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터널공

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터 널 공

터널 설계 암반분류 최적화 방안 설계처-2806

(2014.11.13)

1 검 토 목 적

터널 설계시 지반조사의 한계 등에 따른 불확실성을 고려하고,

공사중 설계변경 증액을 최소화하기 위해 보수적으로 설계하는

암반분류 방법에 대해 최적의 설계방안을 검토하고자 함

※터널 암반분류 : 터널의 암반특성을 고려하여 1~5등급으로 분류하고 지보패턴을 결정하는

터널 설계 및 시공에서 가장 중요한 단계임

2 설계 및 시공 실태

□ 설계시 암반분류

o 흐름도(절차)

지표지질조사 → 지반조사 계획 수립 → 물리탐사(전기비저항,

전자탐사 등) 및 분석 → 시추조사 → 실내시험 및 RMR 분류

→ 물리탐사 결과 보정(시추공과 상관도 분석) → 지질도 작성

o 암반분류 : 작성된 지질도를 기준으로 터널 암반분류

- 일반적으로 터널 천단 1.0D(폭원) 상부에서 하단 범위 중 가장

불리한 조건으로 암반분류(등급 결정)

- 갱구부, 저토피 등 연약대는 별도 검토

횡단면도 종단면도

* 2차로터널의 경우, D=13~14m

검토기준선

천단

하단

구분 P-2 P-3 P-4 P-5 P-6

연장 9m 12m 10m 10m 42m

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□ 시공시 암반분류

o 흐름도(절차)

터널굴착 및 버력처리 → 1차 숏크리트 → 막장관찰 및 암반분류

→ 2차 숏크리트 → 막장면 천공 → 굴착 및 버력처리

o 암반분류 : 터널 막장면을 기준으로 암반분류

- 터널 막장면에서 암판정(Face Mapping)을 통해 가장 불리한

조건을 중심으로 암반분류

- 암반등급의 하향조정이 필요한 경우는 사업단 암판정위원회에서,

설계등급과 동일 또는 상향조정될 경우 감독원(감리원) 암판정 시행

막장관찰 사진 막장관찰도

□ 설계/시공시 터널 암반분류 결과분석 [2014.1. 기준]

o 조사대상 : 10개 사업단, 터널 107개소, 총연장 223km 분석

사업단 삼척~동해 주문진~속초 홍천~양양 담양~함양 함양~성산

터널개소 6 3 21 6 13

연장

(km)

상행 4.298 2.905 34.693 3.807 10.736

하행 4.187 2.901 33.171 3.807 10.301

사업단 음성~제천 상주~안동 안동~영덕 냉정~부산 울산~포항

터널개소 12 14 15 2 15

연장

(km)

상행 11.520 11.812 18.084 1.825 14.256

하행 10.843 11.584 18.114 1.909 13.940

터널공 ❙ 441

터널공

o 설계/시공시 암반분류 결과 비교

설계시 시공시

P-1~3, RP-1,2 : 73.1 %

P-4~6, RP-3 : 26.9 %

P-1~3, RP-1,2 : 70.2 %

P-4~6, RP-3 : 29.8 %

※ 설계시에는 P-1~3 이 전연장의 대부분을 차지하고 있었으나

시공시에는 P-1,2가 크게 줄고 P-3이 크게 증가하는 추세를 보이고 있음.

o 설계 암반분류 신뢰도(동일 위치 비교)

• 설계와 동일한 경우는 45.3% 이며,

상향 조정되는 경우는 18.5%로, 설계

대비 동일이상인 경우가 총 63.8%임

• 설계 대비 하향 조정되는 경우는

36.2% 임

o 결과분석

- 시공시 암반등급은 3등급이 가장 많음(36.6%)

․장비 및 인력 조합 등 원가절감을 위해 3등급을 가장 선호

- 설계 대비 등급 상향 보다는 하향조정이 많고, 동일한 구간 많음

․낙반 등 문제발생을 우려하여 설계 대비 상향 암반분류 기피

․막장면 일부분의 안전성 확보를 위해 막장면전체의 등급 하향

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3 문제점 및 개선방향

□ 문 제 점

o 설계시 보수적으로 터널 암반분류 (터널 하단~ 천단 1.0D 상부)

- 시공시 터널막장면을 기준으로 암반분류 (터널 하단~ 천단)

- 지반조사의 한계 및 불확실성을 고려하여 보수적인 설계 경향

o 시공시 공사중단 최소화 등을 위해 설계등급 준용 많음

- 낙반 등 안전사고 우려시 등급 하향 위주의 사업단 암판정 시행

o 터널 막장면의 일부 취약부분으로 막장면 전체의 등급 하향조정

- 소규모 단층대 등을 고려한 다양한 지보패턴 및 보강공법 부재

o 터널 전문가에 의한 막장관찰도 작성 미흡 및 DB 부재

□ 개선방향

도출된 문제점에 대하여 단계별 개선 추진

설계시 터널

암반분류

- 터널 설계 암반분류 최적화 (금회)

․지층경계 조건별 수치해석을 통한 최적 범위 검토

- 지반조사 신뢰도 향상 (별도검토)

․경험적 사항 최소화, 물리탐사 보완 방안 등 제시

시공시 터널

암반분류

(건설처 협조)

- 맞춤형 터널 설계 및 시공방안 수립 (별도검토)

․다양한 보강방안 및 지보패턴 제시, 공사 후 정산

- 터널 시공관리 개선 대책 (건설처-3582, 2014.8.21)

․터널 전문감리원 투입, 암판정 보조시스템 구축 등

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터널공

4 설계시 암반분류 최적화 방안 검토

□ 지층경계 조건에 따른 수치해석

o 해석 조건

1. 해석 프로그램 : MIDAS GTS

2. 해석모델 : Mohr-Coulomb 탄소성 해석 [측압조건 : Ko=1.0]

3. 모델링 범위 : 상부 4.0D, 하부 2.0D, 좌우 4.0D

4. 해석단면 : 함양-울산간 2차로 분리터널

EL. 6.759

EL. 0.737

1.000 3.600 3.600 2.500

CL 도로 CL 터널

S=-2%

R1=6.959

3.600+660=4.260

EL. 0.000

EL.-0.200

R1=6.959

시멘트안정처리필터층(t=15cm)

콘크리트슬라브(t=28cm)

EL. 0.556

R5=4.543

R3=3.939

1.226 4.510 4.670 1.397

11.803

7.559m

250 ts

100.0000°

250 ts

200×300

660

300 100

R2=3.353

R4=3.985

‣ 함양~울산 자연환기터널 표준단면

‣ 도로폭원 : 10.7m

= 1.0+ 2 @ 3.6 + 2.5

‣ 설계굴착량 :　84.07㎥/m

‣ 편평율 : 0.57

5. 해석 Case

구 분 지 층 조 건 터널 지보패턴 지층경계선 조건

Case 1 하부 2등급, 상부 3등급 지보패턴 P-2 하부 1.0D에서

상부 4.0D

(11단계)

Case 2 하부 3등급, 상부 4등급 지보패턴 P-3

Case 3 하부 4등급, 상부 5등급 지보패턴 P-4

6. 지층경계 조건

444 ❙ 터널공

□ 검토내용

o 숏크리트 휨암축응력 변화율

Case 1 Case 2 Case 3

o 천단변위 변화율

Case 1 Case 2 Case 3

o 내공변위 변화율

Case 1 Case 2 Case 3

□ 검토결과

o 터널구간 지층변화 위치에 따른 해석결과

- 숏크리트 휨압축응력은 상부 0.5D ~ 중앙부에서 변화가 큼

- 천단변위는 상부 0.5D ~ 중앙부 범위에서 변화가 큼

- 내공변위는 터널 천단 ~ 하단 범위에서 변화가 큼

터널공 ❙ 445

터널공

□ 최적화 방안

o 설계시 터널의 암반분류는 터널 상부 0.5D ~ 터널 하단부의 지반

조사결과를 기본으로 선정

o 갱구부, 저토피부, 예상 연약대 등은 지반특성을 종합적으로 고려하여

암반등급을 분류하여 설계적용

* 시추공 부족 등 지반조사 신뢰도가 낮은 경우에는 별도의 분류방법 시행

o 최적화 방안 적용 예시

대표 단면도 지질도 및 암반등급

구분 P-2 P-3 P-4 P-5 P-6

당초 9m 12m 10m 10m 42m

개선 21m 10m 10m 0m 42m

□ 경제성 분석

o 검토대상 : 함양~울산간 제10공구 용주3터널(굴착연장 1.01km)

- 암반등급별 연장(양방향 기준)

구 분 소 계 P-1 P-2 P-3 P-4 P-5 P-6

1.0D 기준 2,017m 928m 478m 398m 105m - 108m

0.5D 기준 2,017m 1,029m 567m 269m 44m - 108m

- 절감액 : 3.4억원 (함양방향 2.3억원, 울산방향 1.1억원)

o 터널 km당 예상절감액 산정 : 2.5억원/km

= [ 3.4억원 / 1.01km ] × 75%(각 터널별 지반의 상이함 고려)

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5 적용방안 및 기대효과

□ 적용방안

o 2014년 설계착수 노선부터 본방침 적용

- ‘터널 지반조사 신뢰도 향상방안’ 및 ‘맞춤형 터널 설계 및 시공방안’과

연계하여 취약구간에 대한 충분한 검토 및 보강물량 설계반영

□ 기대효과

o 터널공사비의 약 1.0% 절감

- 2014년 설계착수노선부터 적용시 약 660억원 절감

≒ 2.5억원/km(예상절감액) × 265km(장래예상터널)

* 도로업무편람(2013, 국토부) 고속도로 터널 평균공사비 260억원/km

※ 붙임자료

1. 건설사업단 터널 암판정 결과 분석

2. 지층경계 조건에 따른 터널 예비해석

3. 공사비 산출근거