Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association ISSN:2233-8292(Print) 2287-4747(Online) 한국터널지하공간학회 논문집

본 연구는 대심도 수직구 굴착에서 저부 암반 발파로 발생한 진동이 지하연속벽(slurry wall)으로 전달되는 거동을 3차원 수치해석으로 평가하고 발파 단면 구성과 암반 조건에 따른 진동 저감 효과를 비교하였다. 수직구에서는 발파면과 지하연속벽 하단부의 이격거리가 짧아 진동 전달이 커질 수 있으며 이는 균열, 이음부 결함, 누수 등 시공 품질 문제를 악화시킬 가능성이 있다. 본 연구는 이러한 현상의 직접적인 인과관계를 규명하기보다, 동일 조건에서 발파 단면 변경이 벽체 진동 응답에 미치는 상대적 변화를 정량화하는 데 목적이 있다. 현장 설계 및 시공 정보를 바탕으로 3차원 수직구 지하연속벽 모델을 구축하였다. 암반부 물성치를 달리 적용하여 풍화암, 연암, 경암 조건을 대표하도록 하였다. 일반 발파, 이격 발파, 선굴착 후 발파, 이격발파와 선굴착 발파 병용의 네 시나리오를 동일한 해석 가정 하에서 비교하였다. 지하연속벽의 응답은 최대입자속도 PPV와 굴착 심도에 따른 분포로 평가하였다. 해석 결과 PPV 수준과 심도별 응답 형상은 발파 단면과 암반 조건에 민감하게 변화하였다. 일반 발파 대비 이격 및 선굴착 적용 시 지하연속벽으로 전달되는 진동이 저감되는 경향을 보였으며 저감 정도는 암반 조건에 따라 달랐다. 본 연구 결과는 대심도 수직구 시공에서 진동 저감형 발파 단면 선정을 위한 상대적 경향을 보여준다.

쉴드 터널 설계에서 세그먼트 라이닝의 이음부는 터널 전체의 강성 저하와 단면력의 재분배에 영향을 미친다. 특히 종방향 세그먼트 이음부의 회전강성은 세그먼트 라이닝의 구조 거동과 안정성을 결정하는 중요한 인자다. 그러므로 일본토목학회의 터널표준시방서에서는 이를 반영하기 위해 보와 회전 스프링을 이용한 세그먼트 링 모델을 제시하고 있다. 본 논문은 일본 기준에 정의된 세그먼트 이음부의 역학적 메커니즘과 비선형 거동을 분석하고, 국내 실무에서 일반적으로 적용하는 선형 회전강성과 비교하였다. 본 연구는 향후 쉴드 터널 설계 시 관련 기준과 구조 모델의 합리적 적용을 위한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

도심 지하교통 인프라는 공간 활용성과 시공 안정성 측면의 장점으로 인해 Shield TBM 공법의 적용이 확대되고 있다. 그러나 Shield TBM을 적용한 터널 굴착 과정에서는 시공 단계별로 서로 다른 침하 메커니즘이 복합적으로 작용하며 지표침하가 누적되어 발생한다. 기존 연구는 대부분 최대 침하량이나 침하 곡선 형상 예측에 초점을 두어 왔으며, 굴착 단계별 침하를 분석한 연구는 상대적으로 제한적이다. 본 연구에서는 Tehran Metro Line 7 현장의 계측 데이터를 기반으로 3차원 유한요소 수치해석 모델을 구축하고 실측 침하량과 비교하여 모델의 신뢰성을 검증하였다. 검증 결과, 차이는 0.3 mm, 오차율은 4.23%로 나타나 현장 거동을 높은 정확도로 재현하였다. 검증된 모델을 활용하여 터널 직경과 지반 탄성계수를 변수로 하여 침하를 막장, 쉴드, 테일 침하 단계로 구분하여 비교 분석하였다. 결과적으로, 직경이 증가하고 탄성계수가 감소할수록 전체적인 침하량은 증가하는 경향을 보였다. 또한 직경 3 m에서는 막장 침하가 가장 큰 비중을 차지하였으나, 3 m를 제외한 모든 직경 및 강성 조건에서는 테일 침하가 가장 크게 발생하였으며 쉴드 침하는 상대적으로 일정한 기여율을 유지하였다.

본 연구는 터널 강관보강 그라우팅에서 주입량에 대한 정량적 관리기준이 명확하지 않은 상태에서 데이터 분할과 상측 단측 허용한계를 이용하여 주입량 임계치(Q*)를 산정하고, 이를 기반으로 고주입 관리구간의 보강 필요성과 안정성 개선 효과를 개량범위 관점에서 검토하고자 하였다. 본 연구는 터널 보조공법인 강관보강 그라우팅이 적용된 구간의 현장 자료를 바탕으로, 굴착 시 막장의 이완 및 붕락을 방지하고 터널 안정성을 확보하기 위한 주입량 관리기준을 검토하였다. 주입성 평가는 유량계 기반의 시간(T)-압력(P)-유량(Q) 데이터를 이용하여 수행하였으며, 구간별 주입량 차이는 암질 및 절리 발달 상태의 차이를 반영하는 것으로 해석하였다. 취득한 T-P-Q 데이터를 활용하여 거시적인 주입량 패턴을 우선 확인하고, 이후 주입량 자료를 1m 단위로 재구성하여 고주입 경향이 나타나는 세부 위치정보를 취득하였다. 재구성된 자료에 대해 데이터 분할을 위한 반복 탐색 알고리즘을 적용하여 일반 주입 모집단 구간을 식별하고, 상측 단측 허용한계를 적용하여 주입량 임계치(Q*)를 산정하였다. 주입량 임계치(Q*)는 일반적인 주입 거동과 구분되는 고주입 관리구간을 식별하기 위한 통계적 상한 관리기준으로 정의하였다. 또한 대상 구간에서는 최대 1,300 tonf/day 규모의 과다 지하수 유출이 발생하였으며, 이는 막장면 안정성과 직접적으로 관련되는 비정상 사례로 평가하였다. 이에 본 연구에서는 주입량 공간분포도와 막장면 관찰자료를 대조하여 고주입 관리구간과 취약 지반 위치 간의 공간적 대응 가능성을 검토하였으며, 과다 지하수 유출 및 불량 막장상태와의 대응성도 함께 확인하였다. 아울러 주입량 임계치(Q*)에 의해 식별된 고주입 관리구간의 지반을 풍화토 조건으로 설정하고, 터널 주변 개량두께를 변수로 한 수치해석을 수행하여 보강범위 확대에 따른 안정성 개선 효과를 검토하였다. 그 결과, 주입량 임계치(Q*)는 실제 개량면적을 직접 산정하는 값이라기보다 고주입 관리구간을 식별하고, 후행 막장에 대한 사전 대응에도 기여할 수 있음을 확인하였다.