지침 한국도로공사_설계실무자료집_2016년_7-4_터널 내 구조물 이음 최적화 방안

2024.10.29 11:11

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터널공 ❙ 433

터널공

터 널 공

터널 내 구조물 이음 최적화 방안 설계처-1695

(2015.06.16)

1 검 토 목 적

터널 내부 온도변화, 시공여건 등을 감안한 콘크리트 구조물의 이음 기준

을 수립하여 시공성 품질향상 및 유지관리 효율성을 유도하고자 함

√ 터널내 이음

o 구조물의 팽창 및 수축을 효과적으로 수렴시키고 환경변화, 시공 등에

의해 발생하는 균열 등을 가능한 완화시키거나 구조적으로 이상이

없는 부위로 규칙적으로 유도시키고자 하는 기능

구 분 신축이음(Expansion Joint) 수축이음(Contraction Joint)

단면도

특 징

구조체의 온도 및 건습변화 수용

철근을 완전 절단하여 부재가 구속

되지 않는 구조

변화량 고려 방수공법 적용

콘크리트 수축에 의한 불규칙한

균열 방지(균열 한곳으로 모음)

철근을 절단하지 않고, 타설전몰딩홈

을 두거나 경화 후 컷팅

2 관 련 기 준

□ 국내 설계기준

구 분 신축이음 비고

터널설계기준

(2007)

외기온도의 영향을 많이 받는 구간 -

터널표준시방서

(2009)

내부와 외부의 온도차이 또는 단면변화에 의한

영향으로 균열발생이 예상되는 구간

고속도로공사

전문시방서

(2012)

터널 입출구부(50m) : 25m 이하

터널내부 : 20 ~ 60m

단면변화부, 지층의 급격한 변화구간, 철근과

무근라이닝의 접합부 등

434 ❙ 터널공

구 분 신축이음 비고

도로설계편람

(터널, 2011)

터널 입출구부(50m) : 25m 이하

터널내부 : 25 ~ 60m

단면변화부, 지층의 급격한 변화구간, 철근과

무근라이닝의 접합부 등

터널콘크리트

라이닝표준연장개선

(기술심사처-1693,

2012.08.22)

R≧1,500일 경우 36m 간격

(R<1,500이거나, 공기 및 경제성 불리할 경우

36m 미만 적용)

콘크리트

구조기준

(2012)

콘크리트의 수화열, 온도변화, 건조수축 등

부피변화에 대한 별도의 구조해석이 없는 경우

(구조해석을수행한경우신축이음을두지않을수있음)

옹벽

구조물 기초

설계기준

(2014)

전단면에 걸쳐 일정간격으로 신축이음을 두어야 함

(구조해석을수행한경우신축이음을두지않을수있음)

옹벽

철도설계기준

(2013)

외기온도에 영향을 받는 구간 터널

철도건설공사

전문시방서

(2013)

명시된 도면에 따라 설치하여야 하며 단면변화부,

지층의 급격한 변화구간, 철근과 무근콘크리트의

라이닝 접합부 등에는 추가 설치가능

터널

고속도로공사

전문시방서

(2012)

일반 토공부 콘크리트 포장에서는 가로팽창줄눈을

설치하지 않음(시공줄눈 또는 구조물 접속부에 설치)

포장

※ 공동구의 경우 별도의 기준이 없어, 라이닝 이음간격 준용

□ 국외 설계기준

구 분 신축이음 비고

ACI

(2001)

터널 내 온도변화가 적어 출입구를 제외하고

일반적으로 필요하지 않음

FHWA

(2009)

(개착터널) 출입구 및 다른 구조물 접합부를 제외

하고 의무사항 아님 -

(터널내부) 36m

○ 온도변화가 큰 구간(출입구 등)을 제외하고, 공통적인 기준 부재

○ 구조해석(이론적 거동 분석) 및 시험시공 수행시 신축이음 조정 가능

터널공 ❙ 435

터널공

3 현실태 및 문제점

□ 현 실 태

o 신축 및 수축이음 현황

신축 및 수축이음 평면도 시공순서

<신축이음> <수축이음>

타설→절단(→줄눈재)→양생

( ):신축이음부에만시공

*수축이음(A) : 9~12m(1span) 간격 *신축이음(B) : 27~36m (3span)간격

※ 터널 내 포장 줄눈 : 8m 간격

□ 문 제 점

o 인력에 의한 신축이음 시공으로 시공성 불량 및 품질 관리 애로

구 분 시공전경 시공절차

라이닝

라이닝 단면이 불규칙하여, 줄눈재를

20~30개 조각으로 나누어 부착

공동구

콘크리트가 굳기 전 인력으로 파내고,

줄눈재 삽입 후 콘크리트 되메움

o 신축량 계산시 건조수축 및 크리프에 의한 영향이 반영되지 않음

- 현장조사 결과 수축이음부에서도 신축량 발생

구 분 개념도 상세사진

설계

수축,팽창

12.0m 12.0m 12.0m

※ 3span 간격으로 신축발생 <신축이음부>

현장

조사

수축,팽창

12.0m 12.0m 12.0m

※ 1span 마다 신축 발생 <수축이음부>

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4 개선방안 검토

1. 이론적 거동 분석

□ 온도변화 및 건조수축에 따른 수축팽창량 검토

o 온도변화에 의한 영향

- (터널특성) 전반적으로온도변화의폭은크지않으며, 특히내부는온도변화가거의없음

입구부

내부

7°

3.5°

연장별 온도변화 입구부(12월~2월까지 변화) 내 부(12월~2월까지 변화)

※ 공용중인 고속도로 터널 내 연장별 온도 조사 분석(홍승호, 한국터널지하공간학회,2005) 등

- (최고온도) 최근 20년간 전국 일평균 최고기온 30°C 설정 [붙임#1]

※ 터널내부는 외부에 비해 온도가 낮음을 감안할때, 보수적 검토 가능

- (최저온도) 일반적으로 타설 가능한 최저온도 5°C 설정

하루평균 기온이 4°C 이하가 예상될 경우 한중콘크리트 시공계획서를 작성하여 감독원의

승인을 받은 후 사용하여야 한다 (고속도로공사 전문시방서, 2012)

- (온도변화에 의한 팽창량) 1Span 기준 최대 3mm 발생

구 분 길이(L) 최고온도(°C) 최저온도(°C) Δ (°C) 팽창량(εT)

내 용 12m 30 5 25 3mm

※ 온도변화에 따른 신축량 : T⋅L

- 콘크리트의 선팽창 계수 :    ×  ℃ [도로교설계기준(국토부, 2010)]

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터널공

o 콘크리트 건조수축 및 크리프

- 건조수축량 (부재길이 12m 기준)

콘크리트 재령(일) 4~7 28 90 365

건조수축률 27×10-5 20×10-5 14×10-5 7×10-5

재령별 건조수축(mm) 3.24 2.40 1.68 0.84

건조수축 누계(mm) 3.24 5.64 7.32 8.16

※ 도로교설계기준, 도로설계편람 교량

- 크리프량은 구조계의 변화가 없는 경우생략 가능(도로교설계기준 2-9)

o (검토결론) 온도변화 및 건조수축 감안시 신축이음(20mm) 불필요

- 타설후1주일(0.25개월) 경과시부터온도변화최대팽창량(3mm) 이상의건조수축발생

수

축

량

(mm)

재령(개월)

0.25개월

온도변화 최대팽창량(3mm)

□ 수치해석 검토 [붙임#2]

o 해석단면 및 모델링

구 분 해석단면 모델링 해석개요

내용

- 3차원 유한요소 해석

수행(Midas GTS)

- 양생기간을 감안, 원지반

의구속조건별 검토 수행

o 검토 결과 신축이음(20mm) 삭제 가능

구 분

건조수축단계 온도하중단계

시공이음

간격(mm)

압축응력 시공이음

간격(mm)

압축응력

기준 결과 판정 기준 결과 판정

Case1

(원지반 비구속) 4.11 9.6 0.84 O.K - 9.6 8.44 O.K

Case2

(원지반 구속) 0.39 9.6 1.03 O.K - 9.6 8.69 O.K

Case3

(건조수축 후

원지반 구속)

4.11 9.6 0.84 O.K 3.51 9.6 9.59 O.K

438 ❙ 터널공

2. 시험시공 결과 분석

□ 시험시공 현황

o 대상터널 (터널 내부 신축이음 미설치)

- 울산포항 다운4터널 등 3개 터널 [붙임#3]

o 계측사항 및 방법

구 분 분 석 방 법 비고

온도측정

- 터널 내 대기중 최저 및 최고 온도

- 콘크리트 라이닝 및 공동구 타설시 온도

수축량

조사

- 라이닝 및 공동구 이음부(9m 간격) 수축량 조사

√ 조사주기 : 7일, 15일, 1개월, 3개월, 6개월, 12개월(예정)

☞ 온도증가에 따른 팽창량 수용 및 하자발생 여부

o 계측기 설치

구 분 라이닝 공동구

원경 근경 원경 근경

내용

※ 설치시기 : 라이닝 - 거푸집 해체 직후, 공동구 - 수축이음부 컷팅 직후

□ 결과 분석

o 타설시 평균 온도는 25°C이며, 조사기간(6월~12월) 중 최대 16.6°C 변화

o 수축량이 증가추세에 있으며, 평균 2.7mm 발생하여 양호한 상태 유지

재령별 온도변화 재령별 수축량

재령(월)

온

도

(°C))

최대 16.6°C

평균 14.3°C

수

축

량

(mm)

재령(월)

최대 3.1mm

평균 2.7mm

최소 2.5mm

터널공 ❙ 439

터널공

5 검 토 결 론

□ 수축이음(9~12m 간격)으로 콘크리트 온도 팽창량 수용 가능

o 터널 내부 라이닝 및 공동구 신축이음 최소화

- 터널 내부 신축이음 설치 개요도 [붙임#4]

위 치 내 용

터널 내부 필요시(최대 250m 간격)

입출구부(50m) * 개착터널 제외 연장 25m 이하 간격

단면 변화부 피난연결통로 등

철근․무근 접합부 암질불량구간 등

급격한 지층변화구간 저토피, 단층대 등

6 적용방안 및 기대효과

□ 적용방안

o 설계중 및 향후 설계 노선 : 본 기준 적용

o 건설중 노선 : 주관부서 판단 후 적용

o 고속도로공사 전문시방서 개정

당 초 변 경

7-6 콘크리트 라이닝

3.4 신축이음

3.4.1 콘크리트 라이닝의 신축이음은

터널 입․출구부 50m 이내에서는

25m 이하 간격으로, 터널 내부에서는

20~60m 간격으로 설치하여야 하며,

단면 변화부와 지층의 급격한 변화

구간, 철근과 무근 콘크리트 라이닝의

접합부 등에는 추가로 신축이음을

설치할 수 있다.

7-6 콘크리트 라이닝

3.4 신축이음

3.4.1 콘크리트 라이닝의 신축이음은

터널 입․출구부 50m 이내에서는

25m 이하 간격으로, 터널 내부에서는

최대 250m 간격으로 설치하여야 하며,

단면 변화부와 지층의 급격한 변화

구간, 철근과 무근 콘크리트 라이닝의

접합부 등에는 추가로 신축이음을 설치

하여야 한다.

□ 기대효과

o 인력시공 최소화로 시공성 및 품질 향상

o 시공속도 향상, 고소작업 단축 등 시공사 저가공종 개선

o 설계노선 적용시 11백만원/km 절감

440 ❙ 터널공

[붙임 #2]

라이닝 수치해석 검토

□ 해석개요

o 3차원 유한요소해석(MidasGTS)을 통한 라이닝 건조수축 및

온도변화에 따른 변형 및 응력검토

o 현장 시공조건을 고려하여 건조수축 및 온도변화에 대한 라이닝

거동 반영

- 현재 설계조건(신축이음 설치) 및 변경조건 (신축이음 미설치)을 각각 고려함

- 배면지반과의 인터라킹 정도를 달리하여 경계조건을 부여함

- 각 라이닝섹션 (12m) 사이의 접촉부는 인터페이스요소를 사용함

- 콘크리트의 건조수축변형률은 0.0002-0.0007의 범위를 감안, 안전측을 고려

하여 최소 건조수축변형률 0.0002 적용

o 해석단면 및 모델링

해석단면

현재 설계조건 모델링

(12m씩 3개구간, 좌.우측 단면경계부

신축이음 가정 종방향 Free)

향후 변경조건 모델링

(6m+12m씩 3개구간+6m: 좌.우측

단면경계부 종방향 Fix)

o 해석조건

구 분

배면부 라이닝

경계조건

온도증가량

(℃)

현재 설계조건

(신축이음설치)

Case1 종방향 Free 25

Case2 Fix 25

Case3 건조수축 후 Fix 25

향후 변경조건

(신축이음 미설치)

Case4 종방향 Free 25

Case5 Fix 25

Case6 건조수축 후 Fix 25

터널공 ❙ 441

터널공

o 적용물성치

콘크리트

라이닝

탄성계수

(MPa) 프아송비 자중

(kN/m3)

열팽창계수

(m/m․℃)

25,000 0.2 23.5 1×10-5

라이닝 사이

인터페이스

수직강성

(kN/㎥)

전단강성

(kN/㎥)

인장력

(kN/㎡)

점착력

(kN/㎡) 마찰각(°)

25,000,000 2,500,000 0 0 35

□ 해석결과

o Case 1(현재, 종방향 Free)

건조수축단계 변형 (200배 확대) 온도하중단계 변형