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터널 콘크리트 라이닝 최적화 방안 검토
한국도로공사
1. 일반현황
터널 라이닝의 주재료인 콘크리트 및 철근의 고강도 재료 적용을 통해 철근량 및 라이닝 두께 축소로 설계 최적화
공사 > 한국도로공사
터널공
건설일반
시설물분류>운송 교통시설>터널시설>도로터널;공종분류>토목공종>터널공사>터널 라이닝

2. 현황 및 문제점


2.1 설계기준 및 개념
2.1.1 설계기준
(1) 터널설계기준 (국토해양부, 2007)
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(1.1) 철근 강도에 대한 기준은 별도 언급 없음
(2) 기타 기준 [라이닝 콘크리트강도 설계기준]
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(2.1) 라이닝 고강도재료(콘크리트 27MPa, 철근 400MPa) 적용 사례
(2.1.1) 서울지하철 3호선 및 9호선 정거장 2-arch터널(비배수형터널)
(2.1.2) 원주~강릉간 복선전철(배수형터널)
(2.1.3) 수도권 수서~평택간 고속철도(비배수형터널)

2.1.2 설계개념
(1) 라이닝의 설계개념
(1.1) 배수형NATM 터널에서는 숏크리트와 록볼트 등의 1차 지보재가 시공단계에서 지반변위를 완전히 수렴시킨 후 라이닝을 시공
(1.2) 지반조건 열악 등 장기적으로 이완하중, 잔류수압 등의 추가응력 발생을 대비하여 라이닝(2차 지보재)이 부담하는 것으로 설계
(2) 설계하중
(2.1) 이완하중
(2.2) 잔류수압
(2.3) 라이닝 자중
(2.4) 온도하중 및 건조수축 하중 등
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(2.5) 이완하중과 잔류수압은 라이닝 해석의 주요 인자임
(3) 설계방법
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(3.1) 무근콘크리트 라이닝으로 허용응력 초과시 강도설계법 적용

3. 개선내용


3.1 라이닝 최적화 방안 검토
3.1.1 검토방향
(1) 라이닝 재료 강도 상향
(1.1) 콘크리트 : 24Mpa → 27Mpa, 철근 : 300Mpa → 400Mpa
(2) 라이닝 두께 축소
(2.1) 두께 : 표준 30cm → 25cm

3.1.2 검토내용
(1) 검토조건
(1.1) 안정성 확보를 위해 가장 불리한 조건 적용
(1.2) 하중 및 지반정수는 부산외곽순환고속도로 등 13개 노선 31개 공구 사례 분석결과 적용
(1.3) 해석은 범용적인 모델링 및 프로그램 적용
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(1.4) 재료강도 및 두께변화에 따른 CASE별 구조검토 시행

3.1.2.1 무근콘크리트 구간
(1) 해석 CASE 선정 (Type-4 기준)
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(1.1) 축소두께는 소화전 블록아웃(깊이 25cm) 및 지반의 불균일성 등을 감안하여 25cm만 검토
(2) 해석 결과(허용응력설계법)
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(2.1) CASE-4 적용시 현 설계기준(CASE-1) 보다는 안전율이 낮아지나 (1.99→1.93) 차이가 미미하며 안정성은 확보됨
(2.2) 현 설계기준(콘크리트강도 24Mpa)도 라이닝 두께는 15cm까지 축소 가능
(3) 경제성 검토
(3.1) CASE-4 적용시 : 터널공사비의 약 2.1억원/km 절감
(3.2) 콘크리트 재료 변경으로 터널공사비 약 0.3억원/km 증액 포함

3.1.2.2 철근콘크리트 구간
(1) 해석 CASE 선정 (Type-5, 6 기준)
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(2) 해석 결과(강도설계법)에 따른 철근량 검토
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(2.1) CASE-2의 경우 철근량 최대 35% 감소(P-6 기준)
(2.2) CASE-3는 CASE-2에 비해 철근량 다소 증가(최대 17% 감소)
(3) 경제성 검토
(3.1) CASE-3 적용시 : 터널공사비의 약 4.5억원/km 절감
(3.1.1) 철근량 축소 : 2.4억원/km, 두께 축소 : 2.1억원/km
(3.2) CASE-2 적용시 : 터널공사비의 약 7.5억원/km 절감
(3.2.1) CASE-2는 무근콘크리트 구간의 공사비 증액으로 경제성 확보 곤란

3.1.3 검토결과
(1) 라이닝은 콘크리트 및 철근의 강도를 상향하여 설계적용
(1.1) 콘크리트 : 24Mpa → 27Mpa, 철근 : 300Mpa → 400Mpa
(2) 라이닝 두께는 지반여건 등을 고려한 구조검토 결과에 따라 설계 자가 판단

4. 결론

 

(1) 적용방안
(1.1) 현재 설계중인 노선부터 설계 적용
(함양~울산, 당진~천안 등 4개노선 터널 61개소/79.6km)
(1.2) 터널별 라이닝 관련 검토내용 : 설계보고서 수록 의무화
(2) 기대효과
(2.1) 공사비 절감액 : 약 200 억원
(2.1.1) 라이닝 두께 축소 : 약 166억원
(2.1.2) 재료강도 상향(철근량 축소) : 약 38억원
(2.2)  CO2 저감량 : 약 6만 톤
(2.2.1) 철근량 축소 : 5,611 톤
(2.2.2) 콘크리트량 축소 : 53,384 톤
(2.2.3) 굴착량 축소 : 1,231 톤
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