2013년도 설계실무자료집 - 포장공사

266

6-2

기후·환경을 고려한

터널내 콘크리트포장 줄눈설계 최적화 방안 검토

설 계 처-2903

(2013. 9. 30)

I 추진배경

□ 최근 자연훼손 예방, 생태보전 등 환경에 대한 국민의식과 관심이

높아짐에 따라 고속도로 건설구간 중 터널연장 지속 증가 추세

□ 적설, 동결·융해 등 기후 및 환경조건을 고려하지 않고 터널내

콘크리트 포장 줄눈은 토공부와 동일하게 설계

☞ 콘크리트 포장줄눈 설계최적화로 공사원가 절감

【터널연장 증가 추이】

구 분 2009 2010 2011 2012 2013

터널연장(km) 354 414 443 536 552

Ⅱ 콘크리트포장 줄눈 설계

□ 콘크리트포장 줄눈 개요

구 분 가로줄눈 세로줄눈

설치목적

포장의 팽창과 수축을 수용함으로써 온도 및 습도 등 환경요인과

마찰, 시공에 의하여 발생하는 응력의 완화 및 불규칙 균열의 유도

완충장치

설 계

다웰바(슬립바)

(기능) 하중전달, 줄눈변위 수용

(규격) D32 강봉, CTC 300∼450

(설계) 경험적 방법 이용

타이바

(기능) 포장의단차및벌어짐방지

(규격) D16 이형철근, CTC 750

(설계) 인장력과 응력관계로 도출

줄눈간격

· 슬래브두께의 24배 이내

· 통상 6m 적용

· 4.5m 이내

· 통상 차로폭 간격으로 적용

주 요

설계인자

온도변화, 기층과의 마찰력,

열수축계수, 줄눈변형량 등

슬래브 폭 및 하부마찰계수,

철근의 허용응력 등

2013년도 설계실무자료집 - 포장공사

267

Ⅲ 터널내 환경 및 문제점 분석

□ 터널내 환경요인

o (양호한 지반여건) 지반을 굴착하여 형성된 암반 위에 포장층이

설치되므로 동상의 영향이 없고 충분한 지지력 확보되어 부등침하의

우려 없음

구 분 동적지지력(psi) 비고

터널내 1,167∼4,289

토공부 360∼464

※ 터널내 포장설계 지침(국토교통부, 2005)

o (기후영향 미미) 터널내는 외부 환경 요인의 영향이 적어 온도변화가

적고 특히 동절기 온도저하가 적음

구분

측정온도(0C)

갱구 25m 50m 75m 100m 125m 150m 175m 200m 250m 300m

기계

환기

기준

평균기온(0C) -8.5 -8.3 -8.1 -7.8 -7.5 -7.1 -6.7 -6.4 -6.1 -5.8 -5.5

갱구기준

온도감소비율(%)

100 98 96 92 88 84 79 75 72 68 64

-7.4 -7.2 -7.0 -6.7 -6.4 -6.1 자연 -5.8 -5.4 -5.2 -5.0 -4.7

환기

기준

평균기온

100 94 89 86 83 80 77 73 70 66 63

갱구기준

온도감소비율(%)

※ 터널내 포장설계 개선방안 고찰(권기하, 권기진 한국도로학회, 2001)

o (고내구적 환경) 터널내는 노면건조 상태로 제설염화물 및 동결

융해에 의한 포장파손이 발생치 않는 환경으로서 토공부에 비하여

줄눈파손 비율이 상대적으로 적음\

구분 총 줄눈수 파손줄눈수(비율)

스폴링 파손

줄눈수(비율)

비고

터널부 1,972 309(15.6) 123( 6.2)

일반부 13,344 2,698(20.2) 1,629(12.2)

전체 15,316 3,007(19.6) 1,752(11.4)

※ 2010년 영동선 상행선 기준 (Hi-유지관리 포장 PMS 참조)

2013년도 설계실무자료집 - 포장공사

268

□ 문제점

o 줄눈부는 포장의 불연속면으로써 주행시 소음발생과 쾌적성 저하를

유발할 뿐만 아니라 잦은 파손으로 포장수명을 단축시키고 교통

사고의 원인 제공

o 터널부의 환경특성(기후, 지반)이 미고려된 일률적 줄눈간격 적용

- 터널부는 암반지반으로써 지지력이 양호하고 온도변화가 적음

(외기온도의 70%)에도 불구하고 토공부와 동일한 줄눈간격(6m) 적용

- 터널내 포장의 설치환경을 고려한 특화된 줄눈 검토 미흡

o 터널부 지반특성을 고려하지 않은 세로줄눈 타이바 적용

- 터널부는 양측면의 공동구가 수평방향으로 포장의 변위를 구속

하여 벌어짐의 우려가 없음에도 불구하고 타이바 설치

- 타이바 설치부 포장파손, 주행성 불량 유발

터널내 환경을 고려한 콘크리트포장 줄눈설계 최적화 필요

Ⅳ 터널내 콘크리트포장 최적화 검토

 콘크리트포장 줄눈간격

〈검토방향〉

터널부에 대한 역학적-경험적 검토를 통해 최적 줄눈간격 도출

* (역학적검토) 구조해석을 통한 역학적 줄눈간격 검토

* (경험적검토) 온도 및 건조수축에 의한 줄눈 벌어짐량 산출

2013년도 설계실무자료집 - 포장공사

269

□ 구조해석을 통한 역학적 줄눈간격

o 줄눈간격별 유한요소해석(FEM)을 통한 발생응력 산출

- 검토조건

교통 차량하중이 큰 5종, 6종 적용

환경

슬래브 상하부온도, 건조수축,

크리프 등

재료

콘크리트 탄성계수, 프아송비,

마찰저항, 지반 지지력계수 등

<3차원 유한요소해석 모형>

o 기준강도와 대상지역 발생응력의 비교를 통한 안정성 검증

구 분 단위 하향컬링응력 상향컬링응력 비고

기준강도 Mpa 3.70 3.43

* 기준강도 : 가장 열악한 교통 및 환경조건인 남원, 의성지역의 콘크리트 강도

o 검토결과(슬래브두께 28cm)

구분

줄눈간격

(m)

하향컬링응력

(MPa)

상향컬링응력

(MPa) 비고

강진3터널

8.0 2.79 (70%) 2.30 (66%)

9.0 2.82 (71%) 2.41 (69%)

10.0 2.83 (71%) 2.40 (69%)

홍천지역

8.0 3.25 (88%) 3.17 (92%)

9.0 3.36 (91%) 3.26 (95%)

10.0 3.43 (93%) 3.43 (100%)

인천지역

8.0 2.82 (76%) 3.05 (89%)

9.0 2.88 (78%) 3.13 (91%)

10.0 2.91 (79%) 3.21 (94%)

부여지역

8.0 3.13 (85%) 3.18 (93%)

9.0 3.23 (87%) 3.25 (95%)

10.0 3.27 (88%) 3.44 (100%)

제천지역

8.0 3.29 (89%) 3.23 (94%)

9.0 3.40 (92%) 3.31 (97%)

10.0 3.47 (94%) 3.53 (103%)

☞ 줄눈간격 9m까지는 기준강도 미만의 응력이 발생

2013년도 설계실무자료집 - 포장공사

270

□ 줄눈폭 벌어짐에 의한 적정 줄눈간격

o 하중전달율을 고려, 줄눈폭 벌어짐을 5mm 이내로 검토

- 줄눈벌어짐이 5mm 이상시 하중전달율

급격히 저하(Jeong 외, 2006)

- 하중전달률이 급격히 감소하는 줄눈폭

벌어짐량 12.7mm(AASHTO 제안, 1979)와

신뢰도(95%, 2.5배)를 고려시 벌어짐 기준은

5mm가 적정(전범준 외, 2005) 하중전달률과줄눈벌어짐과의상관관계

o 터널내 온도 및 건조수축을 고려하여 벌어짐량 산출

- 터널내 포장부 온도변화량은 최대연교차의 70% 적용(터널내포장 설계지침)

- 벌어짐 예측식(AASHTO) : Δ   × × Δ   

Δ : 줄눈폭 벌어짐(mm)  : 마찰 보정계수(1.0)

 : 슬래브 길이(mm)  : 콘크리트 열팽창계수(/℃)

Δ : 연중 슬래브 최대 온도차이(℃)    : 최종건조수축 변형률

o 산출결과

지역

연교차(℃) 줄눈

간격

(m)

줄눈폭

벌어짐

(mm)

지역

연교차(℃) 줄눈

간격

(m)

줄눈폭

벌어짐

최대치 적용치 최대치 적용치 (mm)

밀양 53.3 37.3

8.0 4.2

강진 53.4 37.4

8.0 4.2

9.0 4.8 9.0 4.8

10.0 5.3 10.0 5.3

홍천 62.9 44.0

8.0 4.8

인천 55.2 38.6

8.0 4.3

9.0 5.4 9.0 4.9

10.0 6.0 10.0 5.4

부여 54.6 38.2

8.0 4.3

제천 61.5 43.1

8.0 4.7

9.0 4.8 9.0 5.3

10.0 5.4 10.0 5.9

☞ 줄눈간격 8m까지는 줄눈폭 벌어짐 기준치 만족

2013년도 설계실무자료집 - 포장공사

271

□ 시험시공

o 시험포장 현황

적용구간 시험시공 내용 포장시기 비 고

목포~광양

(강진3터널)

- 줄눈간격 8m, 9m

(L=170m)

2010.10 T=28cm

o 현장 조사 결과

적용구간 조사 결과

목포~광양

(강진3터널)

- 포장부 균열 없음

- 줄눈상태 양호

□ 설계심의

o 설계심의 의견에 대한 검토 및 보완

- 터널 입출구부의 외기온도를 고려한 추가검토

- 적용대상 터널에 대한 최소길이 기준제시 등

* 별첨 ‘설계심의 결과 조치내용’ 참조

∴ 터널내 콘크리트포장 줄눈간격을 8m로 확대 적용

□ 적용대상 및 구간

o 외기온도의 영향을 받는 구간 또는 지지력이 불량한 토사지반에서는

일반 토공부의 줄눈간격을 적용

〈외기온도영향 구간〉

- 입구부 150m, 출구부 50m [터널내 포장설계 지침, 국토해양부]

- 4차로 대단면 터널의 경우 입출구부로부터 150m

o 외기온도의 영향과 시공성을 고려하여 300m미만의 단터널은 적용 제외

2013년도 설계실무자료집 - 포장공사

272

 세로줄눈 타이바 설치 적정성

□ 포장부에 도입되는 압축력 분석

o 터널부 측압분포 및 포장 압축력

터널내 단면도 터널 측압분포

구분

수평응력(kN/m2)

측압계수

Ko=0.5

측압계수

Ko=1.0

측압계수

Ko=2.0

50m 1.102 1.999 3.639

100m 2.031 3.725 5.283

200m 3.768 6.094 7.644

400m 7.131 8.804 11.326

☞ 터널내 포장은 지반의 측압에 의해 포장체에 압축력이 분포하고

공동구가 수평방향으로 구속하여 측방향으로 밀려날 우려가 없음

□ 분석결과

o 터널내는 포장 양측이 지반 및 공동구로 구속되어 측방변위가 발생

하지 않는 구조로써 벌어짐 방지의 역할을 담당하는 타이바 삭제

o 포장 응력저감과 균열유도를 목적으로 하는 세로줄눈의 맹줄눈 형식은

기존대로 설치

□ 시험시공

o 시험포장 현황

적용구간 포장시기 시험시공 내용 비 고

순천∼완주

(태방터널, 광양방향)

2009. 6

- 타이바 삭제

(180m×3개소)

2013년도 설계실무자료집 - 포장공사

273

o 현장조사 결과

- 세로줄눈부 벌어짐이 발생하지

않고 포장은 양호한 상태로

조사됨

∴ 터널내 콘크리트포장 세로줄눈 타이바 삭제

Ⅴ 검토결론

□ 결 론

o 터널내 포장의 줄눈간격에 대한 역학적, 경험적 검토와 시험시공

결과, 줄눈간격 8m까지는 안정한 것으로 검토되어 터널내 콘크리트

포장의 줄눈간격을 8m로 확대 적용

o 외기의 영향을 받는 터널입구부 150m, 출구부 50m구간은 토공부

줄눈간격 적용하고, 시공성을 고려하여 300m 미만의 터널에서는

적용 제외

o 터널내의 외측압축을 받는 지반 및 구조특성을 고려하여 세로줄눈의

타이바 삭제(세로줄눈의 맹줄눈형식은 유지)

※ 터널이 시공되는 지역의 기후, 지반여건이 특이하여 적용하기 곤란하다고 판단될

경우, 별도 검토를 통해 조정 가능

□ 기대효과

o 터널특성을 고려한 적정 줄눈간격 및 세로줄눈의 적용을 통해

터널내 포장의 주행쾌적성 및 내구성, 시공성 증진

o 공사비 절감 : 설계중인 노선 적용시 약 25억원 절감 가능

구 분 터널수/연장

(2차로 1방향)

공사비(백만원)

비고

당초 변경 증감

함양〜울산 외

3개 노선 102개소/162.7km 10,308 7,786 2,522

2013년도 설계실무자료집 - 포장공사

274

□ 적용방안

o 설계중 노선 : 설계적용

o 공사중 노선 : 공사주관부서 판단 후 적용

붙 임 : 1 설계자문결과

2. 하중전달률과 줄눈폭 벌어짐의 관계

3. 줄눈폭벌어짐 산정방법 및 결과

2013년도 설계실무자료집 - 포장공사

275

터널콘크리트포장가로줄눈간격최적화방안

설계자문 결과 조치내용

위원 자문의견 조치내용 비고

권수안

(건기연

선임연구원)

- 줄눈간격8m로확대시적용가능한

슬래브 최소두께 제시 필요

- 적용가능한 슬래브 최소두께

에 대하여 추가검토

(한국형설계법 적용시)

박종건

(건설관리팀장)

- 터널 입출구부의 외기온도

영향을 고려한 추가검토 필요

- 입구부 150m, 출구부 50m는

토공부 줄눈간격 적용

이승우

(강릉원주대

교수)

- 적용대상 터널에 대한 최소길이

기준제시 필요

- 적용할 수 있는 최소터널연장

을 검토 후 제시

우정원

(녹색품질팀장)

- 줄눈간격 확대(9m) 검토 필요

- 9m는 기준에 근접하여 만족하나

안전측으로 8m로 적용하였음

진정훈

(도화

수석연구원)

- 중부 및 북부지방에서의 구조

해석과 시험시공 및 모니

터링이 필요함

- 중부 및 북부지방의 구조해석

은 기수행하였고

- 향후 현장시공 및 모니터링

을 거쳐 안전성을 확인하겠음

박양흠

(도로포장팀장)

- 터널 입출구부 50m 구간은

온도변화가 심하므로 토공부

줄눈간격 적용

- 입구부 150m, 출구부 50m는

토공부 줄눈간격 적용

주관부

서의견

- 노상지지력을 고려할 수 있

도록 세부기준 검토 필요

- 지지력이 불량한 토사지반

에서의 적용성을 검토하여

보완하겠음

붙 임 #1

2013년도 설계실무자료집 - 포장공사

276

하중전달률과 줄눈폭 벌어짐의 관계

□ 하중전달율(LTE)

하중전달 장치인 다웰바로 연결된 인접한 두 슬래브의 줄눈부에 하중이

가해졌을 때 하중이 가해진 슬래브의 처짐인 w1과 하중이 가해지지 않

은 슬래브의 처짐인 w2의 비율

   



× 

w1 : 하중재하슬래브의처짐

w2 : 하중재하가되지않은슬래브의처짐

□ 하중전달율(LTE)과 줄눈폭 벌어짐간의 관계 연구

o 하중전달률과 줄눈 및 균열 벌어짐(Opening)과의 상관관계 연구

(Jeong 외, 2006)

- 균열부에서는 약 5mm 이상의 폭 벌어짐에 대해 하중전달률이 급격히

감소하는 것으로 조사

o 줄눈폭 벌어짐의 기준값 제안

- 하중전달률이 급격히 감소하는 실제 줄눈폭 벌어짐을 0.5in(12.7mm)로

제안(AASHTO-FHWA, 1979)

- 신뢰도 수준 95%로 데이터를 사용할 수 있는 현장 줄눈폭 벌어짐에

대한 예측값(AASHTO, 1986)의 비 2.5를 선택(전범준 외, 2005)

☞ LTE가 감소하는 실제 줄눈폭 벌어짐량과 신뢰도수준을 고려시, 허용

줄눈폭 벌어짐 값으로 5mm 적용

붙 임 #2

2013년도 설계실무자료집 - 포장공사

277

줄눈폭 벌어짐 산정 방법 및 결과

□ 줄눈폭 벌어짐 산정식

Δ   ×  × Δ    ------------------------------------------- (식 1)

여기서, Δ : 줄눈폭 벌어짐(mm)

 : 마찰 보정계수

 : 슬래브 길이(mm)

 : 콘크리트 열팽창계수(/℃)

Δ : 연중 슬래브 최대 온도차이(℃)

   : 최종건조수축 변형률

     

        ---------------------------- (식 2)

여기서,   : 재령 t(일)에서 건조수축 변형률

  : 35(습윤양생), 55(증기양생)

번호 계수 계수 설명 계수식

1  콘크리트 양생에 관한 계수  ln   

2  대기상대습도 계수   

3   증발표면 대 부피비에 대한 계수 exp 





4   슬럼프에 관한 계수   

5   잔골재 함유량에 관한 계수   

6  시멘트 함유량에 관한 계수   

7   공기량에 관한 계수   

붙 임 #3

2013년도 설계실무자료집 - 포장공사

278

□ 줄눈폭 벌어짐 산정 결과

지 역

줄눈간격

( )

마찰보정

계수( )

열팽창계수

()

온도( )

(연교차

70%적용)

최종건조수축

변형률 (   )

(습도80% 가정)

줄눈폭

벌어짐

( )

1.밀양

8,000 1 0.00001 37.31 0.000156 4.2

9,000 1 0.00001 37.31 0.000155 4.8

10,000 1 0.00001 37.31 0.000155 5.3

2.순천

(강진3터널)

8,000 1 0.00001 37.38 0.000156 4.2

9,000 1 0.00001 37.38 0.000155 4.8

10,000 1 0.00001 37.38 0.000155 5.3

3.의성

8,000 1 0.00001 39.48 0.000156 4.4

9,000 1 0.00001 39.48 0.000155 4.9

10,000 1 0.00001 39.48 0.000155 5.5

4.철원

8,000 1 0.00001 44.66 0.000156 4.8

9,000 1 0.00001 44.66 0.000155 5.4

10,000 1 0.00001 44.66 0.000155 6.0

5.제천

8,000 1 0.00001 43.05 0.000156 4.7

9,000 1 0.00001 43.05 0.000155 5.3

10,000 1 0.00001 43.05 0.000155 5.9

6.홍천

8,000 1 0.00001 44.03 0.000156 4.8

9,000 1 0.00001 44.03 0.000155 5.4

10,000 1 0.00001 44.03 0.000155 6.0

7.천안

8,000 1 0.00001 42.42 0.000156 4.6

9,000 1 0.00001 42.42 0.000155 5.2

10,000 1 0.00001 42.42 0.000155 5.8

8.남원

8,000 1 0.00001 39.69 0.000156 4.4

9,000 1 0.00001 39.69 0.000155 5.0

10,000 1 0.00001 39.69 0.000155 5.5

9.이천

8,000 1 0.00001 41.44 0.000156 4.6

9,000 1 0.00001 41.44 0.000155 5.4

10,000 1 0.00001 41.44 0.000155 5.7

10.충주

8,000 1 0.00001 38.92 0.000156 4.4

9,000 1 0.00001 38.92 0.000155 4.9

10,000 1 0.00001 38.92 0.000155 5.4

11.인천

8,000 1 0.00001 38.64 0.000156 4.3

9,000 1 0.00001 38.64 0.000155 4.9

10,000 1 0.00001 38.64 0.000155 5.4

12. 부여

8,000 1 0.00001 38.22 0.000156 4.3

9,000 1 0.00001 38.22 0.000155 4.8

10,000 1 0.00001 38.22 0.000155 5.4

2013년도 설계실무자료집 - 포장공사

279

[참고] 지역별 30년간 최고 최저 온도 및 평균 상대습도

권 역 지역 최고

온도

최저

온도

온도

차

평균

상대

습도

권 역 지역 최고

온도

최저

온도

온도

차

평균상

대습도

강원

동해안

강릉 36.6 -15.6 52.2 59.4 전남동부

남해안

고흥 35.7 -12.3 48.0 65.1

속초 37.1 -15.6 52.7 64.0 여수 35.4 -10.0 45.4 65.1

전북중부

임실 35.7 -21.8 57.5 72.4

강원북부

인제 36.5 -24.6 61.1 66.9

철원 34.6 -29.2 63.8 69.6 전주 36.5 -15.1 51.6 68.7

강원남부 원주 36.4 -21.2 57.6 54.5 정읍 36.7 -15.1 51.8 69.7

장수 34.0 -23.2 57.2 72.8

강원중부

춘천 36.2 -24.5 60.7 70.4

전북남부 남원 37.0 -19.7 56.7 70.1

홍천 36.2 -26.7 62.9 64.5

전북서부

부안 35.7 -19.2 54.9 73.6

강원산간

대관령 32.3 -25.6 57.9 73.7

군산 35.7 -14.7 50.4 72.5

태백 35.0 -20.2 55.2 64.2

경북북부

대구 38.3 -11.8 50.1 59.2

경기남부

이천 35.9 -23.2 59.1 66.3

안동 36.7 -17.8 54.5 65.5

수원 35.9 -18.3 54.2 65.7

영덕 36.9 -14.2 51.1 64.3

경기중부 서울 36.2 -18.6 54.8 63.3

울진 36.3 -13.3 49.6 66.3

경기서부

인천 37.0 -18.2 55.2 67.8

의성 37.3 -19.1 56.4 65.2

강화 35.7 -22.1 57.8 67.3

문경 35.2 -17.4 52.6 67.8

경기동부 양평 37.1 -21.8 58.9 69.5

경남남부

거제 35.2 -10.1 45.3 63.4

충남남부

금산 35.5 -19.7 55.2 67.4

남해 37.2 -11.6 48.8 63.2

부여 37.0 -17.6 54.6 70.5

마산 37.0 -10.5 47.5 62.0

충남중부

대전 35.6 -17.4 53.0 67.3

부산 34.9 -10.6 45.5 63.6

천안 36.7 -23.9 60.6 68.2 산청 37.2 -13.3 50.5 62.7

충북북부

제천 35.5 -26.0 61.5 66.3 진주 37.5 -15.7 53.2 67.6

충주 36.3 -19.3 55.6 67.0 통영 36.3 -10.7 47.0 65.5

보은 35.5 -18.7 54.2 63.2

경남서부

거창 37.0 -15.8 52.8 68.1

충북서해안 보령 34.9 -14.8 49.7 70.7 합천 38.4 -14.8 53.2 64.8

충북중부

청주 36.2 -18.1 54.3 65.1 경남중부 밀양 38.5 -14.8 53.3 65.6

추풍령 36.1 -17.5 53.6 66.2 경남동부 울산 37.4 -10.8 48.2 60.9

충남서해안 서산 37.1 -18.7 55.8 72.0

경북서부

구미 37.0 -13.7 50.7 62.3

전남중부

광주 35.8 -12.5 48.3 67.5 영주 37.2 -18.5 55.7 63.7

순천 37.4 -16.0 53.4 68.0 영천 37.9 -14.8 52.7 64.5

전남서부

남해안

목포 36.1 -10.2 46.3 71.8 경북동해안 포항 37.7 -11.7 49.4 61.8

완도 36.3 -9.1 45.4 71.0

제주

제주 37.4 -3.2 40.6 68.4

해남 35.5 -14.1 49.6 70.0 서귀포 35.6 -3.3 38.9 67.6