수치 해석방법의 적용 및 표준지보패턴의 설계

4.2.2 수치 해석방법의 적용

 터널 설계 시 터널거동의 해석은 계산방법, 계산상의 가정, 계산에 사용하는 물성치 등을 충분히 검토하고 유사조건에서의 설계적용 실례를 참고하여 종합적으로 판단해야 한다.

1) 터널 해석 전산 프로그램의 요구조건

 터널거동해석을 위한 전산 프로그램은 다음과 같은 요건을 모두 갖춘 것이어야 한다.

 ① 해석 프로그램은 국내외에서 사용된 실적이 있어 그 객관성이 입증되었거나 공인기관에 의하여 터널 거동해석에 적합하다고 인정된 프로그램

 ② 굴착 단계에 따른 지반 및 지보재의 변형 및 응력의 변화를 계산하여 터널 설계에 반영할 수 있는 프로그램

 ③ 지반의 소성거동을 해석할 수 있는 탄소성 또는 점탄소성 프로그램

2) 수치 해석

 ① 해석영역은 터널굴착에 따른 영향을 파악할 수 있도록 충분히 설정해야 한다.

 ② 실내시험결과를 지반 특성치로 이용할 경우에는 절리의 상태 등을 고려, 시험 결과치를 평가하여 사용해야 한다.

 ③ 2-D, 3-D 해석이 가능하여 접촉부 등 취약 부분도 해석 가능할 것이다.

4.2.3 표준지보패턴의 설계

 표준지보패턴의 설계는 지반분류기준에 의해 지반을 분류하고 설계적용조건을 충분히 검토하여 실시한다. 지하철 터널에서의 암반분류는 조사, 설계, 시공 및 감리 전 과정에 걸쳐 암반공학적 특성에 근거하여 터널의 안정성을 평가하는 데 매우 중요한 수단이다.

1) 설계 단계에서의 암반분류

 ① 시추조사 결과를 기준으로 공학적 특성에 따른 정량적 암반 분류를 시도한다.

 ② 대체로 RMR이나 Q-SYSTEM을 이용하여 정량적 분류를 시도하고 이 분류를 기준으로 수치해석에 필요함 PARAMETER를 선정한다.

 ③ 이때 지질의 구조적 특성과 지하수문제 등을 간과하기 쉽다.

2) 지하수 처리방법에 따른 지보형태

 지하수를 처리하는 방법에 따라 터널은 크게 배수형과 방수형으로 나누어진다. 방수형 터널이란 터널 주변의 자하수가 터널 내부로 전혀 유입될 수 없도록 차단한 경우를 이른다. 이때 작용하는 수압은 주로 철근콘크리트 라이닝에 의해서 차단된다. 배수형 터널이란 터널 주변의 지하수를 인위적으로 배수시키는 터널로서 터널과 측벽까지 방수막을 설치하여 지하수의 유입을 차단하고 유도하여 터널바닥의 축방향 배수관이나 중앙 배수관을 통해서 배수시키도록 설계 시공한다. 이 배수형 터널에서는 콘크리트 라이닝에 수압이 작용하지 않는 것으로 간주한다.

 우선 설계 시 고려해야 할 사항으로는 지하수의 누수량-양수량, 투수계수, 압밀침하도, 상부암반조건, 토질조건, 지하수위 등에 의한 지하수압과 시공성 및 경제성을 고려해야 한다. 방수형과 배수형의 조건을 규명하기가 단순하지 않으나, 다음과 같은 경우를 검토하여 분류한다.

 ● 연평균 지하수위 및 최고, 최저 지하수위 조사

 ● 지하수의 유동저해(대수대: 간극수)

 ● 투수계수

 ● 과거 시공 시 지하수의 양수량

 ● 터널 길이방향 단위 미터당 지하수량 관측치

 ● 지하수위에서 갱도천정부까지 심도에 따른 지하수압

 ● 갱도천정부 상부 암층의 두께

 ● 지표침하 최대 허용량(세립토층이 내재된 경우)

 ● 상부 구조물 및 주변 건물의 영향

 ● 토질 조건: 대수층(충적층) 유무, 깊이, 두께

3) 비배수형(완전 방수형) 터널의 특징

 방수형 터널은 터널 주위의 지하수를 배수시키지 않기 때문에 공사 중 일시 변화되었던 지하수위는 곧바로 복원된다. 따라서 터널구조물은 터널 주변의 지하수위에 해당하는 정수압을 견디도록 설계되어야 한다. 작용수압에 가장 유리한 단면은 원형이며 수압이 클 경우에는 철근보강이 필요하다. 방수형 터널의 장점으로는 지하철의 내구연한 동안 양수를 위한 유지관리비의 절감과 지하수위에 영향을 미치지 않으므로 이와 관련된 지반침하나 건물피해에 대한 사전 예방이 되며 터널구조체, 내부시설물, 운행차량 등을 습기에 의한 부식으로부터 예방할 수 있다. 단점으로는 단면형상의 제한으로 굴착 시 불필요한 공간이 형성되며 시공 시 고도의 방수공이 요구되고 보수가 어렵다. 철근조립 공사가 까다롭고 복잡하여 부실시공의 원인이 된다. 대단면 터널이나 심도가 깊으면 구조체가 막중해져 비경제적이다.

 시공 시 주의점을 정리해 보면, 방수 sheet는 복공 타설 중에 큰 인장력이 가해져 파손의 원인이 되기 때문에 적절한 강도를 지닌 재질과 정착방식의 sheet를 채택할 필요가 있다. 터널의 배수가 불량하면 반복의 열차하중에 의해 분니가 발생하고 노반 변상의 원인이 된다. 완전 방수형 터널의 경우도 시공 중에는 배수를 시키는 경우도 있다. 이 경우는 터널의 최하부에 일시적인 배수공을 설치한다.