2020

도 로 설 계 요 령

AN01145-000145-12

발 간 등 록 번 호

제4권 터널

 

터 널

제 9 편 터널

제 9-1 편 터널 본체

제 9-2 편 터널 환기

제 9-3 편 터널 조명

제 9-4 편 터널 방재

제4권

 

제 9-1 편 터널 본체

 

제9-1편 터널 본체

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6.1 설계 일반 [KDS 27 40 05 4.1 설계일반]

콘크리트 라이닝은 터널이 계획된 지역 주변의 지반 상태, 환경 조건 및 주지보재의 지보 능력을 고려

하여 사용 목적 및 사용 조건에 적합하고, 내구연한 동안 필요로 하는 안정성과 누수 등에 의한 침식

이나 강도의 감소 등이 없는 내구성을 가지도록 설계해야 한다.

콘크리트 라이닝은 사용 목적에 따라 구조체로서의 역학적 기능, 비배수형 터널에서의 내압 기능, 영

구 구조물로서의 내구성 확보 및 미관 유지기능 등을 가지며, 이를 감안한 설계가 되도록 해야 한다.

터널의 콘크리트 라이닝은 터널의 사용 조건에 적합한 설계를 해야 한다. 또한 장기간 토압

등의 하중에 견디고, 균열 · 변형 · 붕괴 등이 생기지 않는 것으로서 누수 등에 의한 침식이나

강도의 감소 등이 없는 내구성이 우수한 것이어야 한다. 일반적으로 터널 콘크리트 라이닝은

터널의 사용개시 후에 개수(改修)한다는 것은 매우 곤란하므로, 장래 개수를 하는 일이 없도

록 충분한 고려를 해야 한다.

콘크리트 라이닝의 역할은 첫째 조명 및 표식의 부착과 미관 유지, 방수기능 확보 등을 통해

터널 내 쾌적한 환경을 유지하며, 둘째 지질의 불균일성, 지보공의 품질 상이, 록볼트 부식

등 불확정 요소를 고려한 터널의 안전율을 증가시키며, 마지막으로 사용 개시 후 외력의 변

화 및 원지반 지보공 재료의 노화에 대한 터널의 내구성을 향상시키는 역할을 한다.

콘크리트 라이닝은 배수 조건에 따라 배수형 터널 및 비배수형 터널로 구분하여 설계해야

하며, 배수형 터널의 경우 1차 지보를 영구 지보재로 간주하여 모든 지반하중을 1차 지보재

가 지탱하도록 하고 지반 내의 지하수는 터널 배수구를 통하여 배수함으로써 내부 라이닝은

자중·추가로 작용 가능한 이완하중·잔류수압 등을 받는 구조물로 설계하고, 비배수형 터널은

지반하중에 대해서는 배수형 터널과 동일하나 지하수 배출이 차단됨으로써 발생하는 수압을

내부 라이닝이 견디도록 설계해야 한다.

6. 콘크리트 라이닝 설계

[KDS 27 40 05 현장타설 라이닝]

제4권 터널

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배수형 터널 비배수형 터널

아치부 및 측벽부만

방수층 형성

통합유공관을 통한

유도배수

터널 전단면

방수층 형성

지하유입수

완전차단

<그림 6.1> 배수 조건에 따른 터널 분류

<표 6.1> 콘크리트 라이닝의 기능

기 능 적 용 대 상 내 용

구조체로서의

역학적 기능

1차 지보재가 영구 구조물로서 안전율이

없다고 판단되는 경우

숏크리트에 균열이 발생하고 록볼트에 큰 축력이

작용하여 응력 저항부의 크리프나 볼트의 부식에 의하여

1차 지보재로부터 응력이 2차 라이닝에 전달될

가능성이 있다고 보는 경우

변위가 수렴되기 전에 2차 라이닝을 시공

하는 경우

1차 지보 단계에서 변위가 수렴되어야 하나 공정상의

이유로 2차 라이닝을 변위 수렴 전에 시공하는 경우

토압을 고려하여 설계

토사 지반 등에서 토피가 작은 경우 토사 지반 등에서 토피가 작은 경우 지하 공동 구

조물이 주변 환경에 영향을 받기 쉬우므로 적절한

상재 하중에 의하여 역학적 검토가 필요하며, 장차

토피의 경감이 예상되는 경우도 이를 고려해야 한다.

장래에 수압이 걸릴 것으로 예상되는 경우 지하 공동 시공 후 주변 환경 조건에 의하여 배수가

불가능해질 가능성이 있는 경우는 정수압을 고려하여

설계한다.

용수가 있는

터널에서의

내압 기능

완전 방수가 요구되는 경우 방수 시트를 사용 완전방수를 실시하는 경우는 2차

라이닝에 정수압이 작용하므로 수압을 고려하여

설계한다.

영구 구조물로

서의 내구성

확보

1차 지보의 내구성이 우려되는 경우 1차 지보가 시간의 경과에 따라 강도 저하, 박리,

열차진동, 지진 등으로 내구성이 우려되는 경우 영구

구조물 기능에 비교적 신뢰도가 높은 2차 라이닝

설계

유지 관리상 필요한 경우 지하 공동 내의 설비, 전기 등의 유지 관리 또는

미관상 습도 조절 등의 2차 라이닝 설계

제9-1편 터널 본체

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숏크리트, 록볼트, 강지보재 등으로 터널의 안정이 확보되거나 지반이 견고하여 풍화의 우려

가 없고 사용상 지장이 없는 경우에는 콘크리트 라이닝을 생략하고 프리캐스트 판으로 라이

닝을 대신하는 경우도 있으며, 이러한 경우에는 충분한 안정성과 내구성을 고려할 필요가

있다.

콘크리트 라이닝은 다음과 같은 목적과 기능(표 6.1 참조)을 가지며, 설계 시에는 지반조건,

하중 조건, 구조물의 중요도 등의 제반 조건을 충분히 검토해야 한다.

(1) 공용성 측면

∙ 지하수 등의 누수가 적고 수밀성이 양호한 구조물이 될 것

∙ 사용 중 점검 · 보수 등의 작업성이 높을 것

∙ 터널 내의 가선 · 조명 · 환기 등의 시설을 지지할 것

∙ 차량 운행 중 전조등에 의한 산란이 균등할 것

(2) 강도 특성 측면

∙ 터널의 변형이 수렴하지 않은 상태에 콘크리트 라이닝을 시공하는 경우에는 터널의 안정에

필요한 구속력을 가질 것

∙ 콘크리트 라이닝 시공 후 수압·상재 하중 등에 의한 외력이 발생되는 경우 이를 지지

할 것

∙ 지반의 불균일성, 지보공 품질의 저하, 록볼트의 부식 등 불확정 요소를 고려하여 구조물로

서의 안전율을 증가시킬 것

∙ 사용 개시 후 외력의 변화와 지반, 지보공 재료의 열화에 대한 구조물로서의 내구성을 향상

시킬 것

∙ 조립식 라이닝(segment)의 경우 제작, 운반, 취급, 설치와 기타 시공 중에 작용하는 외력

에 견딜 수 있을 것

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<표 6.2> 콘크리트 라이닝 공법 비교

한국도로공사에서는 현장여건, 시공성, 안전성 및 경제성 등을 고려해 콘크리트 라이닝 관련

설계 최적화 방침사항을 다음과 같이 제시하고 있다.

(1) 터널 콘크리트 라이닝 표준연장 개선

도로터널의 콘크리트 라이닝 1회 타설 연장을 표준으로 9.0 m 적용하고 있으나, 터널의 장

구 분 현장타설 콘크리트라이닝 프리캐스트 콘크리트라이닝

시공도

설 계

개 념

∙ NATM 개념으로 주지보재의 보조지보재 기능 ∙ 마감재 및 구조체로서의 역학적 기능 수행 ∙ 장기간 사용에 대한 안정성과 내구성 필요

∙ NATM 개념으로 1차 지보재 (록볼트,

숏크리트)에 의하여 터널지보 완료 ∙ 라이닝은 마감재 기능 수행

구조적

기 능

∙ 토압 및 수압에 안정하도록 철근 배근하여

보강 ∙ 주지보재 기능 저하에 따른 외압 지지

∙ 1차 지보재 안정성 확보로 토압, 수압 작용

배제 ∙ 차량충돌, 공기압, 이완토압, 내진 등을 감안한

상세설계 및 정밀시공 필요

안정성 ∙ 변위 수렴 후 콘크리트 라이닝 타설이 원칙 ∙ 배수 불량 시 수압작용, 구조적 역할 기대

∙ 주지보재를 영구지보재로 안정성 확보 ∙ 완전배수유도로 수압작용 배제

방수 및

내장

∙ 숏크리트 면에 부직포 + 방수시트 설치 ∙ 부직포 배수 불량 시 수압작용 ∙ 타일 붙임

∙ 배면공간으로 완전배수 유도 ∙ 씰링, 코킹으로 연결부 처리 ∙ 특수도료 도장

품 질

관 리

∙ 현장 여건 및 시공 상태에 따라 품질 변화 ∙ 천장부 및 우각부 균열발생

∙ 공장 제작으로 고품질의 대량 생산 가능 ∙ 현장 조립 시 철저한 품질 관리 요망

유 지

보 수

∙ 라이닝 균열 시 취약부 발견 곤란 ∙ 주기적인 유지관리 필요 ∙ 파손 시 보수, 보강비 증가

∙ 취약부 발견 용이 ∙ 취약부 보수, 보강 용이 → 패널 교체 ∙ 패널 연결부 유지관리 필요

제9-1편 터널 본체

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대화 추세에 따라 시공성 및 안전성을 고려한 합리적인 적정 길이를 검토한 결과, 터널구간

의 최소 곡선반지름 1,500 m 이상 시에는 12 m를 1회 타설 연장으로 제안하고 있다. 하지

만, 콘크리트 라이닝 두께가 30 cm 미만, 터널 곡선반지름이 1,500 m 미만이거나 소요 공

기 및 경제성 등에 불리한 경우는 별도 검토를 통해 12 m 미만을 적용할 수 있다.

(2) 장철근 설계 적용방안

소요 철근길이가 8 m를 초과하는 수평철근은 철근 인력운반을 감안하여, 철근 규격 D25

mm 이하는 12 m, D29 mm는 9 m까지 장철근 사용을 제안하고 있다.

장철근 길이는 철근 손실 최소화, 시공성 등을 고려하여 소요 철근길이에서 겹이음이 최소화

되도록 선정해야 한다.

(3) 제트팬 설치 구간 라이닝 철근 보강 최적화 방안

터널 내 제트팬 설치 시 콘크리트 라이닝 1span 9.0 m를 보강하였으나, 기존 안전율(15)을

적용한 구조 검토 결과 주앵커 영향범위(L = 4.0 m)만 라이닝 철근보강(라이닝 span 중앙부)

이 필요한 것으로 나타나, 제트팬 설치구간의 라이닝 철근보강 범위를 L = 4.0 m로 제안하고

있다. 하지만, 암반 5등급 이상, 불리한 지반에서는 별도 검토를 통해 라이닝 철근보강 범위

를 선정해야 한다.

(4) 터널내 소화설비 설치 구간 라이닝 Block out부 개선

소화설비 설치를 위한 Block out부는 콘크리트 라이닝 두께 확보를 위해 추가굴착 및 지보

재 절단 등으로 시공성 저하 및 지반이완의 우려가 발생하였다.

이를 개선하기 위해 Block out 라이닝을 삭제(분리)하고 배면 충전재로 라이닝 공간을 채우

도록 제안하였다. 하지만, 기반암의 특성에 따른 작용 하중, 변형 여건 및 물분무시설 등 라

이닝 두께를 초과하는 소화설비시설의 Block out부는 별도 검토해야 한다.

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6.2 콘크리트 라이닝의 재료 [KDS 27 40 05 3. 재료]

콘크리트 라이닝은 일반적으로 현장 타설 콘크리트로 하고, 현장 여건에 따라 프리캐스트 라이닝도 적

용할 수 있다.

콘크리트 라이닝의 재료로는 일반적으로 현장 무근 콘크리트가 이용되고 있으며, 충분한 관

리를 하여 시공된 무근 콘크리트가 대부분 터널의 라이닝용으로 만족할 만한 재료라고 볼

수 있다. 단, 팽창성 지반 등의 큰 토압, 지하 수압, 편하중, 상재 하중 등을 지보하기 위하여

콘크리트 라이닝의 강도가 크게 요구되는 경우에는 철근 콘크리트, 강섬유 보강 콘크리트 등

을 이용하여 보강하고 인버트를 설치하여 폐합시키는 구조로 설계하며, 지보 기능을 높일 필

요가 있다.

배합 설계에 있어서는 소정의 강도가 얻어지고, 충분한 내구성과 양호한 시공성을 얻을 수

있도록 해야 한다.

콘크리트 라이닝의 소요 강도는 지반 특성, 라이닝의 형상, 지보공의 종류 및 라이닝에 가해

지는 하중의 유무에 따라 다르지만 특별한 경우를 제외하고 설계기준 강도로서 무근 콘크리

트 경우 16 ∼ 21 MPa, 철근 콘크리트의 경우 21 ∼ 27 MPa 정도로 하는 것이 많다. 한국도

로공사에서는 설계방침에 따라 본선터널의 경우 콘크리트는 27 MPa, 철근은 400 MPa을 적

용하여 두께축소 등 라이닝을 최적화하였으며, 개착터널의 경우 경제성 및 내구성을 감안하

여 콘크리트는 27 MPa, 철근은 500 MPa을 적용하도록 하였다. 한편 KDS 27 40 05 에서

는 터널의 콘크리트 라이닝 강도를 재령 28일 강도인 21 ∼ 24 MPa을 표준강도로 하는 것

을 원칙으로 하되, 경우에 따라서는 그 이상인 고강도 콘크리트를 사용할 수 있다고 명시하

고 있다. 또한 비배수형 터널에서는 방수목적상 수밀 콘크리트를 사용해야 하며, 이 경우

재령 28일 강도가 27 MPa 이상이 되도록 해야 한다. 터널 입․출구부 공동구 및 콘크리트

라이닝에 발생된 열화에 대하여 안전성 및 내구성 확보를 위해 콘크리트 강도를 30 MPa로

상향시켜 열화 발생을 방지하도록 해야 한다.

단위 시멘트량, 물-결합재비(W/B), 슬럼프 등의 설계는 상기의 강도 외에 사용 재료 및 시공

조건에 따라 다르다. 통상 콘크리트 라이닝에는 보통 포틀랜드 시멘트를 쓰지만 수축 균열을

예방할 목적으로 고로 시멘트 및 중용열 시멘트를 쓰는 경우가 있으므로, 여러 면에서 단위

시멘트량의 적정치를 결정하지 않으면 안 된다.

시공법에 대해서는 최근에는 대부분 콘크리트 펌프 등의 기계가 쓰이고 있으나 이 경우 펌프

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압송성이 좋은 것으로 한다. 펌프 압송성은 위커빌리티 및 컨시스턴시에 지배되기 때문에 사

용 수량과 물-결합재비(W/B)를 감안하고, 가능한 한 수화열의 고양을 억제하는 것을 염두에

두고 각 배합 제원을 설계해야 한다.

일반적으로 거푸집의 해체 시기는 적어도 콘크리트 라이닝 자중을 지지하는 강도 이상으로

되었을 때 해야 하므로, 조기에 필요 강도가 발생되도록 해야 한다.

조기에 강도를 얻기 위하여 조강 시멘트 및 급결제를 쓰는 일이 있으나 이 경우 콘크리트의

장기 강도 및 콘크리트의 치밀성 확보에 악영향을 미치지 않는가에 대하여 충분히 검토할

필요가 있다. 또 운반 시간이 길어지는 경우에는 슬럼프 변동이 생겨서 시공성이 나빠지고

질의 콘크리트가 얻어지지 않을 염려가 있기 때문에 이들 요소도 고려하여 단위 시멘트량,

물-결합재비(W/B), 단위 골재량 및 굵은골재 최대치수 등을 결정해야 한다. 또한 플라이애

쉬 등의 혼화재, AE제 · 유동화제 · 급결제 등의 첨가제를 합리적으로 쓰도록 검토하는 방안

도 필요하다.

또 콘크리트 라이닝에 쓰이는 골재는 양질이며 내구성 면에서 우수한 것을 쓰고, 염분 및 유

기물 등의 유해 성분을 포함하고 있어 콘크리트에 해를 미칠 염려가 있는 경우에는 특별한

대책을 강구해야 한다.

6.3 콘크리트 라이닝의 형상 [KDS 27 40 05 4.2 콘크리트라이닝의 형상 및 두께]

콘크리트 라이닝의 형상은 소요 내공 단면을 포함하여 축력이 과도하게 전달되지 않고 휨 모멘트가

아주 작게 되도록 급격한 만곡, 모서리, 요철 등을 피해야 한다.

(1) 콘크리트 라이닝의 형상은 아치형으로 하는 것이 보통이며, 소요 내공 단면을 포함하여 굴착

단면 형상에 적합하고, 또 토압 등의 작용 하중에 충분히 견딜 수 있는 것이어야 한다. 따라서

각각의 터널에 콘크리트 라이닝의 목적(공용성, 강도 특성), 시공법 등을 고려하여 검토해야

한다.

그러나 동일한 터널과 동일한 노선 내에서 많은 형상을 이용하는 것은 거푸집의 사용 등 시

공사의 편의와 완공 후의 유지 관리 등에 부적절하므로 설계 조건의 변화에 따라 어느 정도

변형할 수 있는 형상을 선정하는 것이 바람직하다.

콘크리트 라이닝의 형상을 1심원 · 3심원 · 5심원 등의 다심원과 직선을 조합하여 아치형으

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로 설계하는 경우에는 아치로 무리 없이 부드러운 형상이 되게 하기 위하여 원 · 호 · 직선

등이 접속점에서 서로 공통 접선을 가지도록 함이 바람직하다. 급격한 만곡과 우각부의 존재

는 아치에 편심 축력이 작용하여 휨 모멘트를 증대시키며, 긴 직선부는 그 부분에 작용하는

하중에 의하여 휨 모멘트를 증가시키기 때문에 이 같은 현상을 피해야 한다.

그림 6.2에는 지반 조건이 악화됨에 따라 변하는 순서로 지반 특성과 콘크리트 라이닝

형상 변화와의 관계를 도시하였으며, 약간 곡률이 있는 측벽을 조합하고, 불량한 경우에

는 인버트를 설치하는 것이 바람직하다. 토압이 큰 경우에는 원형에 가까운 단면으로 지

보 효과를 높일 필요가 있다. 콘크리트 라이닝의 형상은 환기 · 조명 등 부속 설비와의 관

계에 대해서도 충분히 고려할 필요가 있다. 또한 작업갱과 연락갱 등과의 접속 부분은 일반

부분과 다른 형상이므로 필요에 따라 보강해야 한다. 콘크리트 라이닝에 대피소·전기 설비

등의 수납을 위하여 벽 공간을 설치하는 경우에는 라이닝 전체의 기능에 피해를 주지 않도록

주의해야 한다.

<그림 6.2> 지반 특성에 따른 콘크리트 라이닝 형상

큰 편토압을 받는 경우에는 설계 두께를 늘이거나 철근 콘크리트 등으로 라이닝 강도를 증대

시키는 방책을 고려해야 하며, 수동토압이 적절하게 작용하여 전체적으로 좌우의 균형이 유

지되도록 인버트 콘크리트를 타설하는 방법 등으로 라이닝이 폐합 단면이 되게 한다.

또 갱구부 등에서는 보강 콘크리트를 타설하는 등의 특별한 배려가 필요한 경우도 있다(그림

6.3 참조).

(2) 인버트 설치 시는 원지반의 특성에 따라 터널 단면 형상과 인버트 설치 여부를 결정해야 하

며, 특수한 지반에서는 인버트의 타설 시기에 대하여도 검토해야 하고, 특히 지반이 불량한

경우에는 숏크리트에 의한 인버트도 고려해야 한다. 또한 인버트는 측벽과 일체가 되어 외력

에 안전하게 저항할 수 있는 형상이 되도록 하고, 인버트의 두께는 지형과 지반조건에 따라

정해야 하며, 시공성 및 경제성 등도 검토해야 한다.

제9-1편 터널 본체

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<그림 6.3> 보강 콘크리트(갱구부) 및 인버트 콘크리트 타설 예

팽창성 지반, 압축성 지반 및 함수 미고결층 지반 등 인버트 부분에 콘크리트 라이닝의 설치

가 요구되는 지반에서는 인버트 콘크리트 라이닝의 설치시기를 추가로 검토해야 하며, 직선

형 인버트를 적용하는 터널의 경우도 터널의 용도, 유지관리 등을 고려하여 인버트 부분에

콘크리트 라이닝을 타설할 수 있다.

6.4 콘크리트 라이닝의 설계 두께

콘크리트 라이닝의 설계 두께는 그 목적에 맞도록 단면의 크기와 형상, 지반조건, 작용 하중, 수압, 사

용 재료, 시공법 등을 고려하여 결정해야 한다.

(1) 설계에 있어서는 콘크리트 라이닝의 기능상 필요한 두께 및 시공법 등을 고려하여 설계 두께

선을 결정해야 한다. 설계 두께선의 내측에는 라이닝의 기능에 피해를 주는 것이 없도록 해

야 한다. 따라서, 숏크리트 등의 지보공을 설계할 때에는 콘크리트 라이닝의 두께 확보에 대

하여 충분한 고려가 필요하다. 특히 숏크리트 등의 시공 오차·토압에 의한 터널 변형의 여유

량 등을 고려해야 하므로 설계 두께가 확보되도록 설계해야 한다. 단, 중경암·경암 지반에서

의 숏크리트와 견고한 지반의 부분적 돌출은 무리한 시공으로 지보 기능이 감소하지 않도록

해야 하며, 하중 증가 등의 악영향을 피하고 여굴량이 현저히 증가되는 비경제적인 경우도

있으므로 조건별로 설계 두께선에 포함되는지를 확인해야 한다. 이 허용량에 있어서는 터널

의 사용 목적, 라이닝의 기능과 지반 특성 등이 다르므로 사전에 고려해야 한다.

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(2) 콘크리트 라이닝으로 강도상 필요한 두께를 결정하는 방법은 외력으로서의 하중, 특히 토압

의 상태와 콘크리트 라이닝의 역학적 작용 등이 명확하지 않으므로 확립시키는 것이 곤란하

다. 지반이 불안정한 경우와 터널 갱구 부근 등을 제외하고는 통상 내공 단면의 크기에 따라

300 ∼ 400 mm의 설계 두께를 적용하는 것이 일반적이며, 도로공사의 시공 실적(2차로 기

준)을 보면 300 mm가 표준으로 적용되어 오고 있다.

지반이 나쁜 경우에 인장강도가 작은 무근 콘크리트로 두께를 증가시켜 휨파괴를 방지하는

것도 한도가 있기 때문에 라이닝 두께를 증가시키는 것보다는 라이닝 형상을 역학적으로 유

리하게 하고, 철근 콘크리트·강섬유 보강 콘크리트 등의 재료를 이용하여 휨강도를 증가시킬

필요가 있다.

콘크리트 및 철근을 고강도 재료로 적용 할 경우 250 mm로 축소가 가능하나, 지반여건 등

을 고려한 구조검토 결과에 따라 설계자가 판단하여 적용해야 하며, 시공성 등을 고려한 최

소 안전두께 확보를 위한 종합적인 검토가 필요하다.

(가) 콘크리트 라이닝 두께의 허용량

콘크리트 라이닝 두께 내에는 강지보재의 강재는 들어가도 좋으나 목재는 들어가지 않도

록 설계해야 한다. 단, 견고한 원지반의 부분적인 돌출은 억지로 따내기를 하여도 도리어

원지반을 흐트러뜨려 느슨한 하중을 증대시킬 때가 있으므로 두께선 내에 들어가는 것을

인정해야 한다.

이 허용량에 대해서는 터널의 사용 목적이나 암석의 견고성에 따라서도 다르므로 시공

시 에는 사전에 정해 두어야 하나 여기서는 부분적인 돌출에 한하여 설계 두께의 1/3

정도 또는 100 mm 정도를 허용 한도로 한다.

(나) 대단면 · 소단면 콘크리트 라이닝 두께

지하 환기소, 집진기실, 피난갱 및 각종의 연락갱의 환기 · 방재목적으로 만들어지는 터

널은 보통 터널에 비하여 그 크기나 기능이 상당히 다를 때가 있다. 이때에는 터널 규모

에 따라서 필요한 콘크리트 라이닝 설계 두께를 정해야 한다. 이때에도 터널의 안정 후에

안전율을 높이는 목적으로 설치하는 콘크리트 라이닝은 원지반 조건이나 터널의 기능을

고려하여 이것을 생략하는 검토가 필요하다. 또 대피갱이나 잠정 시공으로 장래 제거할

예정인 소단면 터널에서는 특별히 문제가 있는 구간을 제외하고는 콘크리트 라이닝을 생

략하는 것이 바람직하다.

제9-1편 터널 본체

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(다) 콘크리트 라이닝에 재하되는 하중

콘크리트 라이닝에 재하되는 하중은 아주 다양하며 지질 상황, 지하수의 상황, 시공법

등에 따라 크게 변화된다. 풍화암과 같이 지반 조건이 나쁜 구간에서 커다란 편토압이

작용할 때 토피가 얇은 원지반, 큰 소성토압이 생기는 지반, 팽창성 지반, 수압이 작용하

는 지반 등에 대해서는 별도로 검토하여 설계 두께를 정해야 한다.

단, 이러한 경우에 필요 이상으로 두께를 크게 하는 것은 굴착 단면이 커지고 하중이 증

가하는 등 불리하게 되므로 휨에 강한 철근 콘크리트 구조, 강섬유 보강 콘크리트로 시공

하거나 임시 라이닝을 시공하여 안정하게 한 후 본 라이닝을 시공하는 등의 대안 검토가

필요하다. 또한 갱구부의 라이닝에 대해서는 8.3 갱구부 설계를 참조한다.

6.5 콘크리트 라이닝 배면 주입

뒤채움(배면) 주입의 설계에 있어서는 충분히 충전되도록 주입의 재료 및 배합, 주입 구멍의 구조와

배열 등을 정해야 한다.

지반과 밀착하지 않은 콘크리트 라이닝은 설계 시에 산정한 조건과 다르므로 휨모멘트나

편토압이 작용하여 작은 하중으로도 균열이 생길 때가 있고, 주변의 원지반은 풍화나 열

화가 되어 강도를 상실하여 장기간에 걸쳐 하중을 증가시킨다.

터널의 변형이나 붕괴 요인의 대부분은 건설 시에 콘크리트 라이닝 배면과 원지반의 공간을

남겼기 때문에 장기간에 걸쳐 원지반이 느슨해져 큰 편토압이 작용했기 때문이라 생각된다.

이와 같은 경우에는 주동토압을 균등하게 분포시켜 수동토압이 유효하게 작용되도록 모르타

르 충전에 의하여 가능한 한 틈을 없애는 것이 좋다.

주입은 주입 재료, 사용 기계, 주입 압력 등에 따라 방식이 다르므로 공극이나 뒷면 원지반의

상태·주입의 시공 조건 등에 따른 적절한 것을 선정하고, 미리 이에 대한 적절한 설계를 하여

둘 필요가 있다.

주입 재료로 사용되는 모르타르는 주입 작업 시의 분리, 특히 고형물의 침전이 적고 주입 후

의 체적 신축이 될 수 있으면 작은 것이 좋으며, 이 때문에 배합 재료 중 무신축성의 혼화재

를 첨가하는 것이 바람직하다. 콘크리트 라이닝 뒷면에 주입하는 재료의 강도는 콘크리트와

같은 강도는 필요치 않으나 주입후의 상태에서 1MPa 정도 이상이 되도록 한다.

제4권 터널

200

주입관은 콘크리트 라이닝 완성 후에 착암기로 천공하여 설치하는 방법이 있으나 콘크리트

라이닝 타설 시에 미리 매입하여 두는 것이 주입 효과를 높일 수 있으며, 작업 능률도 좋다.

이때 주입관의 위치·간격 및 배열 등에 따라 주입량, 더 나아가서는 주입의 효과에 차이가

생기게 된다.

라이닝 거푸집 콘크리트 투입구 간격은 좁을수록 채움에 유리하므로 3 m 이하로 적용하며,

재료분리 방지를 위해 타설구 높이는 4 m 내외로 설정하는 것이 바람직하다. 표 6.3은 배합

예를, 그림 6.4와 그림 6.5는 주입관의 배치 예와 구조 예를 각각 보인 것이다.

<표 6.3> 배합 예

유하시간

(sec)

공기량

(%)

시멘트

(kN)

물

(kN)

잔골재

(kN)

기포제

(kN)

물-결합재

(%)

설계기준강도

(MPa)

25 ± 5 40 ± 5 1.50 1.95 9.00 0.0345 130 1.0

구 분 타설 연장 9 m(R = 1500 m 이하, 9개) 타설 연장 12 m(R = 1500 m 이상, 12개)

개념도

(2차로)

4m

내외

4m

내외

4m

내외

4m

내외

※ 타설구 위치 조정 시 감독원 협의(재료분리 대책 등) 후 변경

<그림 6.4> 주입관의 배치 예

<그림 6.5> 주입관의 구조 예

제9-1편 터널 본체

201

6.6 균열 방지 대책 [KDS 27 40 05 4.6 균열 방지대책]

콘크리트 라이닝에 유해한 균열이 발생할 염려가 있는 경우에는 균열 대책을 강구해야 하며, 바깥 온

도의 영향을 많이 받는 구간은 콘크리트 라이닝 타설 시 신축이음부를 두는 것이 바람직하다.

콘크리트 라이닝에 과도한 하중이 작용한 경우, 변형 형상에 따라 균열과는 별도로 주로 콘

크리트의 변형이 숏크리트 등에 의하여 외부가 구속되어 인장응력이 생기며, 이 응력에 의하

여 균열이 발생하기 쉽다.

콘크리트 라이닝에 신축 변형이 발생하는 주된 원인은 아래와 같다.

∙ 콘크리트의 경화 온도의 강하에 의한 온도 신축

∙ 터널 내 온도의 변화에 의한 온도 신축

∙ 터널 내 습도의 저하에 의한 건조 신축

이들 요인에 의한 균열은 라이닝의 강도 특성을 저하시킴과 동시에 콘크리트의 수밀성을 현

저하게 떨어뜨려 누수 · 고드름 · 동결 융해 등의 원인이 되며, 라이닝의 내구성 · 안정성 · 복

공의 내구성 · 안전성 · 공용성 등을 해치게 된다. 따라서, 이와 같은 염려가 있는 경우에는

터널의 사용 목적, 사용 조건, 환경 조건 등을 고려하여 적절한 균열 대책을 강구해야 한다.

특히 용수가 많은 구간 및 외부 기후의 영향을 받기 쉬운 갱구 부근 및 길이가 짧은 터널에서

는 충분한 검토가 필요하다. 참고로 「일본 설계요령」에서는 온도의 영향을 많이 받을 경우

갱구로부터 50 m 구간에 신축 이음부를 두도록 제안하고 있다.

균열 대책으로는 다음과 같은 것이 있다

∙ 숏크리트의 절연(외부 구속의 저감)

∙ 콘크리트의 개량(신축 변형의 감소 또는 인장강도의 증가)

∙ 균열 유발 줄눈의 설치(균열 발생의 제어)

∙ 라이닝 타설 순서 고려

∙ 철근이나 철망 배치 및 섬유보강 콘크리트 사용

∙ 습윤 양생 실시

이들 중에서 가장 효과적이고 확실한 방법은 숏크리트의 절연이라고 할 수 있는데 절연이나

절연공은 방수 시트 및 절연 시트를 붙이는 시공 예가 많으나 아스팔트, 에멀젼, 발포 모르타

르 등의 절연재의 뿜어붙이기에 의한 것도 시도되고 있다. 또, 방수 시트의 사용은 균열의

방지뿐만 아니라 방수의 효과도 있다.

제4권 터널

202

콘크리트의 품질 개량은 콘크리트에 팽창제·유동화제 등을 첨가하고 철망을 넣어서 시행하

고 있지만, 균열의 발생량을 작게 하는 효과는 인정되었어도 확실성이 부족하므로 사용 시에

는 충분한 검토가 필요하다.

균열 발생의 위치나 방향을, 미리 설치한 줄눈으로 제어하도록 하는 유발 줄눈은 경제적이고

균열을 적게 하는 효과는 있지만 품질의 개량과 마찬가지로 확실성에는 부족한 면이 있다.

또, 유발 줄눈으로부터 누수가 문제가 될 염려가 있는 경우에는 줄눈부의 도수공 및 콘크리

트 라이닝 배면에 지수 시트 등을 설치하는 것을 검토할 필요가 있다.

콘크리트 라이닝의 신축이음은 터널 입 · 출구부 50 m 이내에서는 25 m 이하 간격으로, 터

널 내부에서는 최대 250 m 간격으로 설치해야 하며, 단면 변화부와 지층의 급격한 변화구

간, 철근과 무근 콘크리트 라이닝의 접합부 등에는 추가로 신축이음을 설치해야 한다. 또한,

신축이음부는 누수가 발생하지 않도록 방수처리를 해야 한다.

6.7 콘크리트 라이닝 해석

콘크리트 라이닝은 구조물에 일으키는 응력과 변형을 구조해석으로부터 구하고, 부재단면의 안전을

검토하여 주어진 하중작용에 대하여 적합하도록 설계해야 한다.

(1) 콘크리트 라이닝의 설계

일반적으로 콘크리트 구조물의 설계순서는 구조해석과 단면설계의 순서로 이루어지며, 작용

하중이 구조물에 일으키는 응력과 변형을 구조해석으로부터 구하고 부재단면의 안전을 검토

하여 주어진 하중작용에 대하여 적합한 단면을 결정한다. 역학적 성질이 복잡한 콘크리트 라

이닝의 응력이나 변형을 단순히 이론에 의하여 결정한다는 것은 어려움이 있지만 근래 이에

관한 많은 연구가 이루어지고 있다.

NATM 개념의 터널공법에서는 터널 주변의 원지반 및 주지보재를 영구 복합 구조체로 보기

때문에 배수형 터널에서도 콘크리트 라이닝은 단지 안전율 향상 및 미관 유지 등의 목적으로

시공성 및 실적 등을 감안하여 두께를 정하고 있다. 따라서 콘크리트 라이닝 설계는 강도설

계법, 허용응력설계법, 하중저항계수설계법(LRFD : load and resistance factor design)

등 가운데 적합한 방법을 선정하여 적용해야 하고 이들의 구조해석을 실시해야 한다.

과거에는 허용응력설계법으로 우선 검토한 후 철근보강 필요 시 강도설계법을 적용하였으나,

제9-1편 터널 본체

203

최근에는 무근콘크리트도 강도설계법(콘크리트 구조기준 2102)으로 하중계수와 강도감소계

수를 사용하여 적정한 강도를 발휘할 수 있도록 설계해야 한다.

설계강도 산정(철근보강량 검토)

극한강도 산정

라이닝 두께 가정 및 모델링

구조 해석

설계강도 산정(무보강)

극한강도 ＜ 설계강도

무근 콘크리트

극한강도 ＜ 설계강도

철근 콘크리트

O.K

N.G

<그림 6.6> 콘크리트 라이닝 해석 흐름도

(2) 콘크리트 라이닝 설계 기준

(가) 콘크리트 라이닝의 설계 하중 및 하중 조합

콘크리트 라이닝의 구조 해석 시에 적용하는 토압에 대해서는 일반적으로 지반자체의 지

보 능력을 고려한 작용 토압을 적용하는 것이 합리적이다. 그러나 작용 토압의 유무는

지반 조건에 따라 다르고, 지반이 양호할 경우는 발생하지 않게 됨을 주지해야 한다. 해

석에 있어서는 발생 가능한 다양한 설계 하중과 하중 조합을 적용하여 상황에 가장 근접

한 결과를 얻을 수 있도록 하여 콘크리트 라이닝이 견디도록 설계해야 한다.

(나) 콘크리트 라이닝의 작용 수압

비배수형 터널은 전체 지하수위를 고려한 정수압을 적용하며, 터널이 불투수층 내에 위

치하는 경우 이 층은 함수층에 의하여 누중 되며, 이때 배수 형식에 무관하게 터널 단면

에는 수압이 작용하지 않으나 전체 작용 하중은 함수층의 중량을 고려해야 한다. 그리고

지하수는 직접적인 외부 하중 외에도 2차 효과를 가지고 있는데, 지반 또는 암반의 포화

는 고유의 강도를 저하시켜 응력-이완(stress-released)을 발생시키며, 따라서 터널에

작용하는 하중은 지반 또는 암반의 포화된 중량을 고려해야 할 경우가 있다.

제4권 터널

204

(3) 모델링

(가) 해석 모델링

콘크리트 라이닝 구조해석을 위한 전산 해석 모델링은 일반적으로 콘크리트 라이닝만 보

요소의 연속체로서 모델링 하고 지반과의 상호작용은 탄성스프링으로 시뮬레이션하는 지

중골조모델을 적용한다.

단 면 도

⇒

모 델 링 도

<그림 6.7> 콘크리트 라이닝 해석 모델링 개념도

(나) 지반모델링

∙ 지반스프링은 터널 주변에 Truss 요소로 설치

∙ 지반스프링 계수 산정

[AFTES(미공병단이론식) 이용]

Ks     R

Es

× L

Ks : 단위 접선 길이 당 스프링 계수

Es : 주변 지반의 탄성계수

R : Lining의 등가반지름 ＝



 

L : 부재 중앙과 중앙 사이의 길이

υ : 포아송비

∙ 인장력이 발생하는 스프링은 반복 계산을 통하여 순차적으로 제거하여, 최종 단계에서는

압축스프링만 남도록 함으로써 본선 라이닝과 지반과의 실제 거동 반영한다.

<그림 6.8> 지반스프링 모델

제9-1편 터널 본체

205

(4) 적용 하중

터널의 콘크리트 라이닝에 작용하는 하중으로는 자중, 이완하중, 잔류수압, 온도하중 및 건조

수축 온도하중 등이 있으며, 지반조건, 터널 단면의 형상과 크기, 토피, 시공방법, 지보재 및

콘크리트 라이닝의 시공시기, 방수 및 배수 형식 등을 고려하여 하중조합을 결정해야 한다.

(가) 자중

콘크리트 라이닝의 자중을 설계하중으로 고려하며, 일반적으로 해석 프로그램에서 자

동으로 고려된다.

∙ 무근콘크리트의 단위 중량 : c   kNm

∙ 철근콘크리트의 단위 중량 : c   kNm

(나) 이완하중

NATM에 의한 터널의 설계 시 지반을 지보재료로 보는 것을 기본으로 하고 있으나, 터널

에서는 예상치 못한 지압의 작용으로 터널 복공의 변형, 손상이 일어나는 경우가 있으므

로 이를 고려하여 이완하중을 적용한다. 이완하중의 크기는 초기응력, 지반조건, 터널단

면 크기, 터널 상부 지반의 두께, 굴착공법, 굴착방법, 지보재, 콘크리트 라이닝의 시공시

기 등을 고려하여 결정해야 하며, 이완하중 산정 방법으로는 탄성파 속도별 이완영역 높

이, RMR에 의한 지보하중, ROSE에 의하여 수정된 Terzaghi 암반하중, 일본도로공단

설계요령의 암질구분에 따른 이완영역 높이, 발파영향에 의한 이완하중 등이 있다.

Pv

<그림 6.9> 이완하중 모식도

제4권 터널

206

(다) 온도하중 및 건조수축

온도 변화가 예상되어 구조물에 기능상 영향을 미친다고 판단되는 경우에는 다음과 같이

온도하중을 고려해야 한다.

온도하중 및 건조수축은 내부와 외부의 온도차이 또는 단면변화에 의한 영향으로 균열이

예상되는 구간인 입출구부 50 m(개착터널 제외연장)에 적용한다.

∙ 계절별 온도변화에 따른 온도의 승강은 ± 15℃로 한다. 단, 단면의 최소치수가 700

mm 이상인 경우에는 위 표준을 ± 10℃로 한다.

∙ 내·외면 온도차에 의한 단면력 산출 시 적용하는 온도차는 ± 5℃로 한다.

∙ 건조수축의 영향에 의한 부정정력을 산출하는 경우 콘크리트의 건조수축률을  ×  

으로 한다. 다만, 축방향 철근량이 부재의 콘크리트 단면적의 0.5% 미만인 경우에는

건조수축률을  ×   로 한다.

계절별 온도변화 및 건조수축 하중 내·외면 온도차 하중

+15˚C

-30˚C

Δ±5˚C

<그림 6.10> 온도하중 및 건조수축 하중 모식도

(라) 잔류수압

도로 터널의 경우 대부분 배수형터널 설계하여 완전배수를 유도하므로 수압은 작용하지

않는다. 하지만 우기 시 발생하는 지하수로 인하여 유도 배수층인 부직포가 시간이 경과

에 따라 제 기능을 발휘 하지 못할 경우에는 내부 라이닝은 수압을 받게 되므로 그림

6.11과 같이 잔류수압을 적용하여 해석해야 한다.

- 수압(Pw ) =  ∼  ∼   × Ht × w (6.1)

여기서, w : 물의 단위 중량(10kNm ), Ht : 터널 단면의 높이

제9-1편 터널 본체

207

잔류수압 모식도

Pw

주) 이완하중 및 잔류수압 형상은 산지부 암반터널(배수터널)에 한하여 적용하며, 이외의 경우에는 별도 검토 필요

<그림 6.11> 잔류수압 모식도

(5) 하중계수 및 하중조합

터널 콘크리트 라이닝의 구조계산에 적용되는 하중계수 및 하중조합은 원칙적으로 콘크리트

구조설계기준에 준하여 적용하며, 철근콘크리트 구조물을 설계할 때는 아래에 제시된 하중계

수와 하중조합을 모두 고려하여 해당 구조물에 작용하는 최대 소요강도에 대하여 만족하도록

설계해야 한다.

(가) 콘크리트 구조설계 기준상의 소요 강도(하중조합)

① U =  D  F  H 

② U =  D  F  T    L  HH  Hh    (Lr 또는 S 또는 R)

여기서,

H: 토피보정계수

h(이완하중고) ≤ 2 m → H = 1.0

h(이완하중고) ＞ 2 m → H = 1.05 - 0.025h ≥ 0.875

다. U  D  E   HH  Hh 

여기서,

∙ D : 라이닝 자중 ∙ Hh : 수평이완하중

∙ H : 연직이완하중 ∙ F : 유체압

∙ T : 온도하중(계절별 온도하중, 내 · 외면 온도차, 건조수축 온도하중)

제4권 터널

208

(나) 콘크리트 라이닝 구조 계산 시 하중 조합 설계 예

① LOAD CASE

∙ LC1 : 라이닝 자중(D) ∙ LC2 : 연직 및 수평 이완하중

∙ LC3 : 잔류 수압(Pw) ∙ LC4 : 계절별 온도차 하중 +15℃(Ｔ）

∙ LC5 : 계절별 온도차 하중 –15℃(Ｔ） ∙ LC6 :　상 · 하면 온도차하중 +5℃(Ｔ）

∙ LC7 : 상 · 하면 온도차 하중 – 5℃(Ｔ）∙ LC8 : 건조수축 온도하중 –15℃(Ｔ）

② 하중 조합

<표 6.4> 콘크리트 라이닝 응력 검토 시 하중 조합(허용응력설계법 적용)

구 분

자 중

(LC1)

이완하중

(LC2)

수 압

(LC3)

계절별 온도하중 내 · 외면 온도차 건조수축

+ 15℃ 비 고

(LC4)

- 15℃

(LC5)

+ 5℃

(LC6)

- 5℃

(LC7)

- 15℃

(LC8)

Comb. 1 1

단면

검토

Comb. 2 1 1 1 1

Comb. 3 1 1 1 1 1

Comb. 4 1 1 1

Comb. 5 1 1 1 1 1

Comb. 6 1 1 1 1 1 1

주) 온도하중은 갱구부 지보패턴 구간에만 적용함.

<표 6.5> 콘크리트 라이닝 단면 검토 시 하중 조합(강도설계법 적용)

구 분

자 중

(LC1)

이완하중

(LC2)

수 압

(LC3)

계절별 온도하중 내 · 외면 온도차 건조수축

+ 15℃ 비 고

(LC4)

- 15℃

(LC5)

+ 5℃

(LC6)

- 5℃

(LC7)

- 15℃

(LC8)

Comb. 1 1.4

단면 검토

Comb. 2 1.2 1.6 1.2 1.2

Comb. 3 1.2 1.6 1.2 1.2 1.2

Comb. 4 1.4 1.4 1.4

Comb. 5 1.2 1.6 1.6 1.2 1.2

Comb. 6 1.2 1.6 1.6 1.2 1.2 1.2

Comb. 7 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 사용성 검토

주) 온도하중은 갱구부 지보패턴 구간에만 적용함.

(6) 단면력 산정

콘크리트 라이닝의 단면력 산정을 위하여 범용 구조해석 프로그램을 이용하여 해석하는 경우

가 일반적이며, 콘크리트 라이닝이 아치형 구조물이므로 콘크리트 단면검토를 위한 위치가

제9-1편 터널 본체

209

명확하지 않는 경우가 많아 그림 6.12와 같이 대표적인 최대 모멘트 발생지점을 가정하여

천단부, 어깨부, 측벽 하부의 3가지로 검토한다.

(가) 단면력 산정 방법

① 콘크리트 라이닝 단면 검토를 위한 대표 위치 선정

콘크리트 라이닝 천단부 콘크리트 라이닝 어깨부 콘크리트 라이닝 측벽 하부

<그림 6.12> 콘크리트 라이닝 단면 검토 대표 위치

(나) 하중 조합별로 선정된 대표 위치에서 최대 단면력을 선정

모 멘 트 축 력

전 단 력 변 위 도

<그림 6.13> 단면력도 및 변위도(예)