터널공 ❙ 447

터널공

78

터 널 공

터널내 소화설비 설치구간 라이닝 Block out부

설계개선

기술심사처-1760

(2012.08.30)

1 목 적

터널내 방재 소화설비의 설치공간을 확보하기 위한 라이닝 Block out부의

단면 및 보강방법 검토를 통하여 설계 개선 방안을 마련하고자 함

※ 터널 라이닝 Block out부 소화설비

o 분 류 : 소화기함, 소화전함

o 설치방법 : 라이닝 벽체에 매립하여 설치함을 표준으로 함

2 현 설계 및 문제점

□ Block out부 설계현황

o 설계개요

- 소화설비 설치구간의 라이닝콘크리트 단면유지 및 배면부 철근보강

o 개 념 도

L 터널 중심선 C CL

도로 중심선

R2=4,589

R3=5,539

R5=5,763

R4=4,738

R1=6,623

60°

60°

R1=6,623

300

300

단 면 도 단면상세도 철근배근도

※ 소화설비 규격

(단위 : mm)

구 분 최 소(소화기) 최 대(소화전) 비 고

규 격 760W×810H×250D 3,280W×1,530H×250D 간격50m이내

☞ 터널 연장 및 위험도지수 기준등급에 따라 적용(붙임 #1)

448 ❙ 터널공

□ 문제점

o (설계측면) 터널 설계시 Block out부에 대한 상세검토 부족

- 터널 라이닝의 Block out에 따른 안전성만 고려한 단면확보

- 부속시설에 따른 낮은 중요도로 철근보강에 대한 구조검토 부족

- 지반조건에 관계없이 보강철근 일률 적용

o (안전성측면) 라이닝 콘크리트 단면확보에 따른 지반이완 우려

- 추가절취로 지반불량구간 변위 발생 우려

- 기시공 락볼트 지압판 재체결 필요

- 지보재 절단 및 보강 절차 등 시공 방법

부재로 현장 임의시공

※ 국토부 점검시 Block out부 지보재 보강 순서 등 지적

: 지보재 철거시 선철거 후보강으로 라이닝 Block out부 안전이 우려됨

o (시공측면) Block out부 시공성 저하

- 단면확보를 위한 추가절취, 지보재 절단 등 시공 복잡

- 공동구 시공시 철근간섭에 따른 인력시공으로 작업성 떨어짐

- 라이닝 보강철근 확인 등 관리감독 곤란 및 방수막 손상우려

※ Block out 시공순서

위치

표시

⇒

인력

절취

⇒

숏크

리트

마감

⇓

라이닝

타설 ⇐ 철근

조립

(라이닝)

⇐ 철근

조립

(공동구)

터널공 ❙ 449

터널공

3 Block out부 단면개선 검토

□ 검토방향

o 현재 라이닝 Block out 구간에 적용하고 있는 콘크리트 단면유지 및

철근보강 방법은 복잡한 단계로 시공성 및 경제성 측면에서 불리하므로

o 3차원 구조해석을 통해 Block out부 라이닝 단면개선 검토

□ 단면검토

o 검토방향 : 라이닝 Block out부 콘크리트 단면삭제에 대한 안정여부

o 해석방법 : 3차원 구조해석(MIDAS CIVIL 2009)

o 단면규격 : 소화전 D-type(폭 3,280mm × 높이 1,530mm)

o 작용하중 : 고속도로 터널의 일반 하중조건 적용

구 분 자 중 이완하중고 잔류수압 온도하중 건조수축

무근라이닝

(P-Ⅴ)

단위중량

23.5kN/㎥

0.2×(B+Ht) Ht×0.5 - -

철근라이닝

(P-Ⅵ)

단위중량

25.0kN/㎥

0.6×(B+Ht) Ht×0.5

콘크리트온도차 ±5℃

계절별온도차 ±20℃

-15℃

※ 이완하중고 : 수정된 Terzaghi의 암반하중 분류표에 의함(B:터널폭, Ht:터널높이)

o 해석단면 및 모델링

H=8,133

B=12,828

L 터널 중심선 C CL

도로 중심선

R2=4,589

R3=5,539

R5=5,763

R4=4,738

R1=6,623

60°

60°

R1=6,623

300

300

B ·

Ht

450 ❙ 터널공

o 해석결과

구 분 아 치 부 Block out부(측벽부)

해석

결과

무근

(P-5)

ㆍ압축응력

3.32MPa < 9.6MPa O.K

ㆍ인장응력

0.0MPa < 0.64MPa O.K

ㆍ압축응력

7.88MPa<9.6MPa O.K

ㆍ인장응력

0.30MPa<0.64MPa O.K

철근

(P-6)

ㆍMu=80.1kN-m

< φMn=118.3kN-m O.K

ㆍMu=184.0kN-m

< φMn=201.3kN-m O.K

※ 제트팬 구간은 암반등급에 관계없이 라이닝 보강(9m)

결 론

ㆍ발생응력이 허용응력 범위 이내로 안정성 만족

☞ 라이닝 Block out 구간 콘크리트 및 보강철근 삭제

※ 붙임 #2 : Block out 상세검토

□ 우각부 및 배면 처리방법

우각부 보강(예시, TYPE-D)

o Block out 우각부 균열억제 철근보강

- 구조해석결과 Block out 주변 균열은

없는 것으로 검토됨

- 예측치 못한 균열발생 방지를 위한

우각부 보강철근 배치

(붙임 #3 : 우각부 철근배근 상세도)

L1 D16

L3 D16

L2 D16

800

배면처리

o 소화설비 배면 처리방법

- 충전재의 역할 : 공간채움(비구조체)

- 충전방법 : 라이닝 타설시 동시채움

(표면 마무리 미흡부는 몰탈처리)

※ 단면 축소부 응력전달 차단방법

: Block out 상단 시공이음 설치

(붙임 #4 : 배면 충전방안 검토)

터널공 ❙ 451

터널공

4 개선방안

□ 라이닝 Block out부 적용방안

구 분 현 재 개 선

개 념 Block out부라이닝유지(일체화) Block out부라이닝삭제(분리)

단 면 도

L 터널 중심선 C CL

도로 중심선

R2=4,589

R3=5,539

R5=5,763

R4=4,738

R1=6,623

60°

60°

R1=6,623

300

300

L 터널 중심선 C CL

도로 중심선

R2=4,589

R3=5,539

R5=5,763

R4=4,738

R1=6,623

60°

60°

R1=6,623

300

300

배면충전재

배면처리

․라이닝 두께확보(구조체)

․Block out 배면 철근보강

․배면 공간채움(비구조체)

․Block out 우각부 철근보강

□ 적용시 유의사항

o 본 검토는 고속도로 터널의 일반 조건을 적용한 것으로 기반암의

특성에 따른 작용하중 및 변형여건이 상기 제시된 조건과 상이할

경우 별도 검토실시

o 물분무시설 등 라이닝 두께를 초과하는 소화설비시설의 Block out은

현재 방법 적용(단, 간섭 지보재는 선보강 후 절단 철거)

o Block out 위치는 라이닝 시공이음부에서 2m이상 이격 되도록 조정

(시공이음부와 2m미만 이격시 개소수 추가 또는 철근보강 검토)

※ 소화기(전)함 설치위치 및 개소수는 시설처와 사전 협의

452 ❙ 터널공

□ 기대효과

o Block out부 설계개선에 따른 작업 단순으로 시공 효율성 향상

o 작업공종 및 철근조정으로 건설원가 절감, CO2감축

원가절감 : 약 17백만원, CO2감축 : 20ton (일방향 1km 기준)

- 시공중인 11개 노선 45개 터널(1km 이상) 적용시

☞ 원가절감: 40억원, CO2감축: 4,660ton (일방향 233㎞ 기준)

- 설계노선(함양울산 등 3개 노선) 24개 터널(1km이상) 적용시

☞ 원가절감: 21억원, CO2감축: 2,520ton (일방향 126㎞ 기준)

5 적용방안

□ 자체 및 수탁 설계VE 검토노선 : 본 방침 적용

□ 설계중 또는 설계완료후 미발주노선 : 본 방침 적용

□ 공사중인노선: 공사주관부서에서제반여건을고려하여적용여부판단

붙 임 : 1. 방재등급 및 설치기준

2. Block out부 상세검토

3. Block out 우각부 철근보강 상세도(소화전함 TYPE D 기준)

4. Block out 배면부 처리방법 검토

5. 설계자문 조치내용

터널공 ❙ 453

터널공

붙임 #1 : 방재등급 및 설치기준

o 방재등급 범위

ㅁ

등급 터널연장(L) 기준 위험도지수(Ⅹ)기준

1 3,000m이상(L≥3,000m) X 〉29

2

1,000m이상, 3,000m미만

(1,000 ≦ L〈3,000m)

19〈X ≦ 29

3

500m 이상, 1,000m미만

(500 ≦ L〈1,000m)

14 〈X ≦ 19

4 연장 500m 미만 (L〈500m) X ≦ 14

o 터널 위험도 평가기준

세부평가항목 범위 위험도지수

사고

확률

주행거리계

(교통량×연장)

(Veh.km/tube.day)

8,000 미만 1.5

8,000 이상～16,000 미만 2.5

16,000 이상～32,000 미만 5.0

32,000 이상～64,000 미만 7.5

64,000 이상 10.0

터널

특성

표고차 및

경사도

입출구 표고차(m)

10 미만 0.5

10 이상～20 미만 1.0

20 이상～30 미만 1.5

30 이상 2.0

진입부 경사도(%)

3.0 미만 0.5

3.0 이상 1.0

터널높이

7.5 이상 1.0

5.0 이상～7.5 미만 2.0

5.0 미만 3.0

터널곡선반경(m)

1,800m 이상 0.5

1,800m 미만 1.0

대형

차량

위험물

수송관련

대형차 혼입률(%)

10 미만 0.5

10 이상～17.5 미만 1.0

17.5 이상～25 미만 1.5

25 이상 2.0

대형차

주행거리계

(대·km/tube·day)

500 미만 0.5

500 이상～1,000 미만 1

1,000 이상～2,500 미만 2

2,500 이상～5,000 미만 4

5,000 이상 6

454 ❙ 터널공

세부평가항목 범위 위험도지수

대형

차량

위험물

수송관련

감시시스템

있음 0

없음 1

유도시스템

있음 0

없음 1

정체

정도

서비스 수준

LOS A～LOS C 1

LOS D 2

LOS E～LOS F 3

대면통행 3

터널내 합류/분류

없음 0

있음 2

교차로/신호등/TG 등

없음 0

있음 2

통행

방식

구분

시설

-

길어깨 중분대

일방통행

○ - 1

× - 2

대면통행

○ ○ 3

× ○ 4

○ × 5

× × 6

o 설치기준

터널등급

방재시설

1등급 2등급 3등급 4등급 비고

소화설비

소화기구 ● ● ● ● 50m간격

옥내소화전설비 ●◯ ●◯ 50m간격

물분무설비 ◯

※ ● : 연장기준등급 적용, ◯ : 위험도 지수 기준 등급 적용

o 실치 규격

(단위 : mm)

구 분 A타입 B타입 C타입 D타입 비 고

소화기함 760W×810H 850W×1,240H - -

두께

: 250

소화전함 2,380W×1,530H 2,780W×1,530H 2,880W×1,530H 3,280W×1,530H

두께

: 250

※방재등급에 따라 적정 타입 적용

터널공 ❙ 455

터널공

붙임 #2 : Block out부 상세검토

1. 검토개요

1.1 검토목적

∙현재 블록아웃 구간에 적용중인 라이닝 콘크리트 단면유지 및 철근보강 방법은 시공성 및 경제성

측면에서 불리

∙터널 라이닝 블록아웃 구간에 대한 단면 및 보강방법의 개선을 위해 3차원 구조검토를 통한 라이닝

안정성 및 철근보강 여부 검토

1.2 검토방법

∙지보패턴 P-1~5(암반등급 Ⅴ적용) 및 갱구부(지보패턴 P-6, 암반등급 Ⅴ적용)의 블록아웃 구간 검토 수행

∙블록아웃부 주위에 작용하는 발생응력을 검토하고 허용응력 초과시 철근보강 및 적정 철근량 산정

1.3 검토조건

1) 모델링

∙개선안 터널 단면(블록아웃부 미확폭) 및 종방향 길이 9m(1span) 적용

∙블록아웃 크기 : 3.28m(폭)×1.53m(높이)

2) 지반경계조건

구 분 Es(MPa) R(m) K단위길이(kN/㎥) 비고

암반등급(Ⅴ) 500 5.503 90,859 P-5, 갱구부

3) 적용하중

구분 지보패턴 P-1~5구간 지보패턴 P-6(갱구부)구간

자중 무근콘크리트 단위중량 23.5 kN/㎥ 철근콘크리트 단위중량 25.0 kN/㎥

이완하중고(Hp) 0.2(B+Ht) 0.6(B+Ht)

잔류수압 0~40.64 kN/㎡ 0~40.64 kN/㎡

온도하중 -

콘크리트 내외면 온도차 하중:±5℃

계절별 온도차 하중:±20℃

현설계(라이닝 콘크리트 두께유지) 개선안(라이닝 단면 삭제)

L 터널 중심선 C CL

도로 중심선

R2=4,589

R3=5,539

R5=5,763

R4=4,738

R1=6,623

60°

60°

R1=6,623

300

300

L 터널 중심선 C CL

도로 중심선

R2=4,589

R3=5,539

R5=5,763

R4=4,738

R1=6,623

60°

60°

R1=6,623

300

300

(모델링도)

456 ❙ 터널공

2. 지보패턴 P-5구간 검토(암반등급 Ⅴ)

1) 검토조건

중앙위치 시공이음부 2m이격 시공이음부 1m이격

2) 단면력 산정

① 중앙위치

검토위치 하중조합

단 면 력

모멘트 비 고

(kN․m/m)

축력

(kN/m)

전단력

(kN)

천정부

Comb.1 17.9 637.0 12.9

Comb.2 17.6 637.8 12.6

측벽부

(블럭아웃부)

Comb.1

47.9 1405.6 53.1 횡방향

40.0 709.0 86.2 종방향

Comb.2

47.5 1412.1 52.5 횡방향

40.0 711.5 86.2 종방향

② 시공이음부 2m이격

검토위치 하중조합

단 면 력

모멘트 비 고

(kN․m/m)

축력

(kN/m)

전단력

(kN)

천정부

Comb.1 18.9 599.0 47.6

Comb.2 18.6 600.3 47.0

측벽부

(블럭아웃부)

Comb.1

56.1 1543.1 89.1 횡방향

41.5 731.5 95.0 종방향

Comb.2

55.6 1549.0 88.8 횡방향

41.5 734.0 95.0 종방향

터널공 ❙ 457

터널공

③ 시공이음부 1m이격

검토위치 하중조합

단 면 력

모멘트 비 고

(kN․m/m)

축력

(kN/m)

전단력

(kN)

천정부

Comb.1 21.1 286.9 506.1

Comb.2 20.8 291.1 500.9

측벽부

(블럭아웃부)

Comb.1

81.2 1950.6 654.4 횡방향

42.2 832.2 93.5 종방향

Comb.2

80.6 1955.0 649.1 횡방향

42.3 835.2 93.6 종방향

3) 허용응력 검토

① 중앙위치

[단위:MPa]

하중조합 하중조합 압축응력 검 토 인장응력 검 토 전단응력 검 토

아치부

Comb.1 3.317 O.K - O.K 0.043 O.K

Comb.2 3.299 O.K - O.K 0.042 O.K

측벽부

(블럭아웃부)

Comb.1

7.879 O.K - O.K 0.177 O.K

5.030 O.K 0.303 O.K 0.287 O.K

Comb.2

7.874 O.K - O.K 0.175 O.K

5.038 O.K 0.295 O.K 0.287 O.K

② 시공이음부 2m이격

[단위:MPa]

하중조합 하중조합 압축응력 검 토 인장응력 검 토 전단응력 검 토

아치부

Comb.1 3.275 O.K - O.K 0.159 O.K

Comb.2 3.241 O.K - O.K 0.157 O.K

측벽부

(블럭아웃부)

Comb.1

8.884 O.K - O.K 0.297 O.K

5.205 O.K 0.328 O.K 0.317 O.K

Comb.2

8.870 O.K - O.K 0.296 O.K

5.213 O.K 0.320 O.K 0.317 O.K

③ 시공이음부 1m이격

458 ❙ 터널공

[단위:MPa]

하중조합 하중조합 압축응력 검 토 인장응력 검 토 전단응력 검 토

아치부

Comb.1 2.363 O.K 0.450 O.K 1.687 N.G

Comb.2 2.357 O.K 0.416 O.K 1.670 N.G

측벽부

(블럭아웃부)

Comb.1

11.915 N.G - O.K 2.181 N.G

5.587 O.K 0.039 O.K 0.312 O.K

Comb.2

11.890 N.G - O.K 2.164 N.G

5.604 O.K 0.036 O.K 0.312 O.K

∙지보패턴 P-5 구간의 허용응력 검토 결과 중앙부 및 시공이음부 2m 이격시 조건에서

발생응력이 허용응력 이내이므로 철근보강 불필요

∙시공이음부 1m 이격시 조건에서는 블록아웃부 주위에 작용하는 발생응력이 허용응력 초과

∙따라서, 시공이음부와 이격거리가 2m이상 미확보시 위치조정 및 철근보강 검토 필요

터널공 ❙ 459

터널공

3. 갱구부 구간 검토(지보패턴 P-6, 암반등급 Ⅴ)

1) 단면력 산정(강도설계법)

검토위치 하중조합

단 면 력

모멘트 비 고

(kN․m/m)

축력

(kN/m)

전단력

(kN)

천정부

Comb.1 68.5 2475.8 75.6

Comb.2 77.9 2821.6 68.3

Comb.3 80.1 2805.8 107.1

Comb.4 68.1 2477.2 75.1

Comb.5 77.4 2823.1 67.9

Comb.6 79.5 2807.5 106.7

Comb.7 48.6 1769.4 53.7

측벽부

(블럭아웃부)

Comb.1 151.8 4296.7 179.4

Comb.2 159.9 4791.9 186.0

Comb.3 184.0 5014.9 226.1

Comb.4 151.3 4303.3 178.4

Comb.5 159.3 4799.1 184.8

Comb.6 183.4 5023.0 224.9

Comb.7 108.0 3073.8 127.4

2) 철근량 산정

구 분

휨응력 검토 단면력 설계 단면력

모멘트 검토 주철근

(kN･m)

축력

(kN)

전단력

(kN)

 Mn

(kN･m)

 Pn

(kN)

 Vn

(kN)

아치부 80.1 2805.8 107.1 118.3 4144.9 307.1 O.K

D19@125

측벽부

(블럭아웃부)

184.0 5014.9 226.1 210.3 5287.3 485.5 O.K

∙철근콘크리트 라이닝이 적용되는 구간의 블록아웃부 안정성 검토결과 블록아웃부 주위에

작용하는 응력에 대하여 기존 배근된 철근으로도(D19@125) 안정성이 확보되는 것으로 나타남

∙단, 블록아웃부 주변의 응력집중 완화 및 균열 억제를 위해 사보강 철근 설치 등을 검토하여야 함

460 ❙ 터널공

붙임 #3 : Block out 우각부 철근보강 상세도(소화전함 TYPE D 기준)

L1 D16

L3 D16

L2

철 근 재 료 표

(SD30) ( 개소당)

번 호 직 경 길 이 수 량 총 길 이 단위중량 총중량 비 고

L1 D16 3.580 4 14.320 (kgf/m) ADD 3%

L2

"

1.930 8 15.440

L3

"

0.800 8 6.400

소 계 36.16 1.560 0.056T 0.058T

총 계 0.056T 0.058T

800

D16

A D13

5 D19

L1 D16

L3

D16

L2 D16

무근구간

철근구간

터널공 ❙ 461

터널공

붙임 #4 : Block out 배면부 처리방법 검토

□ 개 념

o 터널 라이닝 Block out 개선(두께유지→개구)에 따른 배면부 공간발생

o 터널라이닝 단면과 방재설비 함체의 두께차로 공간 미채움시 장래

방수막 처짐 및 방수기능 저하 우려

- 라이닝 두께 : 아치부 30cm, 측면 37cm~42cm

- 소화설비 Block out 두께 : 25cm (함체 : 23cm)

o 공간채움을 통한 방수막 보호방안 검토 필요

구 분 현 재 개 선

개 념 Block out부라이닝두께유지 Block out부라이닝삭제

단 면 도

L 터널 중심선 C CL

도로 중심선

R2=4,589

R3=5,539

R5=5,763

R4=4,738

R1=6,623

60°

60°

R1=6,623

300

300

L 터널 중심선 C CL

도로 중심선

R2=4,589

R3=5,539

R5=5,763

R4=4,738

R1=6,623

60°

60°

R1=6,623

300

300

□ 문제점

o Block out 배면을 터널 라이닝콘크리트 타설시 동시 시공하는 것이

시공 편리성에서 우수하나

o 콘크리트를 동시 타설하면 Block out 배면 콘크리트로 응력이 전달되어

구조해석상 불만족

o 응력 전달 방지 및 공간채움을 모두 만족할 수 있는 방법 검토필요

462 ❙ 터널공

□ 검토내용

구 분 1안 2안 3안

개 요 동시타설 + 줄눈설치 발포단열제 + 조적시공 발포단열제 + 스치로폼

개념도

시공

방법

Block out 거푸집 설치

라이닝과배면콘크리트의

구조적 분리를 위해

Block out 상면거푸집

확대로 시공이음 실시

라이닝 콘크리트 타설시

Block out 배면 공간

동시 채움(비구조체)

배면 면관리를 위한

몰탈바름 실시

방수쉬트 보호재 설치

Block out 거푸집을

방수쉬트 보호재까지

설치 후 콘크리트 타설

함체 배면 여유공간은

벽돌쌓기로 채움

배면 면관리를 위한

몰탈바름 실시

방수쉬트 보호재 설치

Block out 거푸집을

방수쉬트 보호재까지

설치 후 콘크리트 타설

함체 배면 여유공간은

스치로폼으로 채움

장단점

동시타설로 시공편리

배면채움및면관리양호

응력전달 방지를 위한

시공이음시 주의필요

응력전달 차단효과 우수

공종추가로시공성불리

배면공간 밀실채움

곤란

응력전달 차단효과 우수

공종추가로시공성불리

배면공간 밀실채움

곤란

채 택 ○

※ 설비함체 규격확대는 터널내공단면의 불균일, 공사비 상승 및 무게 증가에 따른 시공성

저하로 검토 제외

터널공 ❙ 463

터널공

□ 시공이음부 시공방법

o Block out부 콘크리트 단면 축소부로의 응력전달을 방지하기 위해

라이닝 콘크리트와 배면 콘크리트를 시공분리하여 응력전달 차단

o 시공분리 방법 : Block out 거푸집 상면을 방수막과 접하도록 연장설치

464 ❙ 터널공