KDS 설계기준 47 10 70 터널

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철도 터널 구조물 설계 기준

1. 일반사항

(1) 목적

• 철도 분야 터널 구조물의 설계, 시공, 유지관리 단계에 필요한 사항을 기술하여 안정성, 사용성, 내구성 확보를 목적으로 한다.

(2) 적용범위

• 지반을 개착하지 않고 굴착하여 시공하는 철도 터널 공사의 계획, 설계에 대한 기준이다.
• 이 기준에서 규정하지 않는 사항은 KDS 27 00 00을 따른다.

(3) 참고 기준

• 관계법령:
  • 철도의 건설 및 철도시설 유지관리에 관한 법률
  • 철도사업법
  • 철도안전법
  • 시설물 안전관리에 관한 특별법
• 참고 기준: 철도시설의 기술기준

2. 조사 및 계획

(1) 조사

• 조사 일반: 터널의 노선 선정, 설계, 시공, 유지관리에 필요한 기초자료를 얻기 위해 실시하며, KDS 47 10 15(5) 및 KDS 11 10 10을 따른다.
• 환경 조사: 터널 건설에 영향을 미치는 관련 환경, 법규, 기타 사항을 조사하며, KDS 47 10 15(5)를 따른다.
• 지장물 조사: KDS 47 10 15(5)를 따른다.
• 공동 또는 지반 함몰 조사:
  • 터널 계획 시 지하 공동 및 지반 함몰 유무, 규모, 상태, 발생 원인 등을 확인한다.
  • 터널 시공 시 용출수 및 지하수위 측정을 통해 주변 지하수 변동을 파악한다.
  • 터널 시공으로 인해 영향을 받을 수 있는 범위를 선정하고, 해당 범위 내 근접 구조물, 지하 매설물 등의 관리 주체, 관리 대장, 노후도, 장래 확장 계획 등을 조사한다.
  • 누수로 인한 지반 함몰이 예상되는 경우 상세 조사를 실시하여 설계 기초 자료로 활용한다.

(2) 계획

• 종단 선형 계획:
  • 터널 기울기는 자연 배수가 가능하도록 3‰ 이상으로 계획하며, 설계 속도에 따라 철도 건설 규칙에 규정된 설계 속도에서 정하는 기울기 이하가 되도록 계획한다.
• 내공 단면 계획:
  • 내공 단면은 터널 목적 및 기능에 따른 건축 한계(시설 한계)와 평면 선형이 곡선인 구간은 캔트에 의한 차량 경사량과 슬랙량을 더하여 확대한다.
  • 측량(궤도) 중심으로부터 구축 중심 이격 거리를 설정하고, 터널 내 신호, 통신 등 설비의 시설 공간, 유지관리에 필요한 여유 폭, 보도 등을 고려하여 결정한다.
  • 시공 중 터널 변형 등 시공 오차에 대한 여유를 예상하여 결정한다.
  • 정거장 전후 구간 또는 지하 터널식 정거장일 경우 기능과 목적에 부합하도록 종합적인 검토를 통해 안정성, 시공성, 경제성, 유지관리성 등을 고려하여 계획한다.
  • 열차의 고속 주행으로 인한 공기 저항, 공기압 변화, 차량 밀폐도, 승차감, 미기압파의 영향 등을 고려한다.
• 터널 길이에 따른 단면 계획:
  • 본선 터널 길이가 15 km 이상인 경우 방재 요구 조건이 미흡하다고 판단되면 해당 터널 특성에 적합한 별도의 대책을 수립한다.
  • 장대 터널과 초장대 터널은 열차가 터널 내부에서 오랜 시간 운행되므로 승객의 쾌적성, 안전성, 비상시 대피, 터널 유지보수 등을 검토하고 취약한 부분의 성능이 개선될 수 있도록 관련 구조물이나 설비를 설계에 반영한다.
• 환기 계획: KDS 27 60 00 (4.1.3)을 따른다.
• 방재 시설: KDS 27 60 00 (4.3.3)을 따른다.

3. 재료

• 내용 없음

4. 설계

(1) 설계의 기본 방향

• 터널 설계는 단면에 따라 단선 터널, 복선 터널, 대단면 터널 등으로 구분하며, 전철화를 고려하여 설계한다.

(2) 터널 라이닝

• 터널 라이닝의 형상 및 두께: 콘크리트 라이닝의 두께는 소단면 철도 터널을 기준으로 300 mm를 표준으로 하며, 단면 크기, 형상, 지반 조건 등 현장 여건을 감안하여 증감할 수 있다.

(3) 단면 확폭부 및 접속부

• 터널 단면 확폭부 설계 방안:

  • 단선 터널과 복선 터널 기본 단면에서 대피소, 신호기, 전철기, 변압기, 터널 내 교행역 설비 등을 계획해야 하는 경우 단면이 크고 복잡하며 특수한 형상이 되므로 그 기능, 목적, 지반 조건을 고려하여 다음 경우의 터널과 주변 지반의 안정을 확보할 수 있도록 설계한다.
  • 터널 단면을 확폭해야 하는 경우:
    • 단선 터널 내 교행역이나 대피역 등의 시설로 확대 확폭하는 구간
    • 터널 내 분기기 설치로 확폭하는 구간
    • 터널이 평면 선형상 곡선부에 위치하여 건축 한계(시설 한계) 폭을 확폭하는 경우
    • 터널 내 환기 설비 설치로 확폭하는 구간
    • 터널 내 본선이 단선 병렬에서 복선으로 또는 복선에서 단선 병렬로 선로 간격이 변화되는 구간
    • 대피소, 신호기, 전철기, 변압기 등 시설의 설치로 단면 확폭이 필요한 구간

• 접속부 설계:

  • 접속부는 교행역, 대피역, 분기기 설치 개소 등이 해당된다.
  • 교행 대피역이나 분기기 설치 개소는 터널 단면들이 여러 형태이므로 안정성을 검토하여 설계한다.
  • 교행 대피역이나 분기기의 구조 및 형상은 안정성이 확보되도록 계획하며, 지반 조건이 불량한 위치에 계획된 경우 별도의 상세한 지반 조사를 시행하고 필요 시 3차원 해석 등을 통해 안정성을 검토한다.

(4) 연직갱 및 경사갱

• 설계 일반:

  • 차량의 터널 진입 시 발생하는 공기압 증가에 따른 이명감 및 공기 저항 증가 등을 해소하기 위해 연직갱 또는 경사갱을 설계할 경우 사전에 필요한 조사 및 검토를 실시한다.

• 연직갱 설계:

  • 연직갱의 단면을 결정할 때에는 다음 사항을 고려한다.
    • 공기압 저감을 위해 설계하는 연직갱의 단면은 본선 터널의 단면, 열차 속도 등 관련 사항을 고려하여 결정한다.
    • 환기용 연직갱은 본선 터널 내의 소요 환기량을 확보할 수 있는 단면적 이상이어야 하며, 연직갱의 단면은 연직갱 내 풍속이 20 m/sec 이하가 되도록 결정한다.

(5) TBM 터널

• 계획:

  • 선형: TBM 터널의 경우 궤도가 중요시되므로 TBM 굴진 오차를 감안하여 선로 중심 확인 측량을 계획한다.
  • 종단 기울기: 종단 기울기는 터널 정거장처럼 부득이한 경우를 제외하고는 TBM 장비의 굴진 효율 향상과 시공 중 및 운영 중 용출수를 자연 유하시킬 수 있도록 3‰ 이상의 오르막을 원칙으로 하되, 현장 조건에 따라 조정할 수 있다. 작업구 조건이나 지장물의 제약으로 종단 기울기가 20‰를 초과하는 경우에는 배수, TBM의 추진, 시공 중의 버력 및 재료의 운반 등 작업 능률 저하와 안전을 고려한다.
  • 내공 단면:
    • TBM 터널의 내공 단면 크기와 형태를 계획할 때에는 철도 건설 규칙 건축 한계(시설 한계)를 고려하여 계획한다.
    • TBM 터널의 내공 단면 크기는 단선 터널과 복선 터널의 경우, 건축 한계(시설 한계), 유지보수 관리용 통로, 환기 설비, 전기 및 신호, 통신 등의 케이블과 변압기 설비, 배수 설비, 재해 대책, 향후 전철화 계획 등을 고려하여 계획한다.
    • 곡선부에서의 내공 단면은 철도 건설 규칙 건축 한계(시설 한계) 규정 내용을 고려하여 계획한다.
    • TBM 터널 내공 단면 형태는 원형이므로 철도 단선 터널이나 복선 터널에서 인버트부의 여유 공간에 배수로, 대피 시설 등 부대 설비를 계획할 수 있다.

• 세그먼트 설계:

  • 세그먼트 라이닝의 구조 해석: 세그먼트 라이닝에 걸리는 하중 산정 시에는 추진 잭의 추력, 연직 및 수평 지반압, 수압, 자중, 상재 하중의 영향, 지반 반력, 내부 하중, 시공 시 하중, 병설 터널의 영향, 지반 침하의 영향 등을 고려하며, 특히 철도 운행 진동(반복 진동)에 견딜 수 있도록 설계한다.

• 방수 설계:

  • 방수 방법의 선정: 세그먼트 라이닝은 지하수압에 견딜 수 있고 방수가 될 수 있도록 세그먼트 사이의 이음부, 뒤채움 주입구 등에 방수 설계를 해야 한다. 방수 방법의 선정 시에는 쉴드 TBM 터널의 사용 목적과 작업 환경에 적합한 방법을 선정한다. 방수는 실(Seal), 코킹, 볼트 등이 있으며, 사용 목적과 현장 여건에 부합하도록 한 가지 또는 여러 가지의 방법을 조합하여 설계할 수 있다.
  • 방수 재료 및 특성: 실(Seal) 재는 합성 고무계, 복합 고무계, 수팽창 고무계 등이 있으며, 현장 조건을 고려하여 수밀성, 내구성, 압착성, 복원성, 시공성 등이 우수한 재료를 선택하여 설계한다. 코킹 재는 에폭시, 치오클계, 요소 수지계 등의 재료가 있으며, 현장 조건을 고려하여 적합한 재료를 설계한다.

(6) 환기 설비

• 설계 일반:

  • 터널을 통과하는 차량 열차에 의해서 발생하는 오염 물질 및 발생 열을 처리하여 공기질 및 열 환경을 유지할 수 있도록 환기 설비를 계획한다.
  • 환기 설비는 터널 제원과 통과 열차의 특성을 고려하여 소요 환기량을 검토하고 자연 환기가 불가능한 경우에 설치한다.
  • 환기 설비는 터널 화재 시 제연 또는 배연 설비를 겸할 수 있으며, 환기 설비 계획 시에는 이를 고려하여 계획한다.
  • 이 기준에 기재되지 않은 사항은 KDS 27 60 00에 따라 설계한다.

• 환기 설계: KDS 27 60 00 (4.1.3)을 따른다.

(7) 조명 설비

• KDS 27 60 00 (4.2.3)을 따른다.

(8) 방재 설비

• KDS 27 60 00 (4.3.3)을 따른다.

(9) 개착 터널

• 설계 일반:

  • 개착 터널은 갱구부와 갱문 사이 및 터널 중간 계곡부의 개착 부분이나 터널과 터널 사이의 거리가 가까워 하나의 터널로 연결하기 위해 지반을 굴착하고 구조물을 설치한 후 다시 되메우기 하는 터널을 말한다.
  • 설계 시 지형, 지질 조건, 지하수 조건 및 기상 등의 자연 조건과 민가, 구조물의 유무 등의 사회적 조건, 경사의 안정, 편토 압, 기상 재해의 가능성 및 주변 경관과의 조화 등을 고려한다.
  • 개착 터널부는 특별한 경우를 제외하고는 콘크리트 지중 구조물 설계에 준하여 설계한다. (KDS 47 10 40 지하 구조물 참조)
  • 개착 터널의 종류는 크게 설치 위치, 사용 용도, 구조물 형태에 따라 다음과 같이 구별할 수 있다.
    • 설치 위치:
      • 돌출형 갱문에서의 개착 터널
      • 면벽형 갱문에서의 개착 터널
      • 계곡부 통과 시 개착 터널
    • 사용 용도:
      • 피암용 개착 터널
      • 환경 생태용 개착 터널
    • 구조물 형태:
      • 마제형 개착 터널
      • 박스 컬버트형 개착 터널
  • 돌출형 갱문에서의 개착 터널: 터널 본체와 동일 이상의 내공 단면을 갖는 형상으로 터널 갱구부에 연속해서 만들어지며, 완성 후에 성토에 의한 상재 하중, 토압, 기타 하중(적설 하중 등)을 고려해서 단면력, 지반의 지지력에 대하여 설계한다.
  • 면벽형 갱문에서의 개착 터널: 구조상 터널 본체에서 독립하여 외력에 저항하는 입체적 형상이므로 갱문 뒷면의 되메우기 흙에 대한 하중과 주동 토압이 작용했을 때 구조적으로 안정해야 한다.
  • 계곡부 통과 시 터널: 상부 토피고가 낮으면 터널 굴착에 따른 붕괴의 우려가 있어 누수가 발생될 소지가 있으므로 누수 방지 대책과 개착 터널 상부의 세굴 방지 대책을 수립한다.
  • 피암용 개착 터널: 낙석 또는 비탈면 급경사에 의해 도로, 택지, 철도 등의 이격부에 여유가 없거나 낙석의 규모가 커서 낙석 방지 울타리, 낙석 방지 옹벽 등으로는 안전을 기대하기 어려운 경우에 설치할 수 있다.
  • 환경 생태 터널: 철도 건설로 단절된 지형을 복원하여 자연 생물의 이동과 번식을 유도하기 위해 설치하는 개착 터널로서 이용 동물의 종류와 이동 경로를 파악하여 적정한 형식을 선정한다.

• 단면 설계:

  • 개착 터널은 터널 본체와 동일 이상의 내공 단면으로 연속해서 설치해야 하며 완성 후의 쌓기에 대한 상재 하중, 토압 등의 하중을 고려한다. 또한, 개착 터널에 작용하는 단면력, 지반의 지지력을 계산하여 적정 단면을 선정한다.
  • 개착 터널은 온도 변화, 건조 수축, 지진의 영향 등을 받기 쉽기 때문에 필요에 따라 이를 고려하여 설계한다.

• 적용 하중:

  • 개착 터널의 설계 시에는 터널 외부에서 작용하는 하중, 자중, 터널 내부의 하중 및 이에 의해 생기는 지반 반력을 고려한다.
  • 개착 터널의 적용 하중은 KDS 47 10 40 (4.2.2)을 따른다.

• 구조 해석:

  • 개착 터널의 구조 공학적 해석은 KDS 47 10 40을 따른다.
  • 개착 터널의 내진 설계는 KDS 47 10 15 (4.3)을 따른다.
  • 개착 터널의 부재 안정 검토는 KDS 14 20 00의 해당 사항을 따른다.

• 접합부 및 되메움 세부 사항:

  • 갱문 구조물과 본선 터널, 개착 터널과 본선 터널이 접합하는 개소는 양 구조간 거동 차이에 따라 접합부는 분리 구조로 하고 조인트를 설치하여 구조물 손상을 방지한다.
  • 접합부의 구조물 계획 시 누수 및 부등 침하에 대한 대책을 사전에 수립한다.
  • 개착 터널부의 되메움 시에는 구조물에 가해지는 수압을 감소시키고 배면 용출수를 원활히 배수하기 위하여 양 측면에 유공관을 매설하고 유공관이 막히지 않도록 대책을 수립한다.

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