2016년도 설계실무자료집

터 널 공 07

7-1 유리섬유재질 록볼트 적용방안 검토 (건설처-1348, 2016.03.29)

7-2 터널 기계설비공사 설계 개선 (시설처-1140, 2016.04.18)

7-3 콘크리트 라이닝 세부 설계기준 수립 (설계처-2317, 2016.07.26)

7-4 병렬터널 적정 이격거리 검토 (설계처-2482, 2016.08.22)

7-5 터널 기계설비 시공개선 (시설처-3519, 2016.11.08)

7-6 터널 배수용 부직포 품질기준 개정 (환경연구실-631, 2016.11.14)

7-7 터널 내장재 설치기준 개선 (설계처-3604, 2016.11.30)

빈 면

(쪽맞춤용)

설계행정

터널공 ❙ 315

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

71

터 널 공

유리섬유재질 록볼트 적용방안 검토 건설처-1348

(2016.03.29)

1 추진배경

□ 터널공사 특성상 숏크리트 타설 후에는 록볼트 시공수량 확인이

곤란*하여 록볼트 부족 시공에 따른 문제발생

* 24시간 연속작업이 진행되며, 록볼트 설치 후 숏크리트에 즉시 매립되어 확인 곤란

※‘14년 록볼트 33만개(78개 터널, 약195억원)를 시공사에서 빼돌린 사실을 적발 환수

□ 록볼트 설치 후 육안확인이 곤란한 점을 해결하기 위하여 숏크리트

타설 후에도 수량 확인이 가능한 “노출식 록볼트” 도입 검토

[일반 록볼트] : 수량확인 불가

[설치근경] [설치전경]

▶

[노출식 록볼트] : 수량확인 가능

[설치근경] [설치전경]

* (노출식 록볼트) 숏크리트 완성면 위로 록볼트를 노출시켜 보호캡으로 마감하는 공법

o 노출식 록볼트의 시공성, 안정성 등 검증을 위해 현행 규정*상 사용

가능한 소재(이형봉강, 유리섬유재질 록볼트)로 시험시공 추진

* 터널표준시방서(국토교통부, 2015)

- 이형봉강을 표준으로 하며, 섬유 또는 유리재질 록볼트 등을 사용할 수 있음

□ 터널표준시방서, 터널설계기준*에 유리섬유재질 록볼트를 사용

토록 규정되어 있으나 구체적인 품질기준이 없음

o 특히, 고속도로 전문시방서에 명시된 록볼트 품질기준은 철근에

대한 품질기준을 그대로 적용하여 기타 소재 록볼트에 사용곤란

☞ 전문시방서 : 이형봉강 항복점, 인장강도, 연신율을 록볼트 품질기준으로 제시

□ 유리섬유재질 록볼트는 이형봉강 록볼트의 무게에 대한

시공상 단점 보완 가능

* D25mm 기준무게 : 이형봉강 4kg/m, 유리섬유재질(GFRP) 1kg/m(1/4수준)

316 ❙ 터널공

2 국ž내외 설계기준 검토

□ 국내기준

구 분 세부내용

국토부

터널표준시방서

[2015]

․이형봉강을 표준으로 하며, 섬유 또는 유리재질 록볼트

등을 사용할 수 있음

터널설계기준

[2007]

․이형봉강을 원칙으로 하나, 섬유보강 플라스틱 등의

기타 소재도 사용할 수 있음

도로설계편람

[2011]

․재질은 소요강도 및 인장특성을 가진 것을 사용하여야

하며, 인장강도가 큰 것을 사용하는 것이 바람직 함

고속도로공사 전문시방서

[2012]

․이형봉강을 원칙으로 하나, 기타 소재도 록볼트로 사용

할 수 있음

[록볼트의 품질기준]

직경(mm) 재질기호 항복점(MPa) 인장강도(MPa) 연신율(%)

25 이상

SD 350 350 이상 490 이상 18 이상

SD 400 400 이상 560 이상 16 이상

□ 국외기준

구 분 세부내용

영국표준 BS 7861

[2007]

․라이닝을 설치하지 않는 탄광에서 사용하는 록볼트

[유리섬유재질 록볼트의 품질기준]

직경(mm) 유리함유량 인장강도(MPa) 인장하중(kN)

20 이상 중량의 75% 이상 850 이상 320 이상

□ 현행 기준 분석

o (국내기준) 록볼트 품질기준이 없거나, 이형봉강 위주로 품질기준을

정하고 있어 기타 재질에 속하는 유리섬유재질 록볼트를 활용하는데

어려움이 있음

- 특히, 고속도로공사 전문시방서에 명시된 록볼트 품질기준은

철근에 대한 기계적 특성을 그대로 적용하여 기타 소재 록볼트에

일괄 적용하는 것은 곤란함

* 강재인 이형봉강의 “연신율” 기준을 소재가 다른 록볼트에 적용하는 것은 무리

o (국외기준) 라이닝을 설치하지 않는 탄광에서 사용하는 품질기준

으로서 국내 도로용 터널에 적합한 기준 마련 필요

설계행정

터널공 ❙ 317

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

3 추진경위

□ ‘15. 4. 16 : “노출식 록볼트” 시험시공 계획수립

※ 추진목적 (관련근거 : 건설처-1651호(2015.04.16))

① 록볼트 시공 후 수량 확인이 곤란한 점과 이형봉강 록볼트의 무게 때문에 시공성이

불리한 점을 보완하고 타 용도 사용 방지

② 다양한 소재와 성능을 갖는 록볼트를 활용하여 시험시공 추진

※ 대상터널 : 부산외곽순환선 제4공구 한림4터널 (L=1,754m 중 20m(144EA) 시험시공)

□ ‘15. 4. 30 : 시험시공 심의 실시(한국건설기술연구원 마상준 박사 등 7명)

※ 주요의견(관련근거 : 연구기획실-443호(2015.05.04))

- 시험시공에 동의하며, GFRP에 대한 재료기준이 필요할 것으로 판단됨

□ ‘15. 5 ~ 9 : 시험시공 및 추적조사 (창원김해건설사업단)

※ 공사시행부서 검토의견

① 유리섬유재질 록볼트에 대한 품질기준이 없어 공사관리가 곤란함

② “노출식 록볼트” 시공으로 매립 이후 확인기능이 매우 우수함

이형봉강 록볼트 유리섬유재질 록볼트

[장점]

․범용으로 사용되어 자재수급 원활

․충분한 시공실적으로 안정성 검증

․내부식성 보통

[단점]

․단위중량이(4kg/m) 무거워 작업성 불량

[장점]

․인장강도 매우 우수(철근의 1.8배)

․단위중량이(1kg/m) 가벼워 작업성 우수

․내부식성 우수

[단점]

․국내 시공실적 부족 및 품질기준 없음

□ ‘15. 10. 26 : 품질기준 제정 요청 (건설처→도교원)

□ ‘16. 2. 19 : 유리섬유재질 록볼트 품질기준 검토 (도교원)

* 관련근거 : 도로교통연구원 경영전략연구실-108호(2016.02.19)

직 경(mm) 유리함유량(%) 항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 인장하중(kN) 전단강도(MPa)

20 이상 75 이상 700 이상 850 이상 320 이상 150 이상

□ ‘16. 3. 9 : 유리섬유재질 록볼트 품질기준 설계심의 (기술심사처)

※ 주요의견 (한국건설기술연구원 등 김동규 박사 등 8명)

- 인장시험시 항복강도의 구분없이 파단되므로 품질기준에 “항복강도” 불필요

- 품질기준 중 단면적×인장강도로 계산되므로 “인장하중” 불필요

318 ❙ 터널공

4 시험시공 결과

□ 시험시공 현황

o 대상터널 : 부산외곽순환선 4공구 한림4터널

가. 시험시공 개요도 (Type-3, [RMR 40~60])

나. 현장시험 및 계측

록볼트 인발시험 축력시험 변위(천단,내공)시험

․24개소 실시

- 창원방향 : 4단면, 12개소

- 기장방향 : 4단면, 12개소

․12개소 실시

- 창원방향 : 2단면, 6개소

- 기장방향 : 2단면, 6개소

․4단면 실시

- 창원방향: 천단,내공각2단면

- 기장방향: 천단,내공각2단면

다. 노출식 록볼트

구 분 보호Cap(연질플라스틱) 시공사진

상 세 도

□ 결과분석

o (기계적 성능) 유리섬유재질 록볼트(GFRP)가 이형봉강 대비 인장

강도가 우수함

구 분

현행 품질기준

(이형봉강)

품질시험 결과

(유리섬유재질[GFRP])

대 비

항복강도(Mpa) 350 이상 874 249%

인장강도(Mpa) 490 이상 874 178%

설계행정

터널공 ❙ 319

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

o (품질성능) 극한인발시험 결과* 인발내력은 비슷하나, 유리섬유

재질 록볼트가 이형봉강보다 변위량이 작게 나타남

‣ 인발시험 결과 관리기준을 모두 만족함

구 분 좌측(측벽부) 천단부 우측(측벽부) 관리기준

이형봉강 12ton, 8.42mm 12ton, 6.07mm 12ton, 7.20mm 12ton / 9mm

GFRP 12ton, 6.31mm 12ton, 5.47mm 12ton, 4.88mm 12ton / 7mm

* 극한인발시험 결과(관리기준 설정 근거)

(인발내력) 이형봉강 14.7ton, GFRP 14.8ton, (변위량) 이형봉강 11mm, GFRP 8mm

o (계측결과) 이형봉강 및 유리섬유재질 록볼트(GFRP) 설치구간에

대한 변형 및 축력 측정값이 유사하게 나타남

- 록볼트 축력, 천단침하, 내공변위 모두 관리기준치 이내이며,

- 숏크리트면 이완발생 없음

‣ 계측결과 관리기준 이내로 안정하게 수렴함

구 분 이형봉강 GFRP 관리기준

록볼트 축력 8.36kN 8.26kN 29.5kN 이하

천단침하 5mm 5mm 20mm 미만

내공변위 6mm 5mm 40mm 미만

o (노출식 록볼트) 록볼트가 숏크리트면 위로 노출되어 수량확인이

가능하여 공사관리가 용이한 것으로 판단됨

o (현장의견)

- “노출식 록볼트”는 시공 후 수량 확인이 용이하며,

- “유리섬유재질 록볼트(GFRP)”는 이형봉강 록볼트보다 가벼워

시공성 우수함

* 단, 유리섬유재질 록볼트(GFRP)에 대한 품질기준 마련 필요(감독원 및 하도급사)

320 ❙ 터널공

5 유리섬유재질 록볼트 품질기준(안)

□ 품질기준(안)

① “유리섬유재질 록볼트” 품질기준 검토결과 (도로교통연구원) [붙임 #1]

- 국내․외 시방기준 및 문헌고찰을 통해 바탕으로 유리섬유재질

록볼트 품질기준(안) 검토

직 경

(mm)

유리함유량

(%)

항복강도

(MPa)

인장강도

(MPa)

인장하중

(kN)

전단강도

(MPa)

20 이상 75 이상 700 이상 850 이상 320 이상 150 이상

* 관련근거 : 도로교통연구원 경영전략연구실-108호(2016.02.19) [붙임 #1 참조]

② 설계심의 결과 반영 [붙임 #2]

- 품질기준 중 “항복강도” 및 “인장하중” 불필요* 의견에 따라 삭제

최소측정값(mm) 유리섬유함유량(%) 극한인장강도(MPa) 극한전단강도(MPa)

20 이상 75 이상 850 이상 150 이상

* 해당재료는 취성재료로 항복점이 없으며, 인장하중은 단면적×인장강도로 계산이

가능 하여 기준으로 제시할 필요 없음

** 관련근거 : 기술심사처-519호(2016.03.15) [붙임 #2 참조]

- 품질확인 및 데이터 축적을 위해 현장품질시험은 이형봉강 록볼트

기준의 2배인 3,000개 마다 시행

□ 이형봉강 록볼트 품질기준과의 비교

구 분 이형봉강 록볼트(SD350) 유리섬유재질 록볼트(안) 비 고

직 경 25mm 이상 20mm 이상

유리함유량 - 75% 이상

인장강도 490MPa 이상 850MPa 이상 이형봉강대비173%

전단강도 - 150MPa 이상

설계행정

터널공 ❙ 321

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

6 검토결과 및 적용방안

□ 검토결과

o 설계심의 결과를 반영하여 “유리섬유재질 록볼트”는 아래의

품질기준 적용

최소측정값(mm) 유리섬유함유량(%) 극한인장강도(MPa) 극한전단강도(MPa)

20 이상 75 이상 850 이상 150 이상

※ 유리섬유재질 록볼트는 이형봉강대비 가벼워(1/4수준) 시공성 우수

□ 적용방안

o 품질기준 : 전문시방서 및 관련기준 개정 시까지 본 방침 적용

o 자재사용 : 공사시행부서에서 경제성 및 시공성 등을 검토 후 적용

7 향후계획

□ 유리섬유재질 록볼트의 적용을 위한「고속도로공사 전문시방서」

개정 요청 (건설처→도로교통연구원)

□「고속도로 건설재료 품질기준」에 유리섬유재질 록볼트 품질

기준 추가 요청 (건설처→도로교통연구원)

□「고속도로 건설공사 현장 품질시험 기준」에 유리섬유재질

록볼트 시험기준 추가 (품질환경처)

□ 국토교통부 등 관련기관에 유리섬유재질 록볼트 품질기준

등재 요청 (건설처→국토교통부)

붙 임 : 1. “유리섬유재질 록볼트” 품질기준 검토결과(도로교통연구원)

2. “유리섬유재질 록볼트” 품질기준(설계심의 의견 반영)

3. 설계심의의견 및 조치내용

4. 전문시방서 등 품질기준 개정(안)

322 ❙ 터널공

붙임 2 유리섬유재질 록볼트 품질기준 (설계심의의견 반영)

□ 품질기준(안) (설계심의 결과, 기술심사처-519(2016.03.15))

최소측정값(mm) 유리섬유함유량(%) 극한인장강도(MPa) 극한전단강도(MPa)

20 이상 75 이상 850 이상 150 이상

□ 세부내용

① 최소측정값(직경)

- 시험시공을 시행한 유리섬유재질 록볼트(GFRP) 규격을 참고하고, 해외

기준(영국표준 BS 7861)에서 제시된 최소값 20mm 이상을 기준으로 함

- 형 상 : 록볼트의 모양은 표면에 돌기*가 있는 것으로 함

* 축선방향 돌기는 리브(Rib), 축선방향 외의 돌기는 마디라 함

- 시험빈도 : “현장 반입시” 측정

* 현장 반입시 유리섬유재질 록볼트의 최소 직경을 측정하여 확인

※ (참고) 유리섬유재질 록볼트(GFRP)의 제원

P : 10mm ± 0.3

Da : 25.0mm ± 0.5

Db : 22.6mm ± 0.5

L : 주문자와 제조자 협의

② 유리함유량

- 해외기준(영국표준 BS 7861)에서 제시된 중량의 75% 이상을 기준으로 함

- 시험빈도 : “3,000개 마다” 측정 (기존 대비 시험빈도를 두배로 강화)

* 고속도로 건설공사 현장 품질시험기준(제3차 개정) 상의 록볼트 시험빈도 6,000개 마다

- 시험개요 : 한국산업표준(KS M ISO 1172)에 따름

※ 시험원리

- 시험편의 질량을 측정하고 정해진 온도(500～600℃)에서 연소시킨 후 연소된

시험편의 질량을 다시 측정하여 연소되지 않은 성분(유리섬유) 함량을 얻음

※ 시험결과

- 두 개의 시험편의 측정값의 오차가 5%이내일 경우 그 측정값의 평균으로 하여

백분율(%) 단위로 나타냄

* 오차가5%를초과하는경우세번째시험편을시험하고세측정값으로부터 시험결과를 구함

설계행정

터널공 ❙ 323

교통 및

기하구조

토 공

배수공

구조물공

포장공

터널공

부대공

기 타

③ 극한인장강도

- 재료가 파단할 때까지의 강도(응력)를 의미하며, 해외기준(영국표준 BS

7861)에서 제시된 850MPa 이상을 기준으로 함

- 시험빈도 : “3,000개 마다” 측정 (기존 대비 시험빈도를 두배로 강화)

* 고속도로 건설공사 현장 품질시험기준(제3차 개정) 상의 록볼트 시험빈도 6,000개 마다

- 시험개요 : 한국산업표준(KS B 0802)에 따름

※ 시험원리

- 시험편의 모양에 적합한 손잡이 장치를 사용하여 시험편에 축방향 하중만이

가해지도록 하여 시험편이 파단할 때의 응력임

※ 시험결과

- 시험편의 측정값을 MPa(N/mm2) 단위로 나타냄

④ 극한전단강도

- 록볼트의 주요기능인 전단저항을 의미하며, 호주 University of Wollongong의

시험결과 중국 강소성 건설표준을 참고하여 150MPa이상을 기준으로함

- 시험빈도 : “3,000개 마다” 측정 (기존 대비 시험빈도를 두배로 강화)

* 고속도로 건설공사 현장 품질시험기준(제3차 개정) 상의 록볼트 시험빈도 6,000개 마다

- 시험개요 : Double Shear Test에 따름

※ 시험원리

- 시험편의 모양에 적합한 손잡이 장치를 사용하여 시험편을 2점 고정 후 전단

하중을 가하여 파괴할 때의 응력임

※ 시험결과

- 시험편의 측정값을 MPa(N/mm2) 단위로 나타냄

* 시험편의 수는 5개 이상으로 하여 물림부분 등에서 파괴를 나타낸 시험편의

값을 제외하고, 제외분만큼 추가시험(KS M 3386 참조)

324 ❙ 터널공

붙임 4 전문시방서 등 품질기준 개정(안)

□ 고속도로공사 전문시방서 개정(안)

① 전문시방서 개정절차

※ 소관부서 : 도로교통연구원

* 고속도로 전문시방서 개정 절차

개정사항 발생

개정건의

▶

개정(안) 검토

(도교원)

▶

중앙건설기술

심의위원회(국토부) 심의

▶ 개정판 발간

※ 고속도로공사 시방서는 국토교통부 심의를 거쳐 개정(건설기술진흥법 제44조)

② 향후 추진계획

- 상시개정관리시스템(도로교통연구원 홈페이지)에 개정 요청 (4월)

※ http://research.ex.co.kr

* 관런근거 : 고속도로공사 전문시방서 (총칙/토목편) 업뮤매뉴얼 개정

(도로교통연구원 도로시험팀-1516호, ‘13.07.22)

□ 품질기준 통합관리체계* 개정(안)

*「고속도로 건설재료 품질기준」,「고속도로 건설공사 현장 품질시험 기준」

① 개정절차

가. 고속도로 건설재료 품질기준 개정 절차 [※ 소관부서 : 도로교통연구원]

나. 고속도로 건설공사 현장 품질시험 기준 개정 절차 [※ 소관부서 : 품질환경처]

개정사항 발생

개정건의

▶

개정(안) 검토

(도교원, 품질환경처)

▶ 관련 기준 개정 ▶

도교원 홈페이지 공유,

관계기관 통보

※ 개정사항 (KS, 시방서, 연구성과, 지침변경 등)

② 향후 추진계획

- 상시 의견수렴 절차에 따라 개정요청 (4월)

* 관련근거 : 고속도로 건설공사 품질시험기준 개선(녹색환경처-4341호, ‘12.11.08)

고속도로 건설재료 품질기준 개정(도로교통연구원 도로시험팀-1951호, ‘14.12.11)