2013년도 설계실무자료집 - 터널공사

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7-1 터널 콘크리트 라이닝 최적화 방안 검토 설 계 처-128

(2013. 1. 15)

I 검토목적

터널 라이닝의 주재료인 콘크리트 및 철근의 고강도 재료 적용을

통해 철근량 및 라이닝 두께 축소로 설계 최적화

Ⅱ 설계기준 및 개념

【 설계기준 】

□ 터널설계기준 (국토해양부, 2007)

구 분 내 용

라이닝 두께

- 단면크기·형상, 지반조건, 작용하중 등을 고려 결정

- 소단면 기준 300mm를 표준(현장여건 감안 증감 가능)

콘크리트강도 - 표준강도 : 24Mpa (필요시 고강도 사용 가능)

* 철근 강도에 대한 기준은 별도 언급 없음

□ 기타 기준 [라이닝 콘크리트강도 설계기준]

구 분 배수형 터널 비배수형 터널

도로설계요령(2009) 21~24 MPa 27 MPa

도로설계편람(2011) 24 MPa 27 MPa

철도설계기준(2011) 21~24 MPa 27 MPa

철도설계편람(2011) 21~24 MPa 27 MPa

o 라이닝 고강도재료(콘크리트 27MPa, 철근 400MPa) 적용 사례

- 서울지하철 3호선 및 9호선 정거장 2-arch터널(비배수형터널)

- 원주~강릉간 복선전철(배수형터널)

- 수도권 수서~평택간 고속철도(비배수형터널)

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【 설계개념 】

□ 라이닝의 설계개념

o 배수형NATM 터널에서는 숏크리트와 록볼트 등의 1차 지보재가

시공단계에서 지반변위를 완전히 수렴시킨 후 라이닝을 시공

o 지반조건 열악 등 장기적으로 이완하중, 잔류수압 등의 추가응력

발생을 대비하여 라이닝(2차 지보재)이 부담하는 것으로 설계

□ 설계하중

① 이완하중

② 잔류수압

③ 라이닝 자중

④ 온도하중 및 건조수축 하중 등

* 이완하중과 잔류수압은 라이닝 해석의 주요 인자임

□ 설계방법

구 분 무근 콘크리트라이닝 철근 콘크리트라이닝

설 계 법

허용응력설계법

(발생응력＜허용응력)

강도설계법

(극한강도＜설계강도)

적용패턴 P-1～P-4 P-5, P-6(갱구부) 등

* 무근콘크리트 라이닝으로 허용응력 초과시 강도설계법 적용

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Ⅲ 라이닝 최적화 방안 검토

【 검토방향 】

o 라이닝 재료 강도 상향

- 콘크리트 : 24Mpa →27Mpa, 철근 : 300Mpa→400Mpa

o 라이닝 두께 축소

- 두께 : 표준 30cm → 25cm

【 검토내용 】

□ 검토조건

o 안정성 확보를 위해 가장 불리한 조건 적용

o 하중 및 지반정수는 부산외곽순환고속도로 등 13개 노선 31개 공구

사례 분석결과 적용

o 해석은 범용적인 모델링 및 프로그램 적용

구 분 적용조건(값) 비 고

지반조건 •지반정수 : 설계 적용사례 중 최소값

하중조건

•고정하중 : 무근(철근)콘크리트 단위중량

•잔류수압 및 이완하중 : 설계 적용사례 중 최대값

- 재하방식 및 하중조합 : 원형재하방식

•온도하중 및 건조수축하중 : 갱구부(P-6)에만 적용

해 석

•해석모델 : 지중골조모델

•경계조건 : 힌지조건

•지반반력계수 : AFTES 제안식

•프로그램 : MIDAS - CIVIL

o 재료강도 및 두께변화에 따른 CASE별 구조검토 시행

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① 무근콘크리트 구간

o 해석 CASE 선정 (Type-4 기준)

구 분 CASE-1 CASE-2 CASE-3 CASE-4

개 요 현설계기준 재료강도상향 두께축소

두께축소 및

재료강도상향

라이닝 두께 30cm 30cm 25cm 25cm

콘크리트강도 24Mpa 27Mpa 24Mpa 27Mpa

- 축소두께는 소화전 블록아웃(깊이 25cm) 및 지반의 불균일성 등을

감안하여 25cm만 검토

o 해석 결과(허용응력설계법)

천단부 발생압축응력 안전율(허용/발생응력) 비교

강도

두께

24Mpa 27Mpa

30cm

1.99

(CASE-1)

2.22

(CASE-2)

25cm

1.72

(CASE-3)

1.93

(CASE-4)

- CASE-4 적용시 현 설계기준(CASE-1) 보다는 안전율이 낮아지나

(1.99→1.93) 차이가 미미하며 안정성은 확보됨

* 현 설계기준(콘크리트강도 24Mpa)도 라이닝 두께는 15cm까지 축소 가능

o 경제성 검토 - “붙임#4” 참조

- CASE-4 적용시 : 터널공사비의 약 2.1억원/km 절감

* 콘크리트 재료 변경으로 터널공사비 약 0.3억원/km 증액 포함

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② 철근콘크리트 구간

o 해석 CASE 선정 (Type-5, 6 기준)

구 분 CASE-1 CASE-2 CASE-3 비 고

개요 현설계기준 재료강도상향

두께축소 및

재료강도 상향

라이닝 두께 30cm 30cm 25cm

콘크리트강도 24Mpa 27Mpa 27Mpa

철근 강도 300Mpa 400Mpa 400Mpa

o 해석 결과(강도설계법)에 따른 철근량 검토

CASE CASE-1 CASE-2 CASE-3 비 고

P-5

주철근 D22@125 H19@125 H22@125

단위철근량

1.361 ton

(100%)

1.065 ton

(78.3%)

1.361 ton

(100%)

P-6

주철근 D32@125 H25@125 H29@125

단위철근량

2.603 ton

(100%)

1.695 ton

(65.1%)

2.160 ton

(83.0%)

- CASE-2의 경우 철근량 최대 35% 감소(P-6 기준)

- CASE-3는 CASE-2에 비해 철근량 다소 증가(최대 17% 감소)

o 경제성 검토

- CASE-3 적용시 : 터널공사비의 약 4.5억원/km 절감

* 철근량 축소 : 2.4억원/km, 두께 축소 : 2.1억원/km

- CASE-2 적용시 : 터널공사비의 약 7.5억원/km 절감

* CASE-2는 무근콘크리트 구간의 공사비 증액으로 경제성 확보 곤란

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【 검토결과 】

□ 라이닝은 콘크리트 및 철근의 강도를 상향하여 설계적용

o 콘크리트 : 24Mpa→27Mpa, 철근 : 300Mpa →400Mpa

□ 라이닝 두께는 지반여건 등을 고려한 구조검토 결과에 따라 설계

자가 판단

Ⅳ 적용방안 및 기대효과

【 적용방안 】

□ 현재 설계중인 노선부터 설계 적용

(함양~울산, 당진～천안 등 4개노선 터널 61개소/79.6km)

□ 터널별 라이닝 관련 검토내용 : 설계보고서 수록 의무화

【 기대효과 】

□ 공사비 절감액 : 약 200 억원

o 라이닝 두께 축소 : 약 166억원

o 재료강도 상향(철근량 축소) : 약 38억원

□ CO2 저감량 : 약 6만 톤

o 철근량 축소 : 5,611 톤

o 콘크리트량 축소 : 53,384 톤

o 굴착량 축소 : 1,231 톤