KDS 설계기준 273000 터널 지보재

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터널 지보재 설계 기준

1. 일반사항

1.1 목적

• 본 기준은 터널 지보재 설계를 위한 기준을 제시합니다.

1.2 적용 범위

• 본 기준은 터널 지보재로 사용되는 강지보재, 숏크리트 및 록볼트의 설계에 적용됩니다.

1.3 참고 기준

• 관련 법규: KDS 27 10 05
• 관련 기준: KDS 27 10 05

1.4 용어의 정의

• 본 기준의 용어 정의는 KDS 27 10 05를 따릅니다.

1.5 기호의 정의

• 내용 없음

2. 조사 및 계획

2.1 조사 및 계획 일반

• 본 기준의 조사 및 계획 일반은 KDS 27 10 10(2.1)를 따릅니다.

2.2 조사

• 본 기준의 조사는 KDS 27 10 10(2.2)를 따릅니다.

2.3 계획

• 본 기준의 계획은 KDS 27 10 10(2.3)을 따릅니다.

3. 재료

3.1 재료 일반

3.1.1 강지보재

• 강지보재 단면은 설치 후 숏크리트 타설이 용이하고 일체화되기 쉬운 형상을 가져야 합니다.
• H형강, U형강, 격자지보 등을 적용해야 합니다.
• 치수는 작용하중 외에 숏크리트 두께, 최소 덮개, 굴착 공법, 굴착 방법 등을 고려하여 결정합니다.
• 좌굴, 비틀림, 국부적인 하중에 대한 저항성이 크고 시공 능률을 높일 수 있는 것을 적용해야 합니다.

3.1.2 숏크리트

• 설계 시 고려 사항:
  • 설계 목적에 적합한 조기 강도 및 장기 강도
  • 지반 강도와 지보재 기능
  • 배합 재료의 품질 및 조달 용이도
  • 시공성 및 숏크리트 타설 작업 숙련도
• 건식 및 습식으로 구분하며, 필요에 따라 강섬유 등을 혼합하여 사용할 수 있습니다.
• 박리 가능성이 있거나 인성을 향상시키기 위해 철망을 사용할 수 있습니다.
  • 강섬유 혼합 시 철망은 생략 가능합니다.

3.1.3 록볼트

• 재질과 형상은 소요 강도 이상을 갖는 이형봉강으로 제작하는 것을 원칙으로 합니다.
  • 강관, 팽창성 강관, 케이블볼트, 섬유강화 복합재료 등도 사용 가능하며, 재질의 적정성을 검토해야 합니다.
• 재질은 원지반 조건 및 사용 목적을 고려하여 결정하며, 영구 지보재는 장기 내구성이 우수해야 합니다.
• 막장면 록볼트와 같이 제거가 필요한 경우에는 용이하게 제거할 수 있는 재질을 사용할 수 있습니다.

3.2 재료 특성

3.2.1 강지보재

• 연성이 크고 휨, 용접 등의 가공성이 양호해야 합니다.
• H형강, U형강은 KS D 3503에 규정된 SS275를 표준으로 하며 동등 이상의 성능을 발휘하는 구조용 강재를 사용해야 합니다.
• 격자지보는 항복 강도가 500 MPa 이상인 용접 구조용 강재를 표준으로 하며, 동등 이상의 성능과 부재 간 완전한 용접 성능을 발휘할 수 있는 재질과 형상의 구조용 강재를 적용해야 합니다.
• 강지보재의 재료는 강재를 표준으로 하되, 동등 이상의 성능을 발휘하는 재료를 사용할 수 있습니다.

3.2.2 숏크리트

• 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하는 것을 원칙으로 하되, 현장 조건에 따라 변경 적용할 수 있습니다.
• 잔골재는 입경 0.1 mm 이하의 세립물이 포함되지 않아야 하고, 굵은 골재의 최대 치수는 10 mm 이하가 되어야 합니다.
• 재령 1일 압축 강도가 10 MPa 이상, 재령 28일 강도가 21 MPa 이상 되도록 배합 설계해야 합니다.
  • 고강도 숏크리트는 재령 28일 강도가 35 MPa 이상이 되도록 배합 설계해야 합니다.
• 강섬유보강 숏크리트는 설계 휨 강도와 휨 인성을 만족해야 합니다.
  • 재령 28일의 휨 강도는 4.5 MPa 이상, 등가 휨 강도는 3.0 MPa 이상이어야 합니다.
  • 다른 섬유를 적용할 경우에는 상기 강섬유보강 숏크리트의 성능 기준 이상을 발현하도록 설계해야 합니다.
• 조기 강도 발현을 위해 급결제를 사용할 수 있으며, 사용량은 환경, 압축 강도, 시공 조건, 사용 재료, 급결제 재질과 특성을 고려하여 적용해야 합니다.
  • 급결제 선택 시 고려 사항:
    • 콘크리트의 응결 경화 촉진
    • 장기 강도 저하 최소화
    • 우수한 부착성
    • 강지보재 사용 시 부식 방지
    • 사용상 안전성 확보
• 장대 터널에서는 감수제 사용을 검토해야 합니다.
• 강도 증진을 위해 혼화재를 사용할 경우, 실리카 흄, 메타카올린, 플라이애쉬와 같은 미분말 혼화재를 적용할 수 있습니다.
• 굴착면 자립이 어렵거나 박리가 발생하는 경우, 지반과의 부착 증진을 위해 개구 크기와 철선 지름이 작은 철망을 적용할 수 있습니다.
  • 철망 적용 시 고려 사항:
    • 종방향 100 mm, 횡방향 200 mm 이상의 이음장을 표준으로 하되, 현장 조건에 따라 증감할 수 있습니다.
    • 1차 철망은 횡방향 2격자, 종방향 1격자, 2차 철망은 종·횡방향 2격자로 적용합니다.
    • KS D 7017에 규정된 용접철망을 사용하며, 지름은 5 mm 내외, 개구 크기는 100 × 100 mm 또는 150 × 150 mm를 표준으로 합니다.

3.2.3 록볼트

• 재질 및 강도는 한국산업규격(KS)에 적합해야 합니다.
• 항복 강도 350 MPa 이상의 강재로, 인장 강도와 연신율이 커서 취성 파괴가 발생하지 않는 재료여야 합니다.
  • 원지반 조건과 사용 목적에 따라 봉강, 케이블볼트, 강관, 섬유강화 복합재료를 적용할 수 있습니다.
• 케이블볼트의 재질과 형상은 원지반 조건과 사용 목적에 따라 정하며, 공칭 지름 12.7 mm 이상의 7연선으로 인장 강도와 연신율이 큰 것이어야 합니다.
• 지압판은 록볼트와 숏크리트를 일체화시키는 역할을 담당하며, 예상되는 응력에 대해 충분한 면적과 강도를 갖춰야 합니다.
  • 두께는 6 mm를 표준으로 하되, 팽창성 지반은 9 mm 이상을 적용해야 합니다.

3.3 품질 및 성능 시험

• 내용 없음

4. 설계

4.1 설계 일반

• 터널 지보는 원지반의 지보 능력을 적극적으로 활용하는 것을 원칙으로 합니다.
• 지보재는 주변 지반 거동 특성에 부합되도록 설계하여 시공 중이나 완공 후에도 터널의 안정을 유지해야 합니다.
• 터널 내부에서 작업 효율성과 안정성을 고려하여 설계해야 합니다.
• 지반 굴착에 의한 영향이 인접 구조물의 안정을 해치지 않도록 설계해야 합니다.
• 지보재는 주지보재와 보조지보재로 구분하여 설계합니다.
  • 주지보재는 강지보재, 숏크리트, 록볼트로 구성됩니다.
  • 보조지보재는 굴착 용이성 및 안정성 증진을 위해 주지보재에 추가하여 시공되는 봉강, 강관, 막장면 숏크리트, 막장면 록볼트, 지반 및 차수 보강재 등으로 구성됩니다.
• 지반 분류 등급과 지보재 선정 기준을 제시하여 시공 시 설계 조건과 상이할 경우 적합한 지보재 종류와 물량으로 변경 가능하도록 해야 합니다.
• 지반 분류에 의한 표준 지보 패턴 설계를 원칙으로 하되, 대규모 단층대, 함수 미고결층, 3차로 이상의 대단면, 석회암층 통과부, 풍화가 용이한 암반층 등의 구간에서는 별도의 지보 패턴을 설계해야 합니다.
• 지질이 양호한 암반인 경우에는 지보재가 필요하지 않을 수 있으며, 연약한 암반의 경우에는 지보재 간격을 좁게 하고 버팀대나 흙막이판 등을 설치하여 암석 낙하를 방지하도록 설계해야 합니다.
• 터널 시공 시 지보재는 터널 수명 기간 동안 주변 응력이나 변위 상태 등과 상호 연합하여 일체로 거동하여 안정성을 영구적으로 보장해 주도록 설계해야 합니다.
• 터널 주변 지반의 거동이 지표 및 지중의 주변 구조물에 영향을 미칠 위험이 있는 경우에는 터널 굴착의 영향을 최소화할 수 있는 지보재의 규격과 시공 순서를 결정해야 합니다.

4.2 강지보재

4.2.1 강지보재의 설계

• 취약한 지반 조건에서 터널 굴착 초기 안정성을 확보하기 위한 지보재입니다.
• 산정된 작용 하중을 부담할 수 있도록 사용 강재 치수, 설치 간격을 결정하고, 숏크리트와 일체가 되어 지보 기능을 발휘하도록 설계해야 합니다.
• 이음부가 적고, 외력과 기타 조건에 대해 유리한 형상을 가지며 시공 상 편리해야 합니다.
• 다음과 같은 기능이 요구될 때 적용합니다.
  • 숏크리트 또는 록볼트의 지보 기능이 발휘될 때까지 굴착면 조기 안정 도모 및 숏크리트 강성 증대
  • 막장면 훠폴링, 경사 볼트 등 보조 공법의 반력 지지점
  • 큰 지압으로 인한 지보재 강성 증대
  • 지표 침하를 포함한 지반 변위 억제
• 숏크리트 또는 록볼트와 일체가 되어 소요 지보 기능을 발휘하도록 경험적 방법 또는 수치 해석적 방법을 통해 규격과 배치 간격을 정해야 합니다.
• 이음은 시공 순서와 시공성을 고려하여 이음 개소가 최소가 되도록 정하며, 강지보재 제거 또는 추가 이음이 요구되는 곳에는 시공이 가능하도록 설계에 반영해야 합니다.

4.2.2 강지보재의 이음과 설치 간격

• 운반, 거치 및 시공성을 고려하여 분할 제작하는 것을 원칙으로 하되, 이음 개소를 최소화하고 연결 체결부는 일반부와 동등 이상의 강도를 만족해야 합니다.
  • 구조적으로 불리한 위치에서의 이음은 가능한 한 피해야 합니다.
• 팽창성 지반 등과 같이 내공 변위가 크게 발생하는 지역에서는 가축 변형이 허용되는 조인트 구조로 할 수 있습니다.
• 설치 간격은 지반 특성, 사용 목적 및 시공 방법을 고려하여 정해야 합니다.
• 상반과 하반으로 나누어 굴착하는 경우 지반 조건에 따라 상부 강지보재의 수직 지지점 확보가 가능하도록 조치한 후 하반 강지보재를 일부 생략할 수 있습니다.

4.2.3 강지보재의 간격재와 바닥판 받침

• 숏크리트에 의하여 강지보재가 고정되기 전까지 전도를 방지하기 위해 강지보재 사이에 횡방향으로 간격재를 일정 간격으로 설치해야 합니다.
  • 간격재의 형상은 숏크리트의 일체화에 저해되는 형상을 사용해서는 안 되며, 설치 간격은 2.0 m 이내를 표준으로 합니다.
• 강지보재 하단에는 바닥판을 붙이고 필요에 따라 받침을 설치하여 충분한 지지력을 확보해야 합니다.
• 바닥판 받침으로는 철근 콘크리트 블록, 강판, H형강, 격자지보 등을 사용할 수 있으며, 작용 하중이 큰 경우에는 작용 하중을 감당할 수 있는 바닥 보강 콘크리트를 검토 적용해야 합니다.

4.2.4 연직갱의 강지보재

• 연직갱 강지보재의 크기와 간격 결정 시 연직갱 단면의 크기 및 지반 조건 등을 고려해야 하며, 지반이 양호한 경우에는 강지보재를 록볼트와 숏크리트로 대체할 수 있습니다.

4.2.5 경사갱의 강지보재

• 경사갱 강지보재는 직각 방향, 연직 방향, 직각 방향과 연직 방향의 중간 방향으로 설치할 수 있으며, 초기 응력과 지반 상태를 고려하여 가장 적합한 방법을 선택해야 합니다.

4.3 숏크리트

4.3.1 숏크리트의 설계

• 숏크리트는 일반 숏크리트와 고강도 숏크리트로 구분할 수 있습니다.
• 지반과의 부착 및 자체 전단 저항 효과로 숏크리트에 작용하는 외력을 지반에 분산시켜야 합니다.
• 굴착면 가까이에 지반 아치가 형성되어 붕락하기 쉬운 암괴를 지지해야 합니다.
• 휨 압축 및 축력에 대한 저항 효과로 주변 원지반에 내압을 가하여 3축 응력 상태로 유지시켜 지반 강도 저하를 방지해야 합니다.
• 강지보재 또는 록볼트에 지반 압을 전달하는 기능을 발휘해야 합니다.
• 굴착된 지반의 굴곡부를 메우고 절리면 사이를 접착시켜 응력 집중 현상을 피해야 합니다.
• 굴착면을 피복하여 풍화 방지, 지하수 및 세립자 유출 등을 억제해야 합니다.
• 최종 마감재로 설계할 경우, 화재 안전성 확보와 누수 대책을 수립해야 합니다.
• 영구 지보재로 설계할 경우, 소요 두께와 타설 층별 기능 확보를 위해 각 층별로 다른 성능의 숏크리트를 적용할 수 있습니다.
• 영구 지보재로 설계할 경우, 조명 설비, 환기 설비 및 기타 부대 설비를 고정시킬 수 있도록 강도와 부착 성능을 확보해야 합니다.

4.3.2 숏크리트의 특성

• 설계 목적과 기준에 부합하는 강도를 확보해야 합니다.
• 조기에 강도를 발휘할 수 있어야 합니다.
• 지반과의 부착성을 확보해야 합니다.
• 내구성을 확보하여 터널 공용 기간 동안 소요 기능을 발휘해야 합니다.
• 반발률(Rebound)과 분진 발생량을 최소화해야 합니다.
• 평활한 타설 면을 확보하여 방수 및 배수 시공이 용이해야 합니다.

4.3.3 숏크리트의 최소 설계 두께

• 사용 목적, 지반 조건, 단면의 크기, 지보재 안정성 및 시공성을 고려하여 결정하며, 50 mm 이상으로 하는 것을 원칙으로 합니다.

4.3.4 고강도 숏크리트

• 적용 범위:
  • 콘크리트 라이닝을 설치하지 않는 경우
  • 터널의 조기 안정화가 요구되는 경우
  • 장기 내구성이 요구되는 목적 구조물로서 활용되는 경우
  • 대단면 터널에서 숏크리트 두께 축소를 목적으로 하는 경우
  • 안정성, 시공성, 경제성 향상을 목적으로 하는 경우

4.4 록볼트

4.4.1 록볼트의 설계

• 시공성과 시공 기간을 고려하여 시공 재료, 항복 하중 및 정착 방법을 검토해야 합니다.
• 록볼트의 작용 효과가 사용 목적에 적합하게 발휘되도록 지반 상태, 불연속 면의 분포 및 용출수를 고려해야 합니다.
• 록볼트의 작용 효과:
  • 봉합 작용: 이완된 암괴를 원지반에 고정하여 낙하를 방지하는 기능
  • 보형성 작용: 지반의 절리면 사이를 조여 줌으로써 합성 보로서 거동시키는 효과
  • 내압 작용: 록볼트의 인장력과 동등한 힘이 내압으로 터널 벽면에 작용하여 지반 강도 저하를 억제하는 효과
  • 아치 형성 작용: 내압 효과로 인해 굴착면 주변 지반이 변형되어 내하력이 큰 아치를 형성하는 효과
  • 지반 보강 작용: 지반 내에 록볼트를 설치하여 지반의 전단 저항 능력을 증대시키고 잔류 강도를 향상시키는 효과
• 봉합 작용이 강조되어 인장력이 발생되는 경우에는 소요 인발 내력에 대한 충분한 안전율을 갖는 재질과 형상의 록볼트를 채택해야 합니다.
• 재질, 지압판, 정착 형식 및 정착 재료 선정 시에는 시공성을 고려해야 합니다.
• 굴착으로 인한 응력 해방에 따라 내공 변위가 크게 발생하는 경우에는 선단 정착형 또는 혼합형의 록볼트 형식으로 프리스트레스를 도입할 수 있습니다.
  • 프리스트레스 도입 시 지속적인 유지가 가능한 지반 조건이어야 하며, 응력은 항복 강도의 80% 이내가 되어야 합니다.
• 대단면 터널, 터널 교차부와 같이 8 m 이상의 긴 록볼트를 설치할 필요가 있는 경우에는 시공성을 고려하여 록볼트와 함께 케이블볼트를 조합하여 설계할 수 있습니다.
• 케이블볼트의 재질과 형상은 원지반 조건과 사용 목적에 따라 정하며, 배치와 길이는 록볼트의 설계 기준을 준용하되 충전재 미채움으로 인한 공극을 고려하여 결정된 길이에 최소 2 m를 추가해야 합니다.
• 숏크리트, 강지보재와 병용하는 경우에는 각각의 지보 효과를 고려하여 종합적인 지보 기능을 평가한 후 록볼트를 설계해야 합니다.
• 록볼트의 작용 효과를 장기적으로 기대하는 경우에는 부식에 대한 검토가 필요하며, 강산성 지반이나 해수의 영향을 받는 지역에서는 내부식성 재료를 사용하거나 부식 방지 대책을 계획해야 합니다.
• 록볼트는 지반 자체가 강도를 발휘하도록 돕는 지보재의 일종으로서, 지반 강도, 절리, 균열 상태, 용출수 상황, 천공 경 확보 용이성, 정착 확실성을 고려해야 합니다.
• 용출수로 인해 정착력 확보가 어려운 경우 물빼기 공을 설치하거나 급결제를 적용하여 정착 재료 유실을 방지하도록 설계해야 하며, 필요한 경우 팽창성 강관 록볼트와 같은 마찰형 록볼트를 적용할 수 있습니다.

4.4.2 록볼트 정착 방법

• 정착 방법으로는 선단 정착형, 전면 접착형, 혼합형 등이 있으며, 사용 목적, 지반 조건, 시공성 및 경제성을 고려하여 선정해야 합니다.
• 정착 재료는 시멘트 계와 수지 계를 현장 여건에 따라 사용할 수 있으며, 흘러내림을 최대한 방지하도록 설계해야 합니다.
• 지반이 연약하여 공벽의 자립이 어려울 것으로 예상되는 경우에는 자천공형 록볼트를 검토 적용할 수 있습니다.
• 긴급한 록볼트 기능 도입이 요구되는 경우에는 마찰력을 즉시 발휘시킬 수 있는 구조의 록볼트를 적용하도록 설계해야 합니다.
• 정착 재료로는 보통 포틀랜드 시멘트를 적용하는 것을 원칙으로 하며, 모래는 최대 직경이 2 mm 이하의 입도가 양호한 모래를 적용하도록 설계해야 합니다.

4.4.3 록볼트의 배치와 길이 선정

• 굴착에 따라 영향을 받는 영역을 보강하도록 배치하는 것을 원칙으로 하되, 현장 조건에 따라 조정하도록 설계할 수 있습니다.
• 록볼트의 적정 설치 위치와 시공 여부 판단을 위한 검측 방법을 설계에 적용할 수 있습니다.
• 배치와 길이는 사용 목적, 지반 조건, 터널 단면의 크기와 형상, 굴착 공법 및 절리의 간격을 고려하여 지반 자체의 지보 능력을 원활히 발휘할 수 있도록 설계해야 합니다.
• 록볼트의 배치는 지반의 부분적인 붕괴를 방지하기 위한 랜덤 볼트(Random bolt) 방식과, 규칙적으로 배치하여 자연 지반 아치를 형성시키는 시스템 볼트(System bolt) 방식이 있습니다.
• 길이는 터널 주변의 이완 영역보다 길게 하여 불안정 영역을 충분히 지지할 수 있도록 설계해야 합니다.
• 록볼트를 일정한 간격으로 배치할 필요가 있는 경우에는 굴착면에 직각으로 타설하는 것을 원칙으로 하고, 인접한 록볼트 간에는 상호 작용 발휘가 가능하도록 배치해야 합니다.
  • 절리가 발달하였으나 암질이 양호한 불연속 면을 관통하는 경우에는 절리면의 방향을 고려하여 록볼트를 설치하도록 설계해야 합니다.
• 조기에 타설할 필요가 있는 경우나 천공 장비의 진입이 어려운 경우에는 터널 진행 방향으로 경사진 록볼트로 설계할 수 있습니다.
• 길이는 양호한 지반에서는 설치 간격의 2배를 표준으로 함을 원칙으로 하고, 굴착 단면의 크기, 이완 영역의 발달 깊이, 1회 굴진 장 및 암반의 절리 상태에 따라 조정할 수 있도록 설계해야 합니다.
• 터널 상부에 강관 보강 공법이 적용된 구간에서 록볼트에 의한 보강 효과가 얻을 수 없거나 그 효과가 매우 저감되는 경우에는 지반 조건을 면밀히 검토한 후 록볼트를 생략할 수 있습니다.

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