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하천수로터널 설계 기준
1. 일반사항
1.1 목적
본 기준은 하천수로터널 설계를 위한 제반 요소를 제공하는 것을 목적으로 한다.
1.2 적용 범위
본 기준은 수로 기능을 갖는 하천수로터널 설계에 필요한 기준을 제시한다.
1.3 참고 기준
본 기준 적용 시 다음과 같은 관련 기준을 고려해야 한다.
- KDS 51 17 00 하천내진 설계
- KDS 27 10 05 터널설계 개요
- KDS 27 20 00 터널굴착
- KDS 27 25 00 TBM
- KDS 27 30 00 터널지보재
- KDS 27 40 05 현장타설 라이닝
- KDS 27 40 10 세그먼트 라이닝
- KDS 27 60 00 터널환기, 조명, 방재설비
1.4 용어 정의
- 자유수면터널: 계획 유량이 자유수면을 가지고 흘러 내수압이 작용하지 않는 터널, 무압터널이라고도 함.
- 압력터널: 계획 유량이 만류되어 내수압이 작용하는 터널.
- 터널지보재: 터널 공사에서 굴착 후 라이닝 시까지 지반압 등의 하중을 지지하여 굴착 단면을 안전하게 유지하기 위한 가설 공작물.
- 숏크리트: 시멘트, 골재, 물, 급결재 등의 재료를 압축공기에 의해 원지반에 고속분사하여 거푸집 없이 시공하는 콘크리트.
- 록볼트: 암반 굴착 후 이완된 암반층과 심부의 암반층을 볼트로 연결하여 지반의 지내력을 증가시키는 공법에 사용되는 볼트.
- 라이닝: 터널 내부 단면과 원지반 또는 터널 내부 단면과 지보재 사이를 무근콘크리트, 철근콘크리트, 숏크리트 및 철관 등으로 시공하는 것.
- 그라우팅: 라이닝에 대하여 지반압을 균등히 분포시키기 위해 라이닝 뒷면과 원지반 사이의 공극을 모르타르 등을 사용하여 채우는 것.
- 수격압: 관로 안의 물의 운동 상태를 급격히 변화시킴으로써 일어나는 수격작용으로 인해 관로에 발생하는 상승압력.
- 공동현상: 유체 속에서 압력이 낮은 곳이 생기면 물 속에 포함된 기체가 물에서 빠져나와 압력이 낮은 곳에 모이는데, 이로 인해 물이 없는 빈 공간이 생기는 현상.
1.5 기호 정의
(내용 없음)
1.6 시설물 구성
1.6.1 종류
- 하천수로터널은 용도별로 각종 용수공급용, 침수방지용, 홍수조절용 등으로 구분된다.
- 수리학적으로 자유수면터널과 압력터널로 분류되며, 지반공학적으로는 암반터널과 토사터널로 분류된다.
1.6.2 구조
- 하천수로터널은 유입부, 유출부, 터널 본체로 구성된다.
2. 조사 및 계획
2.1 조사
(내용 없음)
2.2 계획
2.2.1 터널 분류
- 하천수로터널은 물이 평상시 흐르거나 홍수 시 일시적으로 흐르는 것을 기본으로 한다.
2.2.2 계획의 기본 방향
- 하천수로터널은 터널 내부로 물이 통과되거나 저장되므로 수리 특성을 고려한 설계가 필요하다.
- 주변 환경, 지질 조건 등을 정확히 파악하여 필요한 기능을 확보하고 안전하고 경제적인 시설이 되도록 설계해야 한다.
2.2.3 노선 조사
- 가능한 한 지형 및 지질 조건이 양호한 지반을 통과하도록 노선을 선정한다. 특히 지질 경계가 터널 노선 부근에 있는 경우 주의해야 한다.
- 터널 상부 흙의 최소 두께는 터널의 구조적 안전 영역 확보를 위해 충분해야 하며, 기존 구조물에 근접하여 터널을 설치할 경우 상호 영향을 고려하여 안전상 지장이 없도록 충분히 이격시켜야 한다.
- 선형 계획은 수로의 효율성뿐만 아니라 시공성 및 경제성을 감안하여 가능한 최단거리가 되도록 노선을 선정한다.
- 수리학적으로 곡선부의 곡률 반경은 가급적 큰 반경을 적용하되, 적어도 터널 직경의 10배 이상으로 하는 것이 좋다.
2.2.4 갱구 위치
- 갱구 위치는 산사태 우려가 있는 곳은 피하는 것을 원칙으로 하며, 갱구 근방은 토피가 얇고 강도가 약한 풍화암을 굴착할 때가 많으므로 지반압이 크게 작용하거나 사면 지층이 갱구를 향하는 지반이 되어 있을 경우 엄밀히 분석한 후 결정해야 한다.
- 저습지나 계곡에는 용출수가 많고 강우의 영향을 직접 받기 쉽다. 이러한 곳에서는 호우 때 물이 집중되어 토사가 흘러 갱구를 메우는 경우가 있고 적설지대에서는 눈사태의 위험도 있으므로 저습지나 계곡에는 갱구 설치를 피해야 한다.
- 터널 공사로 인한 갱구 부근의 소음이나 진동이 주변 환경에 악영향을 미치지 않는 곳을 선정해야 한다.
2.2.5 터널 최소 토피 두께
- 하천수로터널은 굴착 시 및 운용 시 안전성 확보를 위해 최소 토피 이상의 두께가 필요하며, 다음 표를 표준으로 한다.
| 구분 | 암반터널 | 토사터널 |
|—|—|—|
| 모르타르 또는 숏크리트 | – | – |
| 무근콘크리트(지보재 없음) | – | – |
| 무근콘크리트 단면(지보재 있음) | – | – |
| 철근콘크리트 단면(지보재 있음) | – | – |
- 터널의 최소 토피 두께는 지질 조건, 현장타설 라이닝의 유무 및 재질에 따라 달라지며, 압력터널에서는 수리구조적 안전성이 확보될 수 있도록 설계해야 한다.
2.2.6 터널 경사 및 단면형
- 터널 경사는 터널 목적 및 기능에 따라 계획 통수량을 우선하여 결정하되, 내공 단면과 수압, 수격압, 유속의 상관관계 및 시공성 (버럭 등의 운반 장비의 운항성, 환기, 지하수 및 굴착용수의 배수 조건 등)을 고려하여 결정한다.
- 터널 유입부와 유출부의 표고차가 클 경우 하류부 수로 흐름이 급격한 변화가 발생하므로 수로 내 흐름 안정화를 위한 시설을 계획해야 한다.
2.2.7 최소 시공 단면
- 하천수로터널은 사용 수량 및 장래의 증설 계획을 고려하여 내공 단면을 결정한다. 이때 내공 단면은 계획된 단면을 기준으로 하여 터널지보재의 총 두께, 현장타설 라이닝의 두께 및 허용 오차를 고려한다.
- 하천수로터널의 최소 단면은 통과하는 지반의 조건, 사용 수량, 시공 상의 제약 등에 의해 결정되며, 이 중 시공 상의 조건에 가장 크게 영향을 받는다.
3. 재료
(내용 없음)
4. 설계
4.1 일반사항
- 터널의 수리 설계에 있어서는 설계 유량 외에 최다빈도 유량, 최소 유량 및 터널 시설에 지장을 미친다고 생각되는 유량 등을 검토해야 한다.
4.1.1 설계 유량
- 하천수로터널의 설계 유량은 터널 용도상의 분류에 따라 원칙적으로 계획하되, 배분되는 계획 유량의 130% 이상을 통수시킬 수 있는 규모로 한다.
4.1.2 허용 유속
- 하천수로터널에서 허용 유속의 최대한도는 터널 벽면의 마모를 방지할 수 있는 범위에서 결정되어야 하며, 터널 벽체의 재질에 따라 다르게 적용해야 한다.
- 허용 유속의 최소한도는 유사가 가라앉지 않는 터널을 통과하는 유수의 토사 혼입 정도를 추정하여 유송되는 토사의 한계 소류력을 초과하는 유속으로 한다.
4.1.3 여유고
- 개수로 흐름의 터널 통수 단면은 수리 상의 안정성을 확보하기 위해 설계 유량에 대응하는 설계 수면 상에 여유고를 더하여 결정하며, 다음의 두 가지 식으로 계산한 값 중 큰 것으로 정한다.
“`
식(4.1-1)
h = H – h0 – 0.15
여기서,
h: 설계 유량에 대한 수심 (m)
H: 터널의 높이 (m)
h0: 설계 유량에 대한 수심 (m), 단 h0 < 0.15 (m)
“`
또는,
“`
식(4.1-2)
h = H – h1
여기서,
h1: 설계 유량의 130% 유량에 대한 수심 (m)
H: 터널의 높이 (m)
“`
4.1.4 수리 특성
- 압력터널에서 수격작용으로 인한 수격압은 내압으로 작용하므로 설계 시 수격압을 검토해야 한다.
- 하천 수로터널 내부에서의 유속 증가와 압력의 감속은 공동 현상의 원인이 되므로 공동 현상의 발생을 억제시키는 대책을 검토해야 한다.
4.2 터널 지보재
4.2.1 터널지보재의 종류
- 일반적으로 터널지보재는 강지보재, 록볼트, 숏크리트, 철망 등으로 구성되어 있는 주지보재와 굴착의 용이성 및 안정성 증진을 목적으로 주지보재에 추가하여 시공하는 보조지보재로 구분하여 설계해야 한다.
- 터널지보재의 설계에 있어서는 지반의 분류 등급과 해당 터널지보재의 선정에 대한 기준을 제시함으로써 시공 시 실제 지반 조건이 설계 시 예측 조건과 상이할 경우 적합한 터널지보재로 변경할 수 있도록 해야 한다.
4.2.2 터널지보재의 설치
- 터널지보재는 지반압에 저항할 수 있는 구조로 공사진행 상 편리하고 경제적인 양식으로 가설에 특별한 주의를 기울여야 한다.
- 지질이 양호한 암반인 경우에는 터널지보재가 필요하지 않을 수도 있으며, 연약한 암반의 경우에는 터널지보재의 간격을 좁게 하고 버팀대나 흙막이판 등을 설치하여 암석이 떨어지는 것을 방지해야 한다.
4.3 현장타설 라이닝과 그라우팅
4.3.1 현장타설 라이닝
- 현장타설 라이닝은 터널지보재와 함께 지압, 수압, 그 밖의 외력에 대항하여 오랫동안 소정의 단면 형상을 유지하고, 터널 내외면 간의 통수 방지, 터널 내면의 조도를 감소시켜 가능한 한 단면의 축소 혹은 수두 손실의 경감 도모 등의 기능을 가져야 한다.
- 굴착 후 암반의 강도가 크고 굴착면이 매끄럽고 견고할 경우에는 현장타설 라이닝을 하지 않을 수 있다.
- 현장타설 라이닝에는 숏크리트, 무근 콘크리트, 철근 콘크리트, 철관 등이 있는데, 지질 조건, 시공법, 경제성 및 장래의 유지 관리 등을 종합 판단하여 결정한다.
- 일반적으로 하천수로터널은 콘크리트 라이닝에 철근 보강의 유무에 관계없이 내·외수압의 차이에 따라 터널 내·외부로 물이 통수된다고 가정하나, 통수가 허용되지 않는 조건에서는 철관 라이닝 또는 완전 수밀성의 철근콘크리트 라이닝을 설치해야 한다.
- 현장타설 라이닝의 두께는 터널 단면의 크기와 형상, 지반 조건, 작용 하중, 사용 재료, 시공법 등을 고려하여 결정해야 한다.
- 압력 수로터널은 통수와 배수의 운영 과정에서 내수압의 작용이 반복되기 때문에 내·외 수압의 차이에 따른 수리구조적인 검토가 필요하다. 수리구조적인 검토에서는 내수압이 외수압보다 큰 경우 누수에 대한 검토와 토피 구속 조건에 대한 검토를, 외수압이 내수압보다 큰 경우 배수공 설치 및 외수압 하중 등에 대한 검토를 수행해야 한다.
4.3.2 그라우팅
- 그라우팅은 지압을 균등히 분포시켜 편압의 발생을 방지하고, 부분적으로 발생하는 현장타설 라이닝의 아치부 콘크리트의 공극에 침투하여 고결 강화하여 현장타설 라이닝의 질적 향상을 도모하며, 원지반으로부터의 용출수를 방지하여 콘크리트 라이닝의 내구성을 높이는 등의 기능을 가져야 한다.
- 자유수면 터널에서는 일반적으로 저압 그라우팅을, 압력터널에서는 주로 고압 그라우팅을 실시하는 것을 원칙으로 한다.
- 뒷채움 그라우팅은 라이닝 후면과 암반 사이의 공극을 채우기 위해 시행되어야 한다.
4.4 하천수로터널 안정성 해석
4.4.1 해석 일반
- 해석 시에는 지형 및 지반 조건, 지하수 조건, 수로터널의 형상 및 위치, 시공 방법 및 하천 수로터널 주변 지반의 지보 특성을 고려해야 한다.
- 해석 기법은 2차원, 3차원 해석 방법을 여건에 따라 결정하여 수행한다. 2차원 해석을 실시할 경우에는 3차원적 실제 지반 거동을 고려해야 한다.
4.4.2 결과의 평가
- 해석은 터널의 안정성 평가, 유사 터널의 계측 결과와 검증 평가, 인접 구조물과 상호 영향 평가 등을 거쳐 설계에 반영한다.
- 터널은 굴착의 각 단계에 대한 각 지반 요소 및 터널지보재의 변위, 응력, 파괴 접근도 등의 해석 결과를 검토하여 구조적인 안정성을 평가한다.
- 해석 결과는 유사한 터널의 응력 및 내공 변위, 지표 침하, 지중 변위 등의 계측 결과와 비교ㆍ검증하여 평가한다.
4.5 기타 설계
4.5.1 굴착 설계
- 원지반이 본래 갖고 있는 지지력을 최대로 보존할 수 있는 굴착 방식을 채택해야 한다.
- 굴착 방식은 인력(소형 기구 이용), 기계 및 발파에 의한 굴착으로 나눌 수 있으며, 지반 조건, 지하수 유입의 상태, 경제성 등을 고려하여 가장 적합한 방법을 선정해야 한다.
- 인력(소형 기구 이용) 굴착은 주변 여건상 발파가 곤란하거나 지반이 연약한 소단면 굴착에만 적용한다.
4.5.2 부대 시설 설계
- 부대 시설로서 배수 시설, 안전 시설, 계측 설비, 유지 관리 시설 등의 설치를 고려해야 한다.
- 배수 시설: 유지 관리 상 단수하여 수로터널을 빈 상태로 만드는 경우를 고려하여 배수조, 배수구 등을 설치한다.
- 안전 시설: 터널 출입구에는 유지 관리 상의 안전을 위해 사다리, 가드레일, 울타리 등을 설치한다.
- 계측 설비: 시공 중 혹은 시공 후의 내공 변위, 터널 천정의 침하 등을 계측하기 위한 설비를 설치한다.
- 하천수로터널의 본선 길이가 15 km 이상일 경우 운영 중 필요한 유지 관리 시설을 검토하고 설계에 반영한다.
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