문현구, 최용기, 한국암반공학회, 1998)
[8] 실험값을 이용한 NATM터널의 보강효과에 관한 수치해석적 연구, (허경한, 김낙석, 한국방재학회, 논문집제4권 2호13~18p, 2004.6)
[9] 터널 사전보강 영역의 효과적 수치해석을 위한 등가 물성치 결정 기법, (송기일, 조계춘, 터널기술 2006.6)
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