터널공 ❙ 273

터널공

62

터널공

제트팬 경량화 및 설치방법 개선 시설처-3999

(2022.12.02.)

1 검 토 배 경

 공용중 터널 제트팬 설치시 구조보강을 위한 철골보강재 설치에

따른 공사비 발생 및 장기 고소작업·차단으로 안전사고 우려

 케이블프리 제트팬 확산설치의 경제성 추가확보 방안

* 케이블프리 제트팬 확산설치 방안(시설처-1514, 2022.05.12.)

2 관련기준 및 문제점

 관련기준

o 제트팬 실하중의 15배 규정으로 최대 21배* 설계반영(붙임1)

※ 공사기준

① 제트팬 설치부 라이닝 철근 최적화 (설계처-2343, 2012.8)

- 제트팬 하중 15배 고려 라이닝 철근보강 범위 최적화(L=9m→4m)

② 콘크리트 라이닝 세부 설계기준 수립 (설계처-2317, 2016.7)

- 무근콘크리트 구간 강도설계법 적용(당초 허용응력설계법)

단면검토 자 중 이완하중 잔류수압 제트팬 하중

Comb. 1 1.4 - - 1.4

Comb. 2 1.2 1.6 1.6 1.2

Comb. 3 1.2 1.2 1.2 1.2

à ① × ② = 15 × 1.2 ~ 1.4 = 18 ~ 21배 적용

※ 해외는 제트팬 실하중(동하중 별도계산)의 1배∼1.5배 적용

 문제점

o 기준 충족을 위해 무근콘크리트 라이닝 제트팬 설치부 보강 필요

- 천단부 응력집중 발생으로 구조검토시 설계강도 초과

o 장기 고소작업 및 차단으로 안전사고 우려(보강 12일/터널, 팬 8대 기준)

o 철골보강재 설치비(38백만원/대) 및 차단비(7백만원/대) 발생

안전사고 방지, 소요예산 절감을 위한

라이닝 보강 최소화 방안 발굴 필요

274 ❙ 터널공

3 개선방안 검토

 검토내용

보강 최소화를 위한 제트팬 중량과 설치방법 개선의 최적(안) 발굴

 제트팬 경량화 : 재하하중 감소를 통한 응력발생 완화

 설치방법 개선 : 하중 재하위치 분산으로 응력집중 방지

중량(톤)

1.4

1.0

0.5

개선(라인형) 현행(사각형) 설치방법

 제트팬 경량화[초슬림형 제트팬]

o 현행 설치방법으로 구조해석 결과 0.5ton까지 경량화 필요

구 분 팬 중량

(ton)

해석단면

(암반등급 Ⅲ 기준)

응력(kPa)

평가

기준 인장면

현 행 1.4 1,132 2,710 N.G

개 선 0.5 1,132 1,019 O.K

- 전동기 무게만 0.2ton으로 케이싱 등 부품 고려시 제작곤란

- 경량 재질 검토결과 제트팬 적용곤란

구 분 FRP CFRP 티타늄 합금

사 유 강도 확보 곤란 제작공정 복잡 경제성 확보불가

o 안전율을 과다 반영한 기존설계 고려, 경량화 목표중량 1ton 선정

- 기준에 최적화한 규격 개선으로 중량감소 가능

안전율 적용 예시 기 준 실 제 비 고

설치강도 15배 이상 28~44배 안정판, 브라켓

구동 소음측정 95dB 이하 88dB

제작불가

설치불가

목표

터널공 ❙ 275

터널공

 설치방법 개선

o 현행 설치방법으로는 제트팬 1ton 경량화에도 보강 필요

o 설계, 제조, 구조 등 전문가 합동회의를 통한 설치방안 발굴

※ 천단부 응력집중 문제 해결을 위한 제트팬 지지위치 개선

· 하중 지지지점 이격 증가로 응력집중 방지 (0.5m 이하 → 2m 이상)

· 횡단면 내 하중 지지지점 감소로 응력발생 완화 (4점 → 2점)

o 개선개요

구 분 현 행(사각형) 개 선(라인형)

라이닝

: 0.25W : 0.25W

제트팬

브라켓

* 적색 박스 : 하중지지용 브라켓 위치

o 제트팬 경량화 및 설치방법 개선시 설계강도 이내 설치 가능

구 분 팬 중량

(ton)

해석단면

(암반등급 Ⅲ 기준)

응력(kPa)

평가

기준 인장면

현 행 1.0 1,132 1,909 N.G

개 선 1.0 1,132 919 O.K

 검토결론

o 경량화를 위한 규격 최적화 및 시제품 제작을 통한 시험검증 추진

o 설치방법 개선방안의 현장 적용을 위한 적정성 검증 필요

276 ❙ 터널공

4 추 진 내 용

 경량화 및 설치방법 개선

o 시방기준 내 규격 최적화 및 설치방법 개선 대응 형상변경

구 분 당초(슬림형) 개선(초슬림형)

표준도

브라켓*

두께 9t 두께 6t

* 터널 상부 제트팬 부착을 위한 설치 부자재

o 형상 변경에 따른 취약구조부 설계강도 검토(붙임2)

제트팬 모델링 취약부 안전율(기준 15배)

4 3

2

1 ① 설치대 브라켓 : 21배

② 설치대 조립부 : 27배

③ 케이싱 조립부 : 20배

④ 브라켓(인장시험) : 26배

* 50배 이상 인장에도 파단 미발생

 현장적용 적정성 검증

o 개선된 설치방법의 구조검토 시행(붙임3)

o 구조검토 결과의 적정성 검증을 위한 기술자문(도교원, 붙임4)

- 검토방법 적정, 현장 적용 시 터널특성 별 재검토 필요

⇨ 터널특성 별 검토결과 및 적용판단 기준 설계자문(기술심사처, 붙임5)

- 안전율 등 검토적정, 자문의견 반영한 판단기준 등 보완 완료

1,220mm 1,000mm 1,220mm

1,000mm 850mm 1,000mm

설치대 추가

터널공 ❙ 277

터널공

 제작 및 시험시공

o 시제품 제작(붙임6)

- 규격 최적화를 통한 목표중량 달성(중량 30% 감소, 1.4ton → 1ton)

o 성능시험 시행(붙임7)

- 기존 슬림형 제트팬 대비 주요성능 시방기준* 만족

* 시방에 따른 치수(임펠러 간극 등) 및 성능(풍속, 전압효율, 소음, 진동 등)

o 3차례 시험시공을 통한 시공성 검증(터널 방재인증센터, 붙임8)

 초슬림형 제트팬 ‘표준도’ 및 ‘표준시방서’ 제정(붙임9)

o 성능기준은 기존 슬림형 제트팬 유지, 규격기준만 개선 반영

구 분 슬림형 초슬림형 비 고

중 량

본체, 소음기, 전동기 1,200kg 이내 850kg 이내

브라켓, 턴버클, 기타 220kg 이내 150kg 이내

총 중량 1,420kg 이내 1,000kg 이내

총 길이

3,600 이상

~ 3,960 이하

3,400 이상

~ 3,600 이하

* 원가계산을 통한 표준단가(슬림형, 초슬림형) 제작 예정(‘23)

 설치기준 수립

o 효율적 설계를 위한 카탈로그형 무보강 적용기준 제시

암반

등급

변형계수

(MPa)

이완하중고*

발파이완하중

Hp  m

Terzaghi 이완하중

Hp  B

Terzaghi 이완하중

Hp   B  Ht 

Ⅳ

1,000 × × ×

1,500 × × ×

Ⅲ

2,000 △ × ×

2,500 ○ × ×

3,000 ○ △ ×

4,000 ○ ○ ×

5,000 ○ ○ ×

· ○: 보강 불필요, △: 암반조건에 따라 보강 여부 상이, X : 추가 보강 필수

· 변형계수가 더 높은 암반등급(Ⅰ∼Ⅲ)에선 발파이완하중 적용시 보강 불필요

· 이완하중고 : 터널 설계에 따라 상이하므로 터널특성 검토 후 적용

278 ❙ 터널공

5 적 용 방 안

 표준 제트팬 변경적용

o ∅1,250 제트팬 표준 변경(슬림형→초슬림형)

o 적용대상

- 공용터널 : 제트팬 신설 또는 교체시 적용

- 신설(설계중)터널 : 방침 시행 이후 즉시 적용

* 공사중 터널(공용 및 신설구간)은 현장여건 검토 후 적용여부 판단

 설치방안 2원화 적용

o 터널 특성 검토를 통한 설치방법 선정

터널 특성

구 조 물 주변지반

터널단면 라이닝 현황 암반등급 지보패턴 변형계수

- 검토 흐름도에 따라 라이닝 보강여부 및 설치방법 결정(붙임10)

대상터널 특성

기초자료* 조사

특성 및 무보강

기준 부합 검토 O.K

라이닝 무보강,

라인형 설치

터널특성 N.G 라이닝

안정성 검토

N.G 라이닝 보강,

사각형 설치

무보강 적용기준 N.G

* 기초자료 조사시 검토 체크리스트 활용(붙임11)

o 적용대상

- 공용터널

· 중규모 보완 : 방침 시행 이후 적용

· 노 후 교 체 : 열부력 고려 등 제트팬 증설 필요시 적용

* 공사중 터널은 현장여건 검토 후 적용여부 판단

- 신설터널

· 라이닝 하중 적용기준* 개정 이후 추진 [설계처 협조]

* 제트팬 설치부 라이닝 철근 최적화 방안[설계처-2343(2012.8.23.)]

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6 기 대 효 과

 보강 최소화를 통한 경제적 제연설비 구축으로 예산절감(붙임12)

o 중규모터널 제연설비 보완대상(50개소) 적용시 163억원 절감

o 연장 4등급 터널(133개소) 제연설비 보완시 247억원 추가절감

 터널 제연설비 시공 및 관리여건 향상

o 터널 상부 고소작업 물량 감소에 따라 시공 위험도 개선

o 도로 차단일수 12일 감소로 도로주행 안전성 강화

o 경량화를 통한 라이닝 재하 하중 감소로 구조물 안정성 향상

붙임 1. 국내 및 해외 관련 기준(별첨)

2. 초슬림형 제트팬 설계 보고서(별첨)

3. 라이닝 안정성 검토 보고서(별첨)

4. 기술자문 결과(도로교통연구원)

5. 설계자문 및 결과(기술심사처)(별첨)

6. 초슬림형 제트팬 개발개요(별첨)

7. 초슬림형 제트팬 시험결과 대비표(별첨)

8. 초슬림형 제트팬 시험시공 사진대지(별첨)

9. 초슬림형 제트팬 표준도 및 시방서(별첨)

10. 설치방법 선정 검토 흐름도(별첨)

11. 터널특성 검토 체크리스트(별첨)

12. 예산절감 산출 세부내역(별첨)