지하수 흐름에 따른 병설터널의 지반거동 분석
Ground Behavior of Parallel Tunnels in Response to Variations in Groundwater Flow
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Abstract
도시 개발 확장으로 지하공간 활용이 늘어나면서 지하수위 변화를 고려한 터널 설계 및 시공의 중요성이 커졌다. 지하수위를 고려하지 않은 굴착은 터널 안정성에 큰 영향을 미치며, 최근 이상기후로 인한 지하수위 변동이 이러한 문제를 더욱 심화시켜 터널의 안전성에 영향을 줄 수 있다. 본 연구는 지하수 흐름(정상류와 부정류)에 따른 필러폭, 측압계수, 지하수위를 달리하여 국내에 많이 적용되고 있는 병설터널 주변 지반의 거동을 수치해석적으로 평가하여 터널에 미치는 영향을 분석하였다. 연구 결과, 지하수위의 변화는 터널 주변 지반거동에 큰 영향을 미쳤고, 필러폭이 증가할수록 침하량과 변위량은 감소하는 경향을 보여 필러폭에 의한 터널의 구조적 안정성 효과와 대비되는 결과를 도출할 수 있었다. 또한, 측압계수는 지표침하량과 천단침하량에 비해 내공변위량에 큰 영향을 보였으며, 부정류보다 정상류 조건에서 터널 주변 지반의 거동이 더욱 명확하게 나타났다. 이러한 결과는 병설터널 굴착 시 지하수 흐름을 신중히 고려해야 함을 강조하며, 향후 터널의 설계와 시공에 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
Trans Abstract
With the steady expansion of urban development, the importance of tunnel design and construction has increased, particularly with respect to changes in the groundwater level. Excavation without considering groundwater variations can destabilize tunnels; and this problem has been exacerbated by recent climate change-induced groundwater level fluctuations. This study evaluates the impact of various factors, such as filler width, lateral earth pressure coefficient, and groundwater flow, on tunnels by analyzing the ground behavior around parallel tunnels in Korea. The findings reveal that an increase in filler width reduces settlement and displacement, while the coefficient of lateral earth pressure affects convergence displacement to a higher degree than other settlements. Moreover, steady flow conditions are observed to wield a more pronounced impact on ground behavior than unsteady ones. These findings emphasize the importance of thoroughly evaluating groundwater flow characteristics during tunnel excavation and provide essential data for the future design and construction of parallel tunnels.
1. 서 론
최근 도심 지역의 지상 구조물 포화와 심각한 교통난의 해결책으로 도로 지하화와 수도권 광역철도와 같은 지하공간 개발에 대한 중요성이 크게 대두되고 있다. 이에 따라 현재 국내 여러 현장에서 터널을 활용한 지하공간 개발이 활발하게 진행되고 있다. 지하공간 개발은 교통 인프라 확충, 상업 및 주거 공간의 추가 확보, 도시의 기능적 효율성 증대 등 여러 가지 장점을 가지고 있다. 특히, 지하철, 터널, 주차장 등과 같은 지하구조물들은 지상의 혼잡을 줄이고 교통흐름을 원활하게 하는 데 큰 역할을 한다. 국내에서는 도심지 개발에 있어 개발용지 제한 및 자연환경훼손의 문제로 자연훼손은 최소화하며 경제적인 시공이 가능한 병설터널(Parallel tunnel)이 많이 활용되고 있다. 이에 여러 지반조건과 구조적 변화에 따른 병설터널에 관한 연구가 진행되었다(Jang et al., 2006; Ahn et al., 2008; Kim and Park, 2011; Lee, 2013). 기존 연구들은 지반 종류에 따른 병설터널의 거동 연구와 터널의 지지력에 중요한 역할을 하는 필러(Pillar)폭의 영향에 관한 연구가 주를 이루었다.
실제 터널의 시공에 있어 지하수위는 터널의 안정성에 큰 영향을 미친다. 지하수위를 잘못 고려할 경우, 예상치 못한 수압이 터널에 작용하여 지하수가 터널 내부로 침투할 수 있으며, 이는 지반내 수두 차이를 유발하여 지하수위 저하와 더불어 지반침하를 발생시킬 수 있어 지하수위 변화는 터널의 설계 및 시공에서 중요한 고려 사항이다. 터널의 안정성 확보에 있어 지하수위가 미치는 영향에 관한 초기 연구들은 터널 시공 중에 발생하는 침투수압에 의한 침투력을 평가하는 연구가 주를 이루었다(Ghaboussi and Ranken, 1977; Ward and Pender, 1981). 이후 컴퓨터 기술 발달로 수치해석을 활용한 다양한 관련 연구가 진행되었고, 특히 터널 굴착단계에 따른 지하수위의 변화가 터널지보 등 터널 구조체 안정성과 터널 주변 지반거동에 미치는 영향에 관한 연구가 수행되었다(Fahimifar and Zareifard, 2009; Hazzard et al., 2011).
최근에는 지구온난화에 따른 극한호우와 같은 폭우의 증가로 지하수위가 급격하게 변하는 상황이 늘어나고 이에 국내에서도 급격한 지하수위 변동에 의한 터널의 변위 양상을 평가하는 연구가 이루어졌다(Lee et al., 2018; Lee et al., 2024). 앞서 언급한 바와 같이, 관련 국내 연구들은 지반조건과 터널의 구조적 변화에 관한 연구들이 주를 이루며, 폭우에 의한 지하수위의 변화가 터널에 미치는 영향에 관한 연구는 진행되었지만, 국내에서 그 사용이 늘어나고 있는 병설터널의 거동에 대해 지하수 흐름의 영향을 고려한 연구는 많이 이루어지지 않은 실정이다. 특히, 지하수위 변화로 인해 발생하는 침투수압의 차이는 터널과 주변지반의 변위에 큰 영향을 미치며 이는 터널의 안전과 밀접한 관계가 있어 지하수위 및 지하수 흐름을 고려한 터널 거동 연구가 필요하다.
따라서, 본 연구에서는 최근 지하 개발로 그 활용이 증가하고 있는 병설터널에 대하여 수치해석적 방법을 이용하여 지하수의 흐름별 필러폭, 측압계수, 지하수위 조건을 달리한 천단침하량, 지표침하량, 내공변위량의 평가를 통해 지하수위 변화가 병설터널에 미치는 영향을 분석하였다.
2. 이론적 배경
지하수 처리방식에 따라 터널 종류는 비배수형과 배수형 터널로 분류할 수 있으며, 그 종류에 따라 터널 주변 지반의 측압 및 수압 분포가 달라진다. 이처럼 터널 형식은 주변 지반의 측압 및 수압의 크기에 많은 영향을 받으므로 수압을 발생시키는 지하수위와 측압을 발생시키는 지반조건을 적절히 고려해야 한다.
2.1 비배수형 터널
Fig. 1은 비배수형 터널 주변의 지중응력 분포를 나타낸 그림이다.
Underground Stress around of the Undrainage Tunnel (Bang, 2012)
비배수형 터널은 굴착 시 일시적인 지하수위의 저하가 발생하며, 터널 시공이 완료된 후에는 터널 내부로의 배수가 발생하지 않으므로 지하수위는 원래 상태로 복원된다. 터널을 굴착하기 전에는 수중단위중량과 깊이를 곱한 크기의 유효응력이 연직방향으로 작용하지만, 터널을 굴착 하게 되면 굴착벽면의 변위가 터널의 중심 방향으로 발생하며 생성되는 아칭효과(Arching effect)에 의해 터널 중심 방향으로 작용하는 지중유효응력은 감소하게 된다. 이때 지반의 아칭효과에 의해 터널이 안정되어 굴착면 내부에 설치된 터널의 지보재에는 유효응력이 직접적으로 작용하지 않게 된다. 하지만, 회복된 지하수위의 크기만큼 콘크리트 라이닝에 수압이 작용하게 된다. 따라서, 지하수위가 큰 경우 콘크리트 라이닝에 수압이 크게 작용함으로 지하수위가 큰 조건에서 비배수형 터널을 채택하는 것은 적절하지 않다.
2.2 배수형 터널
큰 지하수위로 인한 수압을 고려해야 하는 터널의 경우에는 배수형 터널을 사용해야 하며 배수형 터널의 지중응력 분포는 Fig. 2와 같다.
Underground Stress around of the Drainage Tunnel (Bang, 2012)
배수형 터널은 시간에 따른 지하수의 흐름, 즉 시간 의존적인 거동의 관점에서 정상류와 부정류 상태로 분류된다. Fig. 3은 지하수의 흐름에 따른 응력의 변화를 나타낸다.
Types of Drainage Tunnel in (a) Steady Flow and (b) Unsteady Flow
부정류 상태는 지하수가 상대적으로 터널 내로 유입되는 지하수량에 비해 지하수의 뚜렷한 공급원이 없는 경우로, 도심이나 산악지 터널에서 흔히 볼 수 있다. 시간이 경과 하면서 지하수위는 터널의 바닥부까지 저하하게 되며, 콘크리트 라이닝 배면에 작용하는 수압은 없어지게 된다.
그러나 배수시설의 배수 능력이 충분하지 않거나 시간이 지나면서 배수 능력이 저하될 때는 라이닝에 수압이 작용할 수 있으므로, 배수시설의 기능이 원활하게 유지될 수 있도록 조치해야 한다.
정상류 상태는 지하수위가 상대적으로 높고 지하수 공급원이 충분한 경우로, 하저 및 해저터널 혹은 지하수 공급원 인접 지역의 경우가 이에 해당한다. 정상류의 흐름에서는 수위가 변동 없이 거의 일정하지만, 터널 내부는 대기압 상태로 되어 수압은 없어진다. 이러한 수두차에 의해 동수경사가 발생하여 터널 굴착면 주변 지반에는 터널 중심 방향으로 작용하는 침투력이 발생한다. 이 침투력은 유효응력을 증가시키는 결과를 가져와, 지반의 아칭현상으로 인해 증가된 유효응력을 견디지 못할 때는 라이닝에 작용하는 하중이 비배수형 터널의 경우보다 훨씬 증가하게 된다. 따라서, 지반특성과 지하수의 흐름, 그리고 이들 간의 상호관계를 명확히 분석하여 터널의 지보부재에 작용하는 하중을 산정하여야 한다.
2.3 지하수위 저하로 인한 지반침하
지하수위가 존재하는 지반에서 터널을 시공할 경우, 지반 내 수두 차이로 인해 지하수가 이동하게 되어 지하수위가 낮아지고 지반 내 간극수압이 변하게 된다. 이러한 변화는 포화 상태의 지반을 불포화 상태로 전환시켜 초기와는 다른 특성을 갖는 불포화토가 된다. 지하수가 유출되어 간극이 생기면 공기가 유입되며, 물과 공기 사이의 압력 차이로 인해 부의 간극수압을 갖는 모관흡수력이 발생하게 된다. 이는 지반의 유효응력을 증가시키고 지반침하를 유발한다. 지하수위 저하로 인한 지반침하는 1차원 압밀 이론을 기반으로 Eq. (1)을 통해 결정되며 지하수 저하로 인한 지표침하는 간극의 변화에 따른 체적변화가 큰 비중을 차지하게 된다.
여기서, Δe 는 간극비 변화량, e0 은 초기간극비, Hdd 는 지하수 저하 구간의 높이를 나타낸다.
3. 수치해석
3.1 해석 프로그램
터널의 설계 및 시공에서는 지반 및 지보재의 응력-변형률-시간 특성을 종합적으로 분석하는 것이 중요하며 이를 분석하기 위한 가장 효과적인 방법 중 하나는 수치해석이다. 본 연구에서는 탄성범위를 넘는 지반의 비선형 거동을 비교적 쉽고 정확하게 모델링 할 수 있는 2차원 유한차분해석 상용 프로그램인 FLAC-2D (Itasca, Ver. 4.0)를 사용하여 수치해석을 진행하였다. 본 수치해석 프로그램은 변위 증분의 크기를 에너지의 변화량으로 설정할 수 있고 응력이 존재하는 한 평형조건을 만족시킬 수 있으며 시간에 따른 터널의 굴착단계의 변위를 추정 가능하여 터널 굴착 단계별 터널의 거동을 평가가 가능하다(Itasca, 2005; Park et al., 2012; Djelloul et al., 2018).
3.2 지반조건
터널의 안정성 해석에 있어 가장 중요한 것은 현지 지반 특성의 반영이며 터널 설계의 경우 지반물성이 터널 주변지반의 거동에 미치는 영향은 매우 크기 때문에 합리적인 터널의 해석을 위해 해석에 사용되는 설계 정수 산정에 세심한 주의가 필요하다. Table 1은 현장조사와 실내시험을 통해 결정된 수치해석에 적용한 지반의 물성값 정보이다. 대상 터널이 위치한 경상북도 경주시 토함산 주변은 풍화에 취약한 계곡이나 저수지가 위치하여 화강암 4등급으로 가정하였다.
Soil Properties for Numerical Analysis
3.3 수치해석 단면 및 입력값
본 연구에서의 대상 병설터널 해석단면은 Fig. 4와 같이 터널의 직경(D)은 13 m로 설정하여 해석을 진행하였다. 또한, 터널 굴착 과정에 맞춘 해석을 위해 지보재의 물성치는 터널 안정성 해석(MOLIT, 2024)의 기준에 의거하여 숏크리트와 록볼트의 물성값을 Table 2와 같이 적용하였다.
(a) Cross Section and (b) Layout of Parallel Tunnels in Numerical Analysis
Properties of Shortcrete and Rockbolt
지하수위(H)와 필러폭(P) 그리고 측압을 변화시켜 수치해석을 진행하였으며, 그 설명은 다음 해석 및 경계조건 부분에 자세한 설명을 포함하였다.
3.4 해석조건
3.4.1 해석 및 경계조건
본 연구에서는 지하수위 변화에 따른 병설터널의 천단과 지표의 거동 변화를 분석하기 위해, Table 3과 같이 터널 사이의 필러폭(P)은 터널 직경의 2.5배까지, 지하수위는 터널 직경의 4배까지 터널 직경에 비례하여 변화시켜 적용하였다. 또한, 측압의 영향으로 인한 터널의 내공변위 변화를 파악하기 위해 측압계수를 0.5, 1.0, 1.5로 적용하여 수치해석을 진행하였다.
Numerical Program and Conditions
경계면의 위치 설정에 있어서는 터널의 직경뿐만 아니라 대상 지반의 물성도 고려해야 하며 지반의 강성이 작을수록 굴착에 따른 영향영역이 넓어지므로 경계면을 원거리에 설치함이 일반적이다. 따라서, 본 해석에서는 좌우 측벽 및 하부경계를 굴착 후에도 지반의 응력 및 변위 등의 결과가 일정하게 유지되도록 모델링 하였다. Table 4는 본 연구의 수치해석 경계조건을 나타낸 표이다. 경계조건은 측면의 측압을 고려해 수평 변위를 제한하였으며, 하부에서는 침하를 고려하여 수직 변위를 제한하였다. 하부의 양쪽 모서리 부분은 힌지로 설정하여 수직 및 수평 변위는 고정하고 회전만 가능하도록 설정하였다.
Boundary Conditions
3.4.2 하중분담률
지반은 깊이에 따라 응력이 증가하며, 터널 시공 시 아칭현상의 발생으로 응력이 분산되게 된다. 터널 시공 중 막장 근처에서는 3차원의 응력과 변형이 발생하게 되지만 지반강성은 굴착면에서 가까울수록 감소하여 완전히 굴착된 곳에는 없으므로 2차원 모형으로 단순화시켜 수치해석을 진행하였다. 그러나 지반강성은 굴착면 주변 지반에서는 존재하므로 굴착단계별로 하중 분담률을 고려하여 수치해석을 실시하였으며, 하중 분담률의 산정은 굴착방법과 초기 지압조건을 고려하여 이루어졌다. 굴착단계, 연성지보단계, 강성지보 단계에서의 작용하중 분담률을 산정하였으며, 계산된 하중 분담률을 Fig. 5에 제시된 바와 같이 수치해석에 적용하였다.
Construction Sequence and Load Distribution Ratio
4. 수치해석 결과 및 분석
터널 굴착 시 지하수 흐름에 따른 그 영향을 파악하고자 배수 흐름을 정상류와 부정류로 분류하여 해석하였다. 또한, 지하수위, 필러폭, 측압계수를 변화시켜 그 변화의 영향을 지표침하량, 천단침하량, 내공변위량을 평가하여 병설터널의 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 수치해석 결과에서 좌/우측 터널(T1, T2)의 평가값(e.g., 지표침하량, 천단침하량, 내공변위량)이 거의 일치하여 한쪽 터널(T1)의 결과만을 분석하였다.
4.1 지하수위 변화에 따른 침투력의 영향
터널 굴착 시 지하수 흐름 변화에 따른 터널의 거동 평가를 위해 터널 직경과 지하수위 비를 1부터 4까지 증가시켜 각 지하수 흐름의 침하량에 미치는 영향을 분석하였다. 터널 직경에 대한 지하수위 비율(H/D)별 평가 결과는 Fig. 6과 같다.
Results of Numerical Analysis according to the Variation of Groundwater Level
4.1.1 지표침하량
수치해석을 통해 지하수위의 변화에 따른 지표침하, 천단침하, 내공변위량 변화의 결과는 Fig. 6과 같다. 정상류 조건에서 지하수위가 증가할수록 지표침하량은 증가하였으며, 특히 측압계수가 0.5로 가장 작고 지하수위가 터널 직경보다 4배로 깊을 때 지표침하는 최대 18.87 mm까지 발생하였다. 필러폭이 증가할수록 지표침하량은 감소하는 경향을 보였으나, 측압계수가 0.5로 수평방향의 응력이 작고 지하수위가 터널 직경의 4배일 경우 필러폭의 변화에 따른 지표침하량 변화는 약 0.3%로 거의 존재하지 않는 것으로 나타나, 지하수위가 증가할수록 필러폭에 대한 침하량의 영향은 사라지는 것으로 확인되었다.
부정류 조건에서 역시 지하수위가 높아질수록 지표침하량이 증가하였으며, 필러폭이 증가할수록 지표침하량은 감소하였다. 지하수위가 없으면 필러폭이 증가할 때 지표침하량의 변화는 최대 약 23%였으나, 지하수위가 터널 직경의 4배로 깊을 때는 약 1.8%로 지하수위가 존재할 때 필러폭에 대한 지표면침하량의 변화는 감소하는 경향을 보였다. 이는 필러폭의 변화에 따른 지표침하량의 영향이 지하수위가 증가할수록 줄어드는 것을 의미한다. 정상류에서는 최대 침하량이 18.87 mm로, 부정류에서의 최대 침하량 11.23 mm보다 약 40.49% 더 큰 것으로 나타났다. 또한, 정상류에서는 지표침하량의 증가율이 부정류보다 더 높았으며, 필러폭 증가에 따른 지표침하량 감소율도 정상류에서 더 큰 경향을 보였다.
4.1.2 천단침하량
터널 천정부의 처짐의 정도를 나타내는 천단침하 역시 지표침하와 유사한 경향을 보였다. 정상류 조건에서 지하수위가 증가할수록 천단침하량이 증가하여 최대 21.51 mm까지 침하가 발생하였다. 필러폭이 증가하고 지하수위가 증가할수록 필러폭에 대한 영향은 감소하였으며, 지하수위비가 4일 때는 약 1.8%로 천단침하량의 변화가 거의 없었다. 이는 지표침하 변화와 유사하였으며, 필러폭이 증가할수록 침하량이 줄어드는 효과가 있음을 보여준다.
부정류 조건에서도 천단침하량은 지하수위가 증가할수록 침하량이 증가하였으며, 지하수위가 존재하지 않을 때와 최대일 경우 지하수위가 증가할수록 천단침하량이 최대 약 48.82% 증가하였다. 필러폭이 증가하면 천단침하량은 감소하였다. 지하수위가 없을 때 필러폭의 영향은 최대 약 8%의 천단침하량 변화를 보였으나 지하수위가 최대인 4배일 때는 약 2%로, 지하수위가 증가함에 따라 필러폭에 대한 영향은 감소하는 것으로 나타났다. 지하수 흐름에 따라 최대 천단침하량은 21.51 mm (정상류)와 15.64 mm (부정류)로 평가되었으며, 정상류 조건에서 천단침하량이 27.3% 더 증가하는 것을 알 수 있었다. 평가된 값을 바탕으로 지하수위와 필러폭은 지표침하량에 비해 천단침하량에 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
4.1.3 내공변위량
필러폭이 증가할수록 내공변위량은 근소하게 증가하였지만, 정상류 조건에서는 지하수위가 증가할 때 내공변위량은 최대 약 3% 증가하여 내공변위량은 지표침하량과 천단침하량에 비해 그 차이가 없었다. 부정류 조건에서는 내공변위량이 지하수위가 증가할수록 최대 15.1% 증가하는 것으로 나타났다. 측압계수가 1.5이고 지하수위가 없을 경우 필러폭 증가에 따른 내공변위량은 약 9% 증가하였고, 지하수위가 최대일 때 약 8% 증가하였다. 이는 내공변위량에서는 지하수위 증가에 필러폭의 변화가 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 보여준다. 정상류와 부정류에서의 최대 내공변위량은 각각 20.15 mm와 20.22 mm로 지하수 흐름에 따른 내공변위량의 차이는 없었다. 필러폭 증가에 따른 내공변위량 감소율은 비슷한 경향을 보였으나, 부정류에서의 감소율이 더 높았다.
4.2 측압계수 변화에 따른 침투력의 영향
터널 굴착 시 터널에 작용하는 측압에 대한 영향을 평가하고자 측압계수를 0.5, 1.0, 1.5로 설정하고 각 침하량에 미치는 영향을 분석하였다. 터널 직경에 대한 필러폭 비(P/D)별 평가값은 Fig. 7과 같다.
Results of Numerical Analysis according to the Coefficient of Lateral Earth Pressure
4.2.1 지표침하량
정상류 조건에서 K값에 따른 지표면 침하 분석 결과, 지하수위 비가 증가함에 따라 지표면 침하량이 큰 폭으로 증가하였다. K가 0.5이고 필러폭의 비가 1인 경우 침하량은 –7.83 mm에서 –18.79 mm로 증가하였으며, 이는 모든 필러폭의 비율에서 일관되게 나타나 필러 폭과 관계없이 지하수위가 증가할수록 더 큰 침하를 초래함을 나타낸다. K가 1.0인 경우에는 –6.69 mm에서 –17.19 mm로 증가하여 지하수위에 따른 침하량 증가율은 K가 0.5인 경우에 비해 약간 낮았으나 비슷한 경향을 보였다. K가 1.5일 때에는 상대적으로 낮은 침하 값을 보였지만, H/D가 높아질수록 동일하게 증가하는 추세를 보였다. P/D가 1일 때 값은 –5.98 mm에서 –16.27 mm로 증가하였다.
부정류 조건에서 K값에 따른 지표면 침하 분석 결과, 부정류 조건에서의 지표면 침하는 정상류 조건에 비해 일반적으로 낮았으나 여전히 지하수위의 높이가 증가함에 따라 증가하였으며, K가 0.5이고 P/D가 1인 경우 침하 값은 –6.01 mm에서 –11.91 mm로 증가하였다. 이 경향은 모든 P/D 비율에서 일관되게 나타났다. K가 1.0 및 1.5의 경우에도 H/D가 증가함에 따라 침하의 추세는 동일하였다.
4.2.2 천단침하량
정상류 조건에서 측압계수에 따른 천단침하량의 분석 결과, 정상류 조건에서 K = 0.5, 1.0, 및 1.5의 모든 값에 대해 H/D 값이 높아짐에 따라 천단침하량이 증가하였다. K가 0.5이고 P/D가 1인 경우 침하는 –13.78 mm에서 –21.51 mm로 증가하였다. 결과적으로 K가 증가할수록 천단침하량은 감소하는 경향을 보였다. 천단침하 분석 결과, 부정류 조건에서도 지표면 침하와 유사한 경향이 천단침하에서도 관찰되었으며, H/D값이 높아질수록 낮은 K값에서 침하가 증가하였다.
4.2.3 내공변위량
내공변위 평가 결과, 정상류 조건에서 측압계수가 0.5, 1.0, 및 1.5의 모든 값에서 H/D 비율이 증가함에 따라 내공변위는 꾸준히 증가하였다. K가 0.5이고 필러폭의 비가 1의 경우 변위는 3.25 mm에서 18.66 mm로 증가하였다. 내공변위는 K값이 높을수록 더 높아지며, 이는 측압계수가 높을수록 내부 압력이 증가하여 변위량이 증가함을 보여준다. 부정류에서의 내공변위 분석 결과, 부정류 조건에서도 변위가 약간 낮았으나 지하수위비가 증가함에 따라 동일한 증가 추세를 보였다. K = 0.5 및 P/D = 1의 경우 변위는 3.04 mm에서 18.69 mm로 증가하였다.
5. 결 론
본 연구에서는 지하수 흐름에 따른 병설터널 굴착 시 지하수위와 주변 조건의 변화가 터널의 거동에 미치는 영향을 수치해석적으로 평가하였다. 수치해석 결과, 1) 지하수위, 2) 필러폭, 3) 측압계수의 변화에 따른 지반의 지표침하량, 천단침하량, 내공변위를 평가할 수 있었으며, 평가 결과를 통하여 아래와 같은 결론을 도출하였다.
(1) 터널 굴착 시 지하수위 변화의 영향은 지하수 흐름(정상류와 부정류)에 상관없이 수위가 증가함에 따라 지표침하량과 천단침하량이 큰 폭으로 증가하여 지하수위의 변화가 터널 거동에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 정상류에서 그 영향이 크게 나타났다.
(2) 터널의 안정성에 큰 영향을 미치는 필러폭에 대한 영향은 정상류와 부정류에서 필러폭이 증가할수록 지표침하량과 천단침하량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 구조적으로 필러폭이 증가하면 필러 주변 지반의 하중을 더욱 효과적으로 지지하여 침하량을 줄이는 효과가 있는 반면, 내공변위량은 크게 증가하게 된다. 이에 따라 필러폭 결정 시 주변 지반의 압축성과 투수성의 변화뿐만 아니라 내공변위량의 변화를 고려한 적정 필러폭을 선택이 필요한 것으로 판단된다.
(3) 측압계수 변화에 따른 영향은 지표침하량과 천단침하량에 큰 영향이 관찰되지 않은 반면, 측압계수가 증가함에 따라 내공변위는 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 측압계수의 증가가 터널 내 응력을 증가시켜 내공변위에 영향을 유발하는 것으로 판단된다.
(4) 부정류 조건보다 정상류 조건에서 천단침하량과 지표침하량에 큰 영향이 미치는 것으로 평가되었지만, 내공변위량에는 큰 영향을 미치지 않았다. 정상류 조건에서는 터널 굴착으로 인한 지반의 응력 재분포와 변형이 시간에 따라 안정화되고, 지반의 거동이 일정하게 유지됨에 따라 천단침하량과 지표침하량이 더 명확하고 크게 나타난 것으로 판단된다. 반면, 부정류 조건에서는 지반의 거동이 시간에 따라 계속 변화하며, 지하수 흐름과 지반 강도의 변동성으로 인해 침하량 예측이 어려워져 정상류 조건에서 천단침하량과 지표침하량이 더 크게 영향을 미치는 것으로 판단된다.