얕은 터널 굴착시 지표경사가 지반침하에 미치는 영향에 대한 실험적 연구

Abstract

도시 내에서 기반시설을 확충하기 위해 지하공간의 활용이 급증하고 있으며, 이에 따라 얕은 터널의 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 도심지 얕은 터널에서는 자체 안정성 뿐만 아니라 상부 구조물과 터널 주변 지중매설물의 안전성이 확보되어야 한다.

얕은 터널을 굴착할 때에는 지표면의 경사가 터널굴착에 미치는 영향을 사전에 예측·파악하여 대비하는 것은 매우 중요하다. 그런데 지금까지 얕은 터널에 대한 연구는 수평지표 하부에서 터널 천단부나 측벽부 등의 국부적 변형에 따른 주변지반 거동, 지표침하, 상부구조물에 대한 영향 등에 집중되어 왔으며, 터널의 횡방향 지표가 경사진 경우에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 모형시험을 통하여 터널의 굴착시 지표경사와 토피고가 주변지반의 거동, 지표침하 등에 미치는 영향을 연구하여 비교·분석하였다. 이를 위해 터널 상부지표 경사 3 cases(0°, 10°, 20°)와 토피고 4 cases(0.5D, 1.0D, 1.5D, 2.0D)에 대하여 모형시험을 수행하였다. 모형터널을 실제 터널을 약 1/45로 축소한 크기로 수직·수평방향으로 동시에 등속으로 내공변위가 일어나도록 하였다. 모형지반은 3가지 규격(4mm, 6mm, 8mm)의 탄소봉을 이용하여 조성하였고, 모형터널에 일정한 내공변위를 일으키면서 터널 토피고와 상부지표 경사에 따른 천단하중, 측벽하중, 하중전이, 지표침하, 파괴영역을 분석하였다.

연구결과, 수평지표 하부에서 얕은 터널 굴착시 토피고가 작을수록 작은 변위에서 천단부 파괴가 발생하였고, 토피고가 커질수록 큰 변위에서 파괴가 발생하였다. 토피고 1.0D와 1.25D 사이에서 이완영역경계가 형성되는 것이 확인되었다. 지표가 경사진 경우에도 동일한 경향을 나타내었고, 토피고가 커지면 터널변형에 따른 주변지반 거동이 안정적인 것으로 나타났다. 터널에 내공변위 발생시 터널 측벽부가 천단부보다 큰 변위에서 파괴가 발생하였고, 지표경사의 영향이 뚜렷하였다. 터널 굴착시 인접한 원지반에 작용하던 연직하중이 터널 주변지반으로 전이 되는데, 지표면이 수평인 경우에는 토피가 커짐에 따라 하중전이 폭이 넓어지고 전이하중 크기가 커지는 경향을 보였다. 그리고, 지표면이 경사진 경우에는 토피가 상대적으로 높은 쪽에서 하중전이 폭이 넓어지고, 전이하중 크기가 작게 나타나는 반면 토피가 상대적으로 낮은 쪽에서는 터널 측벽부에 근접하여 하중전이 영역이 집중되었고, 전이하중의 크기가 크게 나타났다. 토피고가 커질수록 터널 굴착에 따른 지표침하 발생범위가 넓게 나타났고, 최대지표침하량이 작아졌다. 최대지표침하는 지표면이 수평인 경우에는 터널 천단부 중앙에 발생하였으나, 지표면이 경사진 경우에는 지표경사와 토피고가 커질수록 터널 천단부 중앙에서 상대적으로 토피가 낮은 쪽으로 편향되어 발생하였다. 또한, 최대침하발생위치는 터널 천단부 곡선의 중심점에서 토피가 낮은 쪽 방향으로 지표의 경사에 따라 일정한 각도로 나타났다.