설계행정

터널공 ❙ 329

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

73

터 널 공

콘크리트 라이닝 세부 설계기준 수립 설계처-2317

(2016.07.26)

1 검 토 목 적

터널 콘크리트 라이닝 설계시 적용조건이 다양함에 따라 이를 정립

하여 고속도로 이용객의 안전성을 향상시키고, 시공성․경제성 향상

을 도모하고자 함

√ 콘크리트 라이닝의 역할 [터널설계기준, 2007]

① 내구연한 동안 구조체로서의 역학적 기능

② 터널내장재로서 미관유지 기능

③ 터널 내부 시설물 보호 및 보존기능

④ 점검 및 보수 관리기능

2 라이닝 설계

□ 설계개념

o 장기적으로 지보재(숏크리트, 록볼트 등)의 기능저하에 따른 추가

하중을 부담하도록 설계

※ 일반적으로 NATM 터널은 지보재로 지반을 안정시키고 지반변형이 수렴된 후에 라이닝

콘크리트를 시공하기 때문에 라이닝에는 외력이 작용하지 않아 비역학적 기능을 가지는 경우

가 많으나, 숏크리트의 열화 등 예상치 못한 외력에 대비하기 위하여 구조검토 시행

□ 작용하중

o 발생이 예상되는 다양한 하중을 조합하여 적용

① 이완하중

② 잔류수압

③ 라이닝 자중

④ 온도하중 및 건조수축 하중 등

□ 현행 설계법

o 무근콘크리트로 허용응력설계법 수행 후 발생응력이 허용응력을

초과할 경우 강도설계법 적용 후 철근보강

330 ❙ 터널공

3 현실태 및 문제점

□ 설계적용 조건이 다양하여 과업별 검토 결과 상이

o 하중재하형상, 하중조합, 라이닝 단부 경계조건 등 [붙임#1]

구 분 검토조건 비고

이완하중

[Case 1] [Case 2] [Case 3]

잔류수압

[Case 1] [Case 2]

설계방법

철근보강시 강도설계법으로

재검토 필요 무근․철근 모두 적용 가능

[허용응력설계법] [강도설계법]

단부 경계조건

단면형상 [힌지] [스프링]

지반반력계수 KS R

ES ×L (Wölfer식) Ks   R

Es ×L (AFTES식)

[Case 1] [Case 2]

o 동일한 하중조건에서도 검토방법에 따라 결과 상이

구 분 차로 암반등급 이완하중 보강 비고

OO-OO고속도로 4공구 2 Ⅴ 0.2(B+Ht) 무근

OO-OO고속도로 11공구 2 Ⅴ 0.2(B+Ht) 철근

●●-●●고속도로 1공구 2 V 0.2(B+Ht) 무근

●●-●●고속도로 4공구 2 V 0.2(B+Ht) 무근

△△-△△고속도로 5공구 2 Ⅴ 0.2(B+Ht) 철근

△△-△△고속도로 15공구 2 Ⅴ 0.2(B+Ht) 무근

▲▲-▲▲고속도로 3공구 2 Ⅴ 0.2(B+Ht) 무근

▲▲-▲▲고속도로 4공구 2 Ⅴ 0.2(B+Ht) 무근

설계행정

터널공 ❙ 331

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

□ 라이닝 보강시 시공성, 경제성 향상 필요

o 암질이 불량하여 철근으로 보강한 구간의 경우 구조검토 결과

와 관계없이 동일한 규격으로 복철근 배근

- 최근 국내 지하철, 철도 등 다양한 터널에서 구조계산 결과를

바탕으로 인장/압축 철근 구분 사례

호남 고속철도 1-2공구 경부 고속철도 13-3공구

원주~강릉 철도 11-1공구(개착터널) 울산~포항 고속도로 6,7공구

o 전단철근의 경우 구조검토 결과와 관계없이 동일한 형상(스터럽)

으로 배근되어 시공성 불리

시공현황 문제점

▪실질적으로 간격유지(조립용 철근)만

필요하나 폐합형배근(스터럽) 반영

으로 비경제적

▪철근배근 복잡으로 시공성 저하

및 품질관리 어려움

▪스터럽 : 보의 주철근을 둘러싸고 이에 직각되게 또는 경사지게 배치한 복부보강근

으로서 전단력 및 비틀림모멘트에 저항하도록 배치한 보강철근

▪조립용 철근 : 철근을 조립할 때 철근의 위치를 확보하기 위하여 사용하는

보조철근

가외철근 용어설명

332 ❙ 터널공

4 개선방안 검토

□ 콘크리트 라이닝 세부 설계기준 정립

개념도 모델링 설계법

①

① ①

②

③

허용응력설계법(무근) 강도설계법(철근)

㉮ 라이닝 단면력 산정

㉯ 발생응력 산정

㉰ 발생응력과허용응력비교

㉱ (만족시) 검토종료

㉱ (불만족시) 라이닝

단면력 재산정

㉲ 부족한 단면력만큼

철근보강 실시

① 하중재하방향 ② 지반반력계수 ③ 단부경계조건 ④ 설계절차

※ 이완하중고의 경우 국내․외에서 최적화를 위한 다양한 연구가 진행중에 있어, 본검토에서 제외

① 하중재하방향

- (이완하중) 발파 및 굴착에 따른 지반의 이완으로 발생하므로 중력

방향으로 작용하는 것이 타당

- (잔류수압) 배수터널 특성을 감안하여 부재에 직각방향으로 작용

하는 것이 타당

⇒ 이완하중 및 잔류수압 형상은 산지부 암반터널(배수터널)에 한하여적용하며,

이외의 경우에는 별도 검토 필요

구 분 이완하중 (중력방향) 잔류수압 (부재 직각방향)

형 상

② 지반반력계수

- 지반공학적 특성을 반영한 AFTES식 적용

⇒ 당초대비 보수적이나, 안전성 향상을 위해 적정식 반영

구 분 당 초 (Wölfer식) 개 선 (AFTES, 미공병단이론식)

특 징 지반공학적특성을반영하지않고, 출처가불명확 지반공학적 특성을 반영하고, 출처가 명확

이론식

KS R

ES ×L

여기서, Ks : 단위접선 길이당 스프링 계수

Es : 주변지반의 탄성계수

R : Lining의등가반경( R＝

A

π

)

L : 부재 중앙과 중앙 사이의 길이

Ks   R

Es ×L

여기서, Ks : 단위접선 길이당 스프링 계수

Es : 주변지반의 탄성계수

R : Lining의등가반경( R＝

A

π

)

L : 부재 중앙과 중앙 사이의 길이

υ : 포아송비

④

설계행정

터널공 ❙ 333

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

③ 단부 경계조건

- 단부도 아치부와 동일한 암반임을 감안하여 스프링으로 처리

⇒ 안전성 향상을 위해 개선

구 분 당 초 (힌지) 개 선 (스프링)

특징,

개념도

(예시)

▪하부지반 침하 미고려

▪실제 거동 대비과소평가

▪연직방향으로 적용

▪하부지반 침하 반영

▪실제거동대비보수적평가

▪라이닝축선에따라적용

구 분 지점조건 : 힌지 지점조건 : 스프링 증․감 비 고

모멘트

(kN․m)

아치부 28.990 31.764 2.774 증 9.57%

어깨부 -25.935 -24.793 -1.142 감 4.40%

측벽부 -71.218 -35.569 -35.649 감 50.06%

축 력

(kN)

아치부 515.532 513.028 -2.504 감 0.49%

어깨부 558.302 555.879 -2.423 감 0.43%

측벽부 616.134 610.768 -5.366 감 0.87%

전단력

(kN․m)

아치부 45.003 45.736 0.733 증 1.63%

어깨부 39.183 37.402 -1.781 감 4.55%

측벽부 73.093 35.866 -37.227 감 50.93%

※ 어깨부, 측벽부의 경우 축력의 변화가 미미하여 철근량의 변동이 미미할 것으로 판단됨(대부분 압축파괴 영역)

※ 터널 공동구는 철근배근이 생략됨을 감안하여, 스프링의 위치는 시공이음부에 설정

※ 단부의 스프링은 기초지반 검토시 사용하는 연직반력계수 산출식에 의한 값을 사용

※ 지반스프링은 하중 적용시 인장스프링이 자동적으로 탈락되도록 Elastic Link 적용

④ 설계절차

- 해석이 간편하고 하중조합에 대한 근거가 명확한 강도설계법 적용

구 분 내 용

당 초

▪ 허용응력설계법으로 우선검토 후 철근보강 필요시 강도설계법 적용

→ 하중조합이 명확하지 않고, 철근보강시 추가해석(강도설계법) 필요

※ 교량의 경우 도로교 설계기준에서 하중조합 및 증가계수 제시

발생응력산정

(프로그램 모델링)

허용응력

산정

발생응력

<허용응력

무근

콘크리트

극한강도 산정

(프로그램 모델링)

설계강도 산정

(철근보강량 검토)

극한강도

<설계강도 보강완료

개 선

▪ 무근콘크리트의 경우에도 강도설계법 적용

- 하중조합이 명확하고, 추가해석 불필요

- 받침점 사이의 수직거리()는 0 적용 [FHWA Road Tunnel Mannual(2009) 10-12 참조]

극한강도 산정

(프로그램 모델링)

설계강도 산정

(무보강)

극한강도

<설계강도

무근

콘크리트

설계강도 산정

(철근보강량 검토)

극한강도

<설계강도 보강완료

- (온도하중 및 건조수축) 입출구부 50m 적용, 터널 내부는 제외 [붙임#3]

경계조건별 검토예 [붙임#2]

yes

No

강도설계법

허용응력설계법

No

yes

334 ❙ 터널공

□ 라이닝 철근 배치 최적화

o 인장측, 압축측 철근 구분 [붙임#4]

- (철근규격) 모든 하중조합 중 부재에 발생하는 최대값을 반영

- (보강범위) 모든 하중조합 중 가장 넓은 영역에 겹이음길이를

더하여 선정

- (적용대상) 암질이 균등하고 이상 하중이 예상되지 않는 일반구간에

한하여 반영[파쇄대, 편토압 발생구간 등 제외]

☞ 시공시 현장기술자가 최종 판단하여 정산

당 초 개 선

o 시공성 향상을 위한 전단철근 개선

- (현행) 전단보강 필요유무와 관계없이 스터럽 형태로 철근 배치

- (개선) 전단보강 불필요 구간 철근 형상 변경 (조립용 철근)

구 분 당 초(스터럽) 개 선(조립용 철근)

철근

형상

※ 개선형상(조립철근) 배근방법

철근의 이동 방지를 위해

지그재그로 배근

설계행정

터널공 ❙ 335

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

4 검 토 결 론

□ 안전성 향상을 위한 콘크리트 라이닝 세부 설계기준 정립

구 분 당 초 개 선

하중

재하

방향 검토형상 상이 이완하중

(중력방향)

잔류수압

(부재에 직각방향)

지반

반력

계수

KS R

ES ×L

여기서, Ks : 단위접선 길이당 스프링 계수

Es : 주변지반의 탄성계수

R : Lining의등가반경( R＝

A

π

)

L : 부재 중앙과 중앙 사이의 길이

Wölfer식

Ks   R

Es ×L

여기서, Ks : 단위접선 길이당 스프링 계수

Es : 주변지반의 탄성계수

R : Lining의등가반경( R＝

A

π

)

L : 부재 중앙과 중앙 사이의 길이

υ : 포아송비

AFTES(미공병단이론식)

단부

경계

조건

▪하부지반 침하 미고려

▪실제거동 대비 과소평가

▪연직방향으로 적용

힌지

▪하부지반 침하 반영

▪실제거동대비보수적평가

▪라이닝축선에따라적용

스프링은 공동구와 라이닝의

시공이음부에 위치하며, 기초

지반 검토시 사용하는 연직반력

계수 산출식에 의해 산정

스프링

설계

절차

▪ 허용응력설계법으로 우선검토 후

철근보강 필요시 강도설계법 적용

- 하중조합이 명확하지 않고, 철근보강시

추가해석(강도설계법) 필요

발생응력산정

(프로그램 모델링

극한강도 산정

(프로그램 모델링)

허용응력 산정 설계강도 산정

(철근보강량 검토)

발생응력 < 허용응력 극한강도 < 설계강도

무근 콘크리트 보강완료

▪ 무근콘크리트의 경우에도 강도설계법

적용

- 하중조합이 명확하고, 추가해석 불필요

- 받침점 사이의 수직거리()는 0 적용

극한강도 산정

(프로그램 모델링)

설계강도 산정

(철근보강량 검토)

설계강도 산정

(무보강) 극한강도 < 설계강도

극한강도 < 설계강도 보강완료

무근 콘크리트

※ 이완하중 및 잔류수압 형상은 지하수위가 터널 천단부 이상인 산지부암반터널

(배수터널)에한하여적용하며, 이외의경우에는 별도 검토 필요

※ 이상지반 등은 필요시 감독원과 협의하여 보완

Yes No Yes No

336 ❙ 터널공

□ 라이닝 철근 배치 최적화

o 인장측, 압축측 철근 구분을 통한 철근배치 최적화

- 암질이 균등하고 이상 하중이 예상되지 않는 일반구간에 한하여 반영

(파쇄대, 편토압 발생구간 등 제외)

☞ 시공시 현장기술자가 최종 판단하여 정산

☞ 취약부가 발생하지 않도록 겹이음 위치는 지그재그로 실시

당 초 변 경

o 시공성 향상을 위한 전단철근 개선

구 분 당 초(스터럽) 개 선(조립용 철근)

철근

형상

5 적용방안 및 기대효과

□ 적용방안

o 설계 중 및 향후 설계 노선 : 본 기준 적용

□ 기대효과

o 세부기준 정립을 통해 더욱 안전한 고속도로 서비스 제공

o 합리적 보강방안 수립으로 경제성 및 시공성 향상

* 설계중인 노선 적용시(미착공 포함) : 약 84억원 절감 [붙임#6]