390 ❙. 터널공

6-2 터널공 현장 의견을 반영한 터널 주요 자재 개선 방안 설계처-3498

(2024.11.07.)

1 추 진 배 경

 터널 설계$NA.M3는 제한적인 지반조사 자료를 바탕으로 예비

설계를 시행하고, 공사 과정에서 실제 지반 여건을 반영하여 완

성하는 개념으로 사전에 현장의 여건을 반영하는 것이 중요

 이에 현장에서 요구하는 사항들을 설계에 적극 반영하여 실질

적인 안전, 시공, 경제성 향상 등을 유도하고자 함

2 현 장 의 견

 조사 개요

o 목 적 : 설계 개선을 위한 현장 조사 및 건설 참여자 의견 청취

o 일 시 : '24.03.27~29

o 대 상 : -등 3개 건설사업단, -국대도 현장

 조사 결과

o 터널 통합유공관 高중량에 따른 시공 애로 등 6건 발굴

공동구 덮개 두께 축소, 터널 라이닝 슬럼프 상향, 라이닝 이음부 실런트 적용 등

o 안전성, 시공성, 경제성 등 고려하여 우선 검토 대상 선정

⇨① 통합유공관 재질 변경 (안전성, 시공성, 경제성, 환경성)

② 강지보공 설계 개선 (안전성, 시공성, 상생협력)

390 터널공

터널공 ❙391

터널공

3 주요 개선사항

1. 통합유공관 재질 변경(아연도 유공관 → HDPE 유공관)

 현장 의견

o 현재 적용 중인 아연도 유공관의 경우 高중량(1본당 6m, 102kg/본)

으로 인력만으로 작업 어려움(인력+장비 조합 필요)

o 아연도 유공관을 측방 배수관과 동일한 HDPE

재질로 변경 시

안전성, 시공성, 경제성, 환경성 등에서 유리할 것으로 판단됨

구분 터널 배수체계 HDPE & 아연도유공관 PVC관

개

요

도

아연도 유공관

(∅≒300mm)

HDPE 유공관

(∅≒100mm)

P5V5C관, C.T,C 10m

(∅≒100mm)

* HDPE : 고밀도 폴리에틸렌(High Density PolyEthylene)

 변경 검토

o 재질 검토 (붙임1)

- 화재 안전성(불연성재질)을 제외하고는 HDPE가 유리

구 분 아연도 유공관 HDPE 유공관 비고

특 징

· 화재 안전성 유>(불연성재질)

· 강성이 높으나, 중량이 무거움

· HDPE에 비해 경제성 불리

· 중량이적어안전성·시공성 유>

· 경제성 및 환경성 유>

· 화재 안전성에 대한 보완 필요

시공성

· 인력과 장비의 조합 시공

(1본당 6m, 102kg/본)

· 인력만으로 시공 가능

(1본당 6m, 32kg/본)

경제성

(재료비)

· 49천원/m · 16천원/m (약 70% 절감)

환경성

· 탄소배출량 大· 탄소배출량 小

· 재활용 자재로 사용 가능

터널공 391

터널공

392 ❙터널공

o 설계 검토

- 수치해석 결과 유공관에 작용하는 하중이 작고 변위가 미미할 것으로

예상되어, 안전성 확보가 가능할 것으로 판단됨 (붙임2)

구분 작용하중 모델링

해석결과

암반등급 3등급 암반등급 5등급

개

요

도

기준

라이닝 축력 2,513kN,

장비 활하중 119.5kN

*

강도 : 0.35Mpa

**

결과

(판정)

기준에 따라 모델링(O.K)

응력 : 0.11M¨a (O.K)

<최대변위 : 0.09uu>

응력 : 0.22M¨a (O.K)

<최대변위 : 0.35uu>

* 터널내 배수체계개선 확대 적용 방안(설계처-2o23, 2013.09.02.) 제시 하중

** 고속도로 건설재품질기준(제22차, 2013.11) 상 고밀도 폴리에틸렌 유공관 기준

o 시공 사례 조사

- OO-OO 국도 HDPE 유공관 시공 결과 양호한 상태 유지 확인

구분 HDPE 유공관 시공 HDPE 유공관 내시경 조사

현장

사진

상태 변형없음 변형없음

 검토 결론

o 통합유공관의 재질, 설계, 시공 사례를 종합 검토한 결과 안전성,

시공성, 경제성, 환경성에서 유리한 HDPE로 변경하는 것이 적정

* (화재 안전성 보완) 화재 시 유]n 기름이 집수정을 통해 유공관으로 흘러가지

않도록, 스틸그레이팅을 완전 밀폐형으로 변경 (붙임3)

392 터널공

터널공 ❙393

터널공

2. 강지보공 설계 개선

 현장 의견

o 상반 지보재가 숏크리트에 매입됨에 따라, 하반 발파 후 연결부

노출을 위한 숏크리트 제거 과정에서 지보재 손상 우려

* 상반발파→상부지보설치→하반발파→연결부 노출(숏크리트 제거) →하부지보설치

o 기초부가 바닥에 견고히 지지되어야 하나, 이에 대한 대책 미반영

 

상하반 연결

기초부 지지

강지재 연결부 상반연결부 노출작업 연결부 손상 사례

현장

사진

 변경 검토

o 강지보재 관련 기준

- (설계) 숏크리트, 록볼트 기능 발휘 전 터널 조기 안정 도모 목적

* 추가적인 안전성 향상를 위한 자재로, 현재 수치해석 시에는 미반영 中

[국가건설기준 터널 설계기준 터널지보재(KDS 27 30 00: 2023)]

4.2 강지재

4.2.1 강지보재의 설계

(1) 강지보재는취약한 지반 조건에서 터널굴착 초기의 안정성을 확보하기 위한 지보재 중의 하나로서,

() 강지보재는 다음의 기능이 요구될 때 적용하여야 하며,

① 숏크리트 또는 록볼트의 지보기능이 발휘되기까지 굴착면의 조기 안정 도모와 숏크리트 강성 증대

- (시공) 기초부는 견고하게 지지하고, 연결부는 후속 시공 감안 필요

[국가건설기준 터널표준시방서 터널지보재 시공(KDS 27 30 00: 2023)]

3.3.1 강지재

(2) 강지보재 설치

⑤ 여굴에 의해 강지보재가 지반을 지지하지 못하. 되는 부분은 강재 또는 콘크리트 쐐기 등을 일정간격으로 설치하여 강지보재가 굴착면을 지지할 수 있도록 하여야 한다.

⑳강지보재의 연결부는 후속 연결 시공의 시공성을 감안하여시공하고 필요한

조치를 취하여야 한다.

터널공 393

터널공

394 ❙터널공

o 시공 여건

- 발파에 의한 여굴 등으로 강지보재 기초부 지지 어려움

- 기술 마켓에 연결부 시공성 및 안전성을 향상시킨 제품 다수 등재

* 시공 시 연결부 노출(숏크리트 제거) 작업 생략으로 품질 확보에 유리하고,

당초 대비 사업비 변동 없음

 검토 결론

o 여굴 등 현장 여건 고려 기초부의 견고한 지지를 위해 콘크리트 쐐기 반영

구분 쐐기 및 설치 상세(예) 비고

내용

<oo국도강지보재붕괴사고>

o 강지보재는 터널의 초기 안전성 및 후속 공정에 영향을 미치는 주요

자재이므로 시중의 우수한 기술 적극 도입 (특정공법 대상으로 추가)

【특정공법 선정기준(설계.-3276, 2022.10.14】

⑤ 해당공종의 품질 확보가 미흡할 경우 연계 공종에 중대한 결함발생이

우려되는 공종

o 품질 불량 시 연b 공종에 영향을 주어 목적물의 결함을 야기하는 공종

* 지방국토관리청(익산, 원주), 경기도 특정공법 심의 기시행

394 터널공

터널공 ❙395

터널공

4 향 후 계 획

 적용방안

ㅇ (설계 중 노선) 본 방침 적용

ㅇ (건설 중 노선) 공사주관(시행)부서에서 검토 후 적용

 기대효과

ㅇ 설계 중인 노선 적용 시(부산신항-김해 등 7개 노선)

- 통합유공관 재질 변경 (붙임4)

· [안전성·시공성] 장비 없이 인력만으로 운반 및 설치 가능

* (당초) 인력+장비 조합 → (변경) 인력 단독 작업

· [경제성] 약 50억원 절감 (약 70절감)

· [환경성] 탄소 배출량 약 3,580t 절감 (약 70절감)

* 친환경 자재로, 재활용 플라스틱으로 활용 가능

- 강지보재 설계 개선

· [안전성] 터널 굴착 시 초기 안전성 향상

· [시공성] 숏크리트 제거 등 추가 작업 불필요로, 원활한 후속 작업 가능

· [상생협력] 중소기업에서 개발한 검증된 우수기술 적극 도입

터널공 395

터널공

396 ❙터널공

붙 임 자 료

붙임 1 터널 유공관 재질 검토

붙임 2 터널 맹암거 설계 검토

붙임 3 스틸그레이팅 변경(일부오픈→완전밀폐)

참고 1 현재 설계중인 터널 현황 (별첨)

참고 2 고속도로 탄소 배출계수 현황(설계처-2047,‘22.06.30) (별첨)

396 터널공

터널공 ❙397

터널공

붙임1 터널 유공관 재질 검토

구 분

아연도 유공관 H.D.P.E 유공관

(High Density Polyethylene)

개 요 도

재 료 ∙아연 도금 유공관 ∙폴리에틸렌 합성수지 유공관

직 경

/

무 게

∙ = 300mm

∙102kg (17.0kg/m)

∙ = 300mm

∙32kg (K.3kg/m)

연결방법 ∙연결 도관으로 유공관 연결 ∙밴드 접합으로 유공관 연결

시 공 성

∙무게가무A워, 인력+기계로운반및설치

∙굴곡이 어려워 시공성 불리

∙무게가 가벼워 인력으로 운반 및 설치

∙굴곡이 자유로워 시공성 유리

내 구 성

∙장기간 수침으로 아연 도금층

부식 시 내구성 저하 우려

∙플라스틱 재질로, 장기간 수침

되어도 부식 우려 없음

안 전 성

∙금속 재질로 화재 저항성 높음

∙충격에 강하고 강도가 높음

∙연@ 시 유독 가스 발생 우려됨

∙강도가 낮고, 외부 충격에 취약

∙화재 시 별도 대책 필요

경 제 성

(

재료8

)

∙49,270원/m (물가정보, ‘24.7) ∙1o,300원/m (물가정보, ‘24.7)

터널공 397

터널공

398 ❙터널공

붙임2 터널 맹암거 설계 검토

□ 수치해석을 통한 배수콘크리트 응력 분포 분석

① 사용프로그램 : MIDAS GTX NX (유한요소해석)

② 해석방법 : 배수콘크리트 하부 응력 및 변위 거동 분석을 통한 터

널 맹암거 작용하중 분석

③ 터널 맹암거 작용하중(설계처-2623, 2013.09.02.)

- 고정하중 : 콘크리트 라이닝 축력 = 2,513kN

- 배수 콘크리트 자중 : 프로그램 자동 계산

- 차량 활하중 : 119.5kN (시공 시 하중이 공용 시보다 큼)

해석 단면 하중작용 모델링도

□ 배수콘크리트 하부 터널 맹암거 거동 분석

o 설계지반정수

구 분

단위중량

(kN/m

3

)

점착력

(k)

내부마찰각

( °)

변형계수

()

포아송비

암반등급 3 25.0 1,500.0 36.0 5,000.0 0.26

암반등급 5 22.0 100.0 32.0 500.0 0.30

398 터널공

터널공 ❙399

터널공

o 해석결과

① 암반등급 3인 경우

주응력분포 변위분포

> 배수콘크리트 응력

: 6=1MPa < 9=6MPa ∴ O=K

> 배수콘크리트 하부 각변위

: 1/66,364 < 1/00 ∴ O=K

> 유공관 발생 응력

: 0=11MPa < 0=3Ma ∴ O=K

> 유공관 최대변위 : 0=0999

$배수콘크리트 기초부 하중지지로

유공관에 작용하는 하중 경미3

② 암반등급 5인 경우

주응력분포 변위분포

> 배수콘크리트 응력

: 7=9MPa < 9=6MPa ∴ O=K

> 배수콘크리트 하부 각변위

: 1/,19 < 1/00 ∴ O=K

> 유공관 발생 응력

: 0=<<MPa < 0=3Ma ∴ O=K

> 유공관 최대변위 : 0=399

$배수콘크리트 기초부 하중지지로

유공관에 작용하는 하중 경미3

터널공 399

터널공

400 ❙터널공

붙임 3 스틸그레이팅 변경(일부오픈→완전밀폐)

400 터널공

터널공 ❙401

터널공

붙임4 설계 중인 노선 적용 시 기대효과

□ 설계 중인 터널 현황(‘24.11)

○ 7개 노선 터널 36개(38,221m) [참고1]

□ 경제성

○ 통합 유공관 재질 변경 시 50억원 절감

[재질별 재]

•아연도 유공관 : 49천원/m

•HDPE 유공관 : 16천원/m

[적용 위치]

적용 위치(4개소/m#

- (4천원/m

(아연도유공관)

–16천원/m

(2*유공관)

) x 4

(터널 당 적용개소)

x 38,221m

(설계 중 터널 연장)

= 5,045백만원

□ 환경성

○ 통합 유공관 재질 변경 시 탄소 배출량 3,577t 절감

[재질별 탄소배출계수] [참고2]

•아연도 유공관 : 0.002 tCO

2

/kg

•HDPE 유공관 : 0.002 tCO

2

/kg

[재질별 무게]

•아연도 유공관 : 17.0 kg/m

•HDPE 유공관 : 5.3 kg/m

[적용 위치]

적용 위치(4개소/m#

- (0.002tCO

2

/x 17.0

(아연도유공관)

–0.002tCO

2

/x5.3

(2*유공관)

)

x 4

(터널 당 적용개소)

x 38,221

(설계 중 터널 연장)

= 3,577tCO

2

터널공 401

터널공

402 터널공