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

 

제4권 터널

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7.1 해석 일반

7.1.1 안정성 해석 목적

(1) 터널 건설에 따른 주변 지반의 거동과 주변 시설물에 미치는 영향 및 지보재를 포함한 터널

구조물의 안정성을 사전에 검토하기 위함이다.

(2) 해석 결과의 분석과 적용에 있어서는 단순히 해석 결과에만 의존하는 설계가 되지 않도록

주의해야 한다.

7.1.2 터널 안정성 해석 시 고려사항

해석 영역은 터널 굴착에 따른 영향을 충분히 파악할 수 있는 범위로 설정해야 한다. 해석

모델은 단계별 굴착의 영향이 포함되도록 하되 경계요소 · 무한요소 등의 탄성경계 조건을

부여하는 경우를 제외하고는 터널 좌ㆍ우는 터널 굴착 폭의 3배 이상, 하부는 터널 높이의

2배 이상, 상부는 지표면까지를 해석 영역으로 한다. 상부 토피가 매우 큰 경우에는 상부

지반 조건의 영향이 포함될 수 있는 별도의 모델을 적용할 수 있다.

해석 시 사용하는 지반특성치들은 해당 지반의 시험 결과를 토대로 추정된 값을 사용해야

한다. 공사의 규모 또는 현장 여건상 시험 결과를 얻을 수 없는 경우에는 경험이 풍부한

기술자의 판단에 의하여 유사지반의 특성치를 제한적으로 준용할 수 있다.

해석 시에는 지형 · 지반 조건, 지하수 조건, 터널의 형상 및 위치, 시공방법 및 터널 주변

지반의 지보특성을 고려해야 한다. 해석기법은 2차원 해석이나 3차원 해석을 채택할 수 있

다. 2차원 해석을 실시할 경우에는 3차원적 실제 지반거동을 고려해야 한다.

도심지에서의 터널 굴착은 기존에 시공이 완료되어 공용 중인 터널, 구조물 기초, 지중 관

로, 상부 건물 등에 근접하여 시공되는 경우가 빈번히 발생하며 터널 굴착 시 발생되는 지반

의 변형은 터널 구조물의 안정성은 물론, 인접 구조물의 안정성에도 영향을 미칠 수 있다.

7. 터널 안정성 해석

[KDS 27 10 20 터널 안정성 해석]

제9-1편 터널 본체

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이러한 근접된 구조물간의 시공 영향은 신설 시공되는 공사의 종류, 규모, 시공법뿐만 아니

라 기존 구조물의 종류, 규모, 상태 등에 따라 달라지므로 터널의 안정성 평가를 할 때에는

목적 구조물 뿐만 아니라 주변에 간섭이 예상되는 인접 구조물을 고려한 평가가 수행되어야

한다. 근접 시공의 설계와 시공 계획은 구조물 현황 및 지반조사 결과에 근거하여 위치, 구

조형식, 기초형식, 노후정도 등을 사전에 평가하고 이를 반영한 해석을 통한 사전 검증이

필요하며, 기설구조물의 안정성에 영향을 미칠 것으로 예상되는 경우에는 적절한 보강 및

보호대책을 사전에 수립해야 한다.

<표 7.1> 해석 기본방향 흐름도

기본방향

및

조사단계

설 정

기본방향 설정

해석 위치 및

입력자료 선정

∙ 해석기준 수립 ∙ 터널 위치에 따른 지반조사 계획 수립 ∙ 지형 지질조건 파악

∙ 지반조사 결과분석 ∙ 유사 지반조건 설계 및 시공사례 검토 ∙ 주요 해석 위치 선정

예비검토

단 계

예비검토

(정성적 해석)

∙ 해석･설계･시공을 효과적으로 수행하기 위한 사전분석 및

예비해석 ∙ 터널선형 및 표준단면 설계를 위한 자료 획득 ∙ 보강영역 및 대책공법, 시공 중 위험도예측 등 시공을 위한

자료 획득

안정성 검토 해석적 검증

∙ 계획단면에 대해 다양한 조건을 고려한 해석적 검토

⇒ 연속체, 불연속체 해석 ∙ 갱구부 및 접속부 등의 취약구간에 대해 시공 및 보강 조건을

고려한 해석 ∙ 침투해석에 의한 터널유입수량 검토 ∙ 설계에 적용할 수 있는 현실적인 해석수행

설계 적용 종합 분석

및 설계 적용

∙ 구간별 특성이 반영된 설계사항에 대한 적정성을 검증하고,

향후 관리방안 제시 ∙ 계측관리 기준치 선정을 위한 가이드 라인 제시

제4권 터널

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7.1.3 해석프로그램

(1) 수치해석 기법

터널 해석에 일반적으로 적용되고 있는 기법으로 크게 연속체 모델, 불연속체 모델 등 두 가

지로 나누어진다. 유한요소법(finite element method), 유한차분법(finite difference

method), 경계요소법(boundary element method), 개별요소법(distinct element method)

등이 여기에 속한다.

(2) 해석 프로그램의 사용

해석 프로그램은 국내·외에서 사용된 실적이 있어 그 객관성이 입증되었거나 공인기관에 의

하여 터널 거동 해석에 적합하다고 인정된 프로그램을 사용한다. 굴착 단계에 따른 지반·지

보재의 변형 및 응력의 변화를 계산하여 터널 설계에 반영할 수 있는 프로그램을 사용해야

한다. 해석모델은 터널 굴착 영향권을 포함하되 일반적으로 터널 측방으로 3.0D 이상, 터널

하부로 2.0D 이상을 영향권으로 하여 지표면까지를 경계로 모델링한다.

<그림 7.1> FEM 해석을 위한 Model의 예

7.2 터널 안정성 해석

7.2.1 해석 절차

(1) 해석은 사전조사, 모형화, 수학적 계산, 결과 출력 및 종합평가 순으로 진행하는 것을 원칙으

로 한다.

제9-1편 터널 본체

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yes

yes

NO

NO

입력

입력

입력

시작

해석조건의 설정

구조계 모형화

초기응력의 산정

굴착상당력

각 시공단계에서의

응력·변형 계산

끝

전체 시공단계의

계산종료?

지반특성값

지형·지층 구성

시공법

토질시험

경계조건

지반의 밀도, 포아송비

초기응력측정

결과값이 허용치를

만족하는가?

결과의 출력

지반변위

지반용력

지반파괴상태

지보재응력

요소의 추가 및 제거

지보재의특성값 변경

<그림 7.2> 일반적인 터널의 해석 순서

제4권 터널

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(2) 해석 순서

(가) 사전조사 : 지반 및 지하수위 조사, 터널설계단면, 시공단계, 굴착공법, 표준지보패턴 등

의 자료수집

(나) 모형화 : 지반과 지보재의 특성, 해석영역, 크기 및 순서, 경계 조건, 구성모델 등의 결정

(다) 수학적 계산 수행

(라) 결과 출력 : 지반 및 지보재의 변위, 응력 및 변형률 등의 수치 또는 분포도, 소성영역

등의 출력

(마) 종합평가 : 터널의 내공 변위 및 지보재의 부재력에 근거한 터널 안정성 평가 및 주변

구조물의 거동 평가

7.2.2 해석입력자료

해석에 필요한 입력자료는 지반특성치, 지반의 초기응력, 지하수위, 지보재 특성치, 사용되

는 보조공법재의 특성치 등이다. 지반특성치는 터널 거동을 나타낼 수 있어야 하며, 지반의

초기응력은 터널 거동에 큰 영향을 미치므로 현장에서 측정한 값, 경험식 또는 추정식으로

부터 산정해야 한다.

보조공법 중 지반보강을 목적으로 주입한 경우에는 보강된 지반특성치가 필요하다. 기계적

보강을 실시한 경우에는 각각의 재료를 지보재로 보고, 지보재의 특성치를 입력하거나, 보

강지반으로 환산하여 보강된 지반특성치를 사용해야 한다.

공학적인 개념에 기초하여 그라우트 주입을 터널 해석에 고려할 때에는 해석 대상 지반특성

에 따라 달리 반영한다. 일반적으로 그라우트 주입은 사질토 지반에서 시공성이 우수하여

지반개량효과가 크므로 터널 해석상에서 주입재의 주입 제원을 해석에 직접적으로 반영하

는 것이 바람직하다. 하지만, 점성토 지반이나 암반체에서는 그라우팅 시공성을 확신할 수

없으므로 안전 측 개념으로 그라우트의 주입효과는 생략할 수 있고, 강관에 의한 보강효과

만을 고려하는 것이 바람직하다. 그라우팅 확산경 설정은 천공경의 2.5 ∼ 3.0배 정도로 설

정하여 주입 보강 범위를 구현한다.

제9-1편 터널 본체

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7.2.3 하중

(1) 해석에 사용되는 하중의 종류

지반의 초기응력과 지하수위에 의한 수압 외에 필요 시 관련 외부하중을 고려할 수 있다.

(2) 하중 선정 시 고려사항

원지반의 초기응력은 지반의 단위중량 · 터널심도 · 측압계수 등을 고려하고 수압은 지하수위

를 고려하여 결정해야 한다. 비배수형 터널의 경우에는 지하수위를 고정하여 정수압으로 하

고, 배수형 터널의 경우에는 지하수위의 변화를 고려하여 수압을 정해야 한다.

터널 상부에 구조물이나 도로 및 철도의 교통하중이 작용하는 경우에는 외부하중으로 고려해

야 하며, 지형 및 지반 조건 등의 이유로 터널에 편압이 작용할 우려가 있는 경우에는 편압의

영향을 고려해야 한다.

갱구부에 대하여는 지역적 특성, 터널 상부의 지층 두께, 지형 · 지반 조건 등에 따라 지진의

영향이 예상되는 경우에는 이의 영향을 설계에 반영해야 한다. 장기간에 걸쳐 시간 의존적인

지반의 크리프(creep) 현상이 예상되는 경우에는 크리프 하중을 고려해야 하며, 일시적인 지

보인 경우에는 이를 고려하지 않아도 된다.

온도 변화가 예상되어 구조물에 기능상 영향을 미친다고 판단되는 경우에는 온도하중을 고려

해야 한다.

7.2.4 해석방법

(1) 수치해석적 방법, 이론해를 이용하는 방법, 경험적 방법 등이 있으므로 필요에 따라 적절한

방법을 선택하여 사용해야 한다.

(2) 수치해석적 방법을 이용할 경우

공학적으로 공인되어 널리 사용되고 있는 방법으로서 대상 지반 및 설계 조건들을 적절히

모사할 수 있고, 지반의 거동을 적절히 해석할 수 있는 기능을 보유한 해석 프로그램을 이용

해야 한다.

(3) 이론해를 이용하는 방법

계산이 간편하여 시간을 절약할 수 있는 반면에, 한정된 가정 조건하에서만 해석이 가능한

단점이 있으므로 수치해석, 계측 결과 등의 설계 · 시공사례의 분석을 통하여 유사한 결과를

제4권 터널

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보일 경우에 한하여 사용하는 것을 원칙으로 한다.

(4) 경험적 방법

경험적 방법은 기존의 터널 설계로부터 획득한 경험을 기초로 예상되는 상황을 가정하여 암

반의 거동을 예측하고 적절한 지보재를 채택하는 방법이라 할 수 있다. 경험적 방법에 의한

안정성 해석은 다음에 정리한 단계로 수행해야 한다.

① 정량적인 암반분류법에 의한 암반등급 평가

② 암반등급과 시공성과의 상관성 파악

③ 무지보 유지시간, 무지보 터널폭, 필요 지보량 등을 정량적으로 표현한 시공성 검토

7.2.5 해석 결과의 평가

(1) 해석 결과는 터널의 안정성, 유사 터널의 계측 결과, 인접 구조물과 상호 영향 등 적절한

평가를 거쳐 설계에 반영해야 한다.

(2) 터널은 굴착 단계별로 터널 주변의 지반 및 지보재에 대한 응력 · 변위 · 발생 소성영역 등을

검토하여 구조적인 안정성을 평가해야 한다.

(3) 해석 결과는 유사터널의 응력, 내공변위, 지표침하 및 지중변위 등의 계측 결과와 비교ㆍ검

증하여 평가해야 한다.

(4) 터널굴착의 영향범위 내에 위치한 인접 구조물에 대하여는 영향 정도와 상호 안전성을 평가

해야 한다.

제9-1편 터널 본체

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7.3 터널의 내진 해석 [KDS 27 17 00 터널 내진설계]

지진 발생 시 지중 구조물인 터널은 지반 운동에 순응하여 거동하기 때문에 지상 구조물과는 상이한

내진설계를 실시해야 한다.

터널의 내진설계 시에는 구조물 형태, 지반의 특성, 지진파의 형태와 터널 방향에 따라 터널의 변형이

달라짐을 고려해야 한다.

7.3.1 내진설계 대상 구조물

(1) 토피의 두께가 얇고 지반이 연약한 터널의 갱구부, 주요 구조물 접속부 구간

(2) 대규모 단층대 및 파쇄대 통과구간, 지층 구조가 급변하는 계곡부

(3) 천층 터널 및 편경사 지형으로 지진 시 터널의 안정성이 취약하다고 판단되는 구간

(4) 지반의 자립이 어려운 연약한 지층에 터널이 위치한 구간

(5) 액상화가 우려되는 연약지반 내 터널 구간 등

7.3.2 참고 기준

(1) 이 기준의 관련 법규는 KDS 17 10 00 (1.3.1)과 KDS 27 10 05 (1.6.1)을 따른다.

(2) 이 기준의 관련 기준은 KDS 27 10 05 (1.6.2)를 따른다.

(3) 터널의 내진설계 시에는 상시하중을 고려하여 설계된 구조물에 대하여 안전성을 검토해야 한

다. 이 때 내진안전성이 확보되지 않는 경우 구조물 규모와 세부 설계내용을 변경해야 한다.

(4) 지진으로 인한 구조물의 손상 가능성이 높은 구간을 대표단면으로 선정하여 지진 시 안전성

을 평가해야 한다.

(5) 지진으로 인한 구조물 파괴 시 심각한 피해가 발생할 가능성이 클 것으로 판정되는 터널구간

과, 활성단층대와 인접한 터널에는 내진등급을 상향 적용할 수 있다.

(6) 터널 내진 설계 시 요구 사항

- 터널의 내진 성능목표는 기능수행수준과 붕괴방지수준으로 한다.

- 터널 내 바닥면의 기초지반에서 과도한 침하 및 융기가 발생하지 않아야 한다.

- 액상화로 인하여 터널구조물이 보수불능의 피해를 입지 않아야 한다.

제4권 터널

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7.3.3 터널 내진설계 절차

(1) 터널 구조물의 중요도에 따른 내진 성능 목표 결정

(2) 건설지점의 지반조사 및 액상화 가능성 평가

(3) 성능 목표에 따른 내진설계법 결정

(4) 유효수평지반가속도의 산정

(5) 내진 안정성 검토

(6) 단면 설계

7.3.4 터널 내진설계를 위한 지진해석 방법

(1) 터널의 지진해석 방법은 응답변위법, 동적해석법, 유사정적해석법을 적용할 수 있다.

(2) 터널은 지반과 구조물 상호 거동 구조체로 변위를 중요하게 고려하는 응답변위법을 적용할

수 있다.

(3) 내진Ⅰ등급 동적해석법에서의 입력지진파는 터널이 건설되는 지역의 지진피해 사례, 지반

특성, 구조물의 고유 주기 등을 고려하여 유추한 인공합성 지반운동 시간이력곡선을 적용할

수 있으며, 이때 인공합성 지반운동 시간이력곡선의 생성 시 KDS 17 10 00[4.2.1.4(10)]을

따른다.

(4) 유사정적해석법은 옹벽형식의 터널 갱구부 구조물에 국부적으로 적용하며, 동적인 시간이력

특성을 정적인 하중으로 단순화시켜 보다 간편하고 보수적인 설계가 되도록 해야 한다.

(5) 내진설계 시에는 지반에 대한 비선형 거동특성을 고려할 수 있는 해석방법을 사용할 수 있다.

7.3.5 터널 내진설계 시 주의사항

(1) 터널 라이닝의 경우 지진력에 대한 저항을 증가시키기 위해 라이닝의 인성을 높이는 방법을

적용할 수 있다.

(2) 단층대, 파쇄대 또는 연약지반과 같이 지진에 취약한 구간은 지반과 구조물의 일체거동을

유도할 수 있도록 인버트 라이닝을 설치하거나 주변 지반을 보강할 수 있다.

제9-1편 터널 본체

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(3) 기둥 단면의 내진설계는 지진에 의한 수평력에 의하여 기둥 단면의 압축파괴나 전단파괴,

휨인장파괴가 발생하지 않도록 보강하는 것으로서, 압축파괴나 전단파괴보다 휨인장파괴가

먼저 발생하도록 설계해야 한다.

(4) 갱구부에 대해서는 비탈면의 활동파괴를 방지할 수 있도록 비탈면의 기울기를 조정하거나

비탈면 보강계획을 수립해야 한다.

(5) 구조물에 작용하는 지진력을 감소시킬 필요가 있는 경우에는 터널의 신축이음부에 강성이

작고 변위를 흡수 할 수 있는 이음장치를 설치할 수 있으며, 이 경우 강성이 작은 이음장치

의 설치에 따른 구조적인 약점에 대하여 검토해야 한다.

(6) 액상화가 우려되는 지반에 대하여는 지반개량을 통하여 지반이 안정화 되도록 해야 한다.

7.3.6 액상화 평가법

(1) 터널 내진설계 시의 액상화 평가는 터널의 입출구부 및 연약지반 터널에 있어서 지하수의

영향을 받는 구간에 대하여 실시하는 것을 원칙으로 한다.

(2) 액상화 평가방법은 KDS 17 10 00 (4.7)을 따른다.