[토질 및 기초 기술사] 138회 2교시 기출문제 4번

4. NATM 터널 굴착 중 시점부는 목표 지점까지 굴착이 완료된 상태이고, 종점부는 굴착이 진행되고 있다. 아래 사항에 대하여 설명하시오.
(1) 터널의 관통지점 선정 시 고려사항
(2) 터널 관통부의 p-q 응력경로 및 붕괴방지를 위한 보강대책

 

Ⅰ. 개요

1. 터널 관통부는 시점부와 종점부의 굴착면이 서로 근접함에 따라 지반 Arching이 중첩되고, 미굴착 구간의 지반 강성이 급격히 저하되는 취약 구간이다
2. 지질 조건이 불량한 구간에서 관통이 이루어질 경우 천단부 함몰이나 막장 붕괴의 위험이 크므로, 사전에 최적의 관통 지점을 선정해야 한다
3. 관통 직전 지반의 응력 상태는 p-q 경로상 파괴 포락선에 근접하게 되므로, 이를 제어하기 위한 선행 보강 및 지보 체계 확립이 필수적이다

Ⅱ. 터널 관통부 적용범위 및 지반 거동 메커니즘

1) 터널 관통부 적용범위

2) 지반거동 Mechanism

1. 응력 집중: 양방향 굴착면 사이의 미굴착 구간(Pillar)에 연직 응력이 집중됨
2. 이완 영역 확대: 굴착면 사이 거리가 1D~2D 이내로 접근 시 이완 영역이 서로 연결되어 자립 시간 급격히 감소
3. 지하수 영향: 양방향에서 유입되는 지하수로 인해 수압이 상승하고 막장면 토사 유출 위험 증대

Ⅲ. 터널의 관통지점 선정 시 고려사항[문제(1)]

1. 지질 및 지반 조건
   • 단층파쇄대, 미고결층, 지하수 용출 구간을 피하여 암질이 양호한 구간에서 관통 유도
   • 지상 구조물이나 매설물이 없는 위치를 우선 선정하여 지표 침하 영향 최소화
2. 선형 및 구배 조건
   • 곡선 구간보다는 직선 구간에서 관통하여 측량 오차 및 장비 간섭 방지
   • 상하행선 분리 터널의 경우 관통 지점이 서로 겹치지 않도록 이격 배치
3. 시공 장비 및 공간 확보
   • 관통 후 장비 해체 및 자재 반출이 용이한 지점 선정
   • Face Mapping과 계측이 용이한 안정된 지반 선정

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Ⅳ. 터널 관통부의 p-q 응력경로 분석

1) 응력 정의

2) 응력경로 (p-q path) 변화

• 굴착 전 (초기 응력): K0 상태의 안정한 응력 상태 유지
• 굴착 진행: 구속 압력(σ3)은 감소하고 전단 응력(q)은 증가하며 경로가 파괴 포락선을 향해 가파르게 상승
• 관통 직전: 양방향 굴착에 따른 응력 중첩으로 q가 급격히 증가하여 경로가 파괴 포락선에 도달하거나 초과하여 지반 파괴 발생

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Ⅴ. 관통부 붕괴방지를 위한 보강대책[문제(2)]

1. 선행 보강
   • 강관다단층 그라우팅(RPP): 관통부 전방 지반을 미리 고결시켜 인공 아치 형성
   • 수평 제트 그라우팅(SIG): 대구경 보강재를 삽입하여 차수 및 전단 강성 확보
2. 막장 보강 및 관리
   • 막장 볼트: 굴착면의 수평 변위를 억제하여 막장 붕괴 방지
   • 숏크리트 조기 밀폐: 굴착 후 즉시 막장면에 숏크리트 타설
3. 시공 단계 조절
   • 편측 굴착 전환: 양방향 굴착 시 거리가 약 1D~2D 이내로 접근하면 한쪽 막장을 중단하고 반대편에서만 굴착하여 관통
   • 분할 굴착: 전단면 굴착 대신 Bench Cut이나 측벽 도갱 굴착으로 응력 분산
4. 정밀 계측 및 모니터링
   • 관통 전방 지표 및 내공 변위 계측 주기 단축
   • 막장 전방 지질 예측(TSP, 선진 시추) 강화

Ⅵ. 기술자적 제언

- 관통부는 터널 공사 중 사고 발생 확률이 가장 높은 구간이다. 기술사는 다음과 같은 관통 관리 프로토콜을 수립해야 한다

• 첫째, 관통 약 30m 전부터 일일 안전 회의를 통해 지질 변화를 공유하고 시공 속도를 조절할 것
• 둘째, p-q 응력경로상 위험을 방지하기 위해 선행 지보재의 오버랩 길이를 평소보다 길게 확보할 것
• 셋째, 관통 직전 막장 건너편의 작업자 대피 및 통제 시스템을 가동하여 인명 사고를 원천 차단해야 한다