457

8-1 터널 다단그라우팅 보강구간 록볼트 적용기준 검토 설 계 처-1210

(2009. 3. 5)

1 검토배경

터널의 다단 그라우팅* 보강구간에 대한 지반 안정성 검토를 통한 록

볼트** 적용방안을 검토코자 함

※ 감사 지적사항(감사실-1656, 2008.10.8)

터널 다단 그라우팅 보강구간 록볼트 시공에 대한 기준 수립

* 다단 그라우팅 : 터널 갱구부 및 막장전방 지반안정를 위하여 굴착전 종방

향으로 보강재(강관, FRP 등)를 설치하는 공법

** 록볼트 기능 : 봉합․보형성․내압․아치형성․지반개량 작용효과

2 관련기준

가. 터널설계기준(건설교통부, 2007)

ㅇ 점착력이 적거나 파쇄 혹은 팽창성 등이 심하여 굴착면의 자립시간

이 짧은 지반에서는 굴진면의 안정을 위한 보조공법(천장부 보강용

강봉 및 강관보강공법 등)을 적용함

ㅇ 강관보강공법 적용구간이 록볼트에 의한 보강효과가 없거나 매우

저감되는 경우, 지반조건 검토 후 록볼트를 생략할 수 있음

나. 국도건설공사 설계실무요령(국토해양부, 2008.3)

ㅇ 강관보강형 그라우팅 등 보강공법이 적용된 구간에서는 록볼트를 시

공하지 않음

다. 도로설계요령(한국도로공사, 2002)

ㅇ 강관보강형 다단 그라우팅은 터널 천단부 지반강화 및 구조적 보

강을 위해 연암 및 토사지반을 대상으로 적용

458

3 현 실태 및 문제점

가. 설계 및 시공 현황

사업단 노선

터널

개소

록볼트 적용여부

사업단 노선

터널

개소

록볼트 적용여부

설계 시공 설계 시공

대전당진

대전-당진 7 × × 음성충주 음성-충주 6 × ×

서천-공주 23 ○, × × 진주마산 진주-마산 2 ○ ×

춘천양양

춘천-동홍천 27 ○ ○,× 목포광양 목포-광양 11 ○ ○,×

동홍천-인제 22 × × 광양남원 남원-광양 14 ○ ×

주문진

속초

주문진-속초 2 ○ × 남원전주 전주-남원 24 ○ ○

인제-양양 2 ○ × 미발주 영동-옥천 2 × -

수도권

여주-양평 7 × × 미발주 삼척-동해 6 × -

신갈-호법 2 ○ ×

* 2009.2월 현재 대안입찰 발주진행중 노선 터널 미반영

ㅇ 2005년이전 설계준공노선은 다단 그라우팅 보강구간 록볼트를 설

계반영하였으나, 일부노선만 중복 시공

ㅇ 2006년이후 설계준공노선은 록볼트 설계 미반영

나. 문제점

ㅇ 다단 그라우팅으로 고결된 굴착지반에 록볼트 시공시 고결체 지반

및 보강재(강관, FRP 등) 손상

ㅇ 다단 그라우팅 보강구간 록볼트 보강효과 및 안정성 검토 없이 록

볼트 설계반영 및 시공 사례 발생

459

4 안정성 검토

가. 검토방법

ㅇ 터널 갱구부 다단(강관) 그라우팅 보강구간 록볼트 설치와 미설

치시 안정성 비교

- 양방향 2차로 터널기준, 시공단계별 3차원 수치해석

- 천단변위 및 내공변위, 숏크리트 및 강관 휨응력 비교

ㅇ 불연속면을 고려한 암반블록 형성 및 활동 안정성 검토

- 불연속면 방향성과 다단그라우팅 보강 효과 고려

- 암반블록 형성시 활동 안정성 검토

나. 해석단면

적용단면 지보조건

∙굴착방법 : 상ㆍ하분할 굴착

∙1회 굴진장 : 1.0/1.0m

∙숏크리트 두께 : 16cm

∙록볼트 개수(길이) : 6.0개(4.0m)

∙록볼트 종/횡간격 : 1.0m/1.5m

∙강관다단 직경/길이 : 50.8㎜/12m

∙강관다단 종/횡간격 : 6m/0.5m

다. 해석결과

다단 그라우팅 보강구간 록볼트 보강효과는 발생변위, 숏크리트

및 강관 휨응력 검토 결과 미미함

ㅇ 천단변위 : 록볼트 보강시 0.004 ~ 0.016㎜ 감소

ㅇ 내공변위 : 록볼트 보강 및 제외시 변동 없음

ㅇ 숏크리트 휨응력 : 록볼트 보강시 0.0008MPa 감소

ㅇ 강관 휨응력 : 록볼트 보강시 0.003MPa 감소

460

암반블록 형성 및 활동 안전성 검토결과 안정성 확보

ㅇ 최소안전율(F.S) 1.50 이상

5 개선방안

가. 터널의 지반 및 지질조건, 시공조건 등에 따른 지반 안정성 검토

결과에 따라 다단 그라우팅 공법을 적용하고, 록볼트는 중복시공

하지 않음

ㅇ 단, 지반 및 지질조건에 따른 추가 안정성 검토결과(암반블록 형성

및 활동 등) 록볼트 보강이 필요한 경우 현장여건에 맞게 록볼

트 보강 가능

나. 적용방안

ㅇ 설계 중 노선 : 본 방침 적용

ㅇ 설계완료 후 미발주 노선 또는 공사 중 노선 : 공사시행부서에서

안정성 검토 후 록볼트 삭제 등 조치

붙임 : 1. 다단 그라우팅 보강구간 록볼트 적용 안정성 검토 흐름도

2. 다단 그라우팅 안정성 검토 결과

3. 암반블록 형성 및 활동 안정성 검토 결과

461

붙임 #1

다단그라우팅 보강구간 록볼트 적용 안정성 검토 흐름도

※ 1) 수치해석적 검토시에는 대상 지반 및 설계 조건들을 모사할 수 있고, 지반 거동 해석이 가능한 해석 프로그램을 이용하도록 함

2) 터널 주변 암반블록에 대한 안정 검토시 다단그라우팅에 의한 불연속면 강도 증진 효과를 고려하도록 함

3) 시공중 막장면 지질조사, 암반상태 평가 결과 설계시의 암반상태(RQD 및 절리간격 등)와 상이한 경우 록볼트 필요여부 재검토

462

해석방법*(1)

(록볼트 필요 여부 안정성 검토)

해석방법**(2)

(암반블록 형성 및 활동 안정성 검토)

해석영역 및 해석모델 설정 불연속면 및 터널 방향성

경계조건에 따른 요소망 형성 터널 모델링

지보재 및 다단그라우팅 모델링 터널 상부 암반블록 형성 검토

굴착 및 보강순서를 고려한 해석 암반블록 안정성 검토

발생변위 및 지보재응력 분석

463

붙임 #2

다단 그라우팅 안정성 검토 결과

□ 해석방법

구 분 해 석 적 용

해석모델링

∙해석영역의 지형을 유사하게 모델링하여 갱구부 지형에

따른 초기 응력상태와 적용 지보패턴을 모사

해석영역

∙해석을 위한 지반경계범위는 터널 좌·우측 경계는 5.0D,

하부경계까지는 4.0D로 모델링(D :터널직경)

해석프로그램 ∙유한요소 수치해석 프로그램 : PENTAGON 3D

해석모델 ∙해석모델 : Mohr-Coulomb 파괴기준에 의한 탄소성 해석 모델

굴착순서 및

방법

∙갱구부 적용 지보공(록볼트)과 강관다단 그라우팅 보강 영역의

중복시공에 따른 보강효과 검토 및 적정성 검토를 위해

시공단계를 모사한 수치해석 수행

□ 해석단면

해석단면도 지반모델링(3차원) 1차지보재 및 강관모델링

□ 록볼트 보강효과 비교도

록볼트 미설치 록볼트 설치

∙다단 그라우팅(터널중심선기준 좌우 60°)

∙측벽부 시스템록볼트(종/횡간격

1.0/1.5m)

∙다단 그라우팅(터널중심선기준 좌우 60°)

∙지보패턴 시스템록볼트(종/횡간격

1.0/1.5m)

464

□ 해석적용 물성치

지반등급 탄성계수

(MPa)

단위중량

(kN/㎡)

포아송비

(ν)

내부마찰각

(degree)

점착력

(kPa)

지반등급 Ⅴ 750 21.0 0.30 32 200

풍 화 암 250 20.0 0.32 30 30

풍 화 토 80 19.0 0.33 28 15

보강그라우팅

(CTC=500mm) 1,106 17.0 0.30 32 244

※ 다단 그라우팅 제원(지반등급 V)

보강재 제원 그라우트제 물성치

강관직경 50.8mm

일 축

압 축

강 도

qu 5MPa

강관길이 12.0m Fs 2.0

설 치

간 격

종간격 6.0m

qu(Fs)

2.5MPa

횡간격(CTC) 0.5m 25kgf/㎠

천공경 125mm 단위중량(W) 1.70

확산경

총확산경 375mm 점착력(Cg) 0.693MPa

유효확산경 187.5mm 확산경 단면적 0.08㎡

보강부 단위 면적(At) 2.40㎡ 그라우트체 면적(Ag) 0.15㎡

보강면적내 강관개수 2EA 탄성계수(Eg) 4732.3MPa

□ 해석결과

구 분

좌측터널 우측터널

록볼트

미설치

록볼트

설치

증감

록볼트

미설치

록볼트

설치

증감

천단변위(㎜) 4.441 4.425 0.016 4.352 4.348 0.004

내공변위(㎜) 3.825 3.825 0 4.184 4.184 0

숏크리트

휨응력(MPa) 0.6632 0.6624 0.0008 0.6422 0.6414 0.0008

강관

휨응력(MPa) 10.805 10.805 0 41.527 41.524 0.003

465

붙임 #3

암반블록 형성 및 활동 안정성 검토 결과

□ 해석방법

구 분 해 석 적 용

해석모델링 ∙터널형상 및 불연속면 방향성을 고려하여 모델링

해석프로그램 ∙한계평형해석 프로그램 : Unwedge

해석모델 ∙Mohr-Coulomb 파괴기준 적용(다단 보강그라우팅 고려)

□ 불연속면의 주절리 방향

절리군 방향성

점착력 c(MPa) 내부마찰각

(°)

다단그라우팅

무보강

다단그라우팅

보강후

J1 26/155 0.150 0.183(22%증가) 34.3

J2 82/197 0.152 0.182(22%증가) 34.3

J3 81/328 0.156 0.187(22%증가) 34.3

□ 암반블록 형성 검토

터널 및 불연속면 방향

발생 블록 형상

정 면 입 체

□ 검토결과

암반블록 안전율 검토결과

∙다단보강 그라우팅

보강에 따른 암반블록

활동에 대해

최소안전율(1.50)이상이

므로 안정성 확보

⇒ 록볼트 미적용

다단그라우팅 무보강 11.4 다단그라우팅 무보강 38.5

다단그라우팅 보강 13.3 다단그라우팅 보강 44.3