문서번호	도시철도계획부-24514
결재일자	2022. 8. 18.
공개여부	부분공개(5)
방침번호

			시 민
주무관		계획과장	도시철도계획부장
이경훈		김동철	08/18
			정대현
협조
	주무관		조세호

- 터널라이닝 최적화 및 쉴드TBM 효율적 적용방안 -

용역결과 주요내용 및 활용보고

2022. 8.

도시기반시설본부

(도시철도계획부)

- 터널라이닝 최적화 및 쉴드TBM 효율적 적용방안 -

용역결과 주요내용 활용방안 보고

서부선 등 향후 설계 예정인 우리시 도시철도사업에 대해 최적의 터널설계 적용방안을 마련하고자 시행한 「터널라이닝 등 최적화 적용방안 연구 용역」의 주요내용 및 활용방안 보고

Ⅰ		용 역 개 요

ㅇ 용 역 명 : 도시철도 터널라이닝 최적화 및 쉴드 TBM 효율적 적용방안 연구

ㅇ 과업기간 : 2021.7. ~ 2022. 7. 31.

ㅇ 연 구 비 : 270,600천원

ㅇ 시 행 자 : 서부도시철도(주) / 연구기관 : 한국터널지하공간학회

ㅇ 과업내용

- 터널 설계기준을 비교분석하고 신소재 적용 가능여부 등 개선사항을 검토하여 경제적인 터널 설계기준을 마련

- 쉴드TBM의 적정 장비조달 및 세그멘트 제작 비용 절감 등 현실화 방안 모색을 통해 최적의 서부선 등 도시철도 터널 구조물 건설

Ⅱ		추 진 경 위

ㅇ '20. 12. : 서부선 제3자 제안공고

ㅇ '21.  3. : 1단계 참가자격 사전심사(PQ)

ㅇ '21.  5. : 우선협상대상자 선정[서부도시철도(주), 주간사 : 두산건설]

ㅇ '21.  6. : 터널 공법의 효율적 적용 관련 협의 (주간사 → 본부)

- 공신력있는 기관을 통해 효율적 터널 적용방안 연구 제안

ㅇ '21.  7. :「터널라이닝 등 최적화 적용방안 마련 연구 용역」착수

Ⅲ		용역결과(요약)

□ 도시철도 콘크리트 라이닝 최적화 분야

가. 터널 바닥부 지반스프링 계산 산정방안

ㅇ 실    태

- 미공병단식과 연직지반반력계수를 산정하여 사용하는 경우가 혼재하고 있어 인버트 형상의 터널 바닥부에 대한 지반스프링계수 정립 필요함

구 분		9호선		인덕원- 동탄	월곶-판교	신안산선 (민자)	GTX-A (민자)
		A건설사	B건설사
지반 스프링 산정방법	아치부	미공병단식	미공병단식	미공병단식	미공병단식	미공병단식	미공병단식
	인버트		연직지반반력 계수 공식	연직지반반력 계수 공식	연직지반반력 계수 공식	연직지반반력 계수 공식

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나. 라이닝 단부 경계조건 및 단부 모델링 방안

ㅇ 실     태

- 인버트 미적용 단면에 대한 라이닝 단부 경계 조건 및 모델링 형상에 따라 상이한 결과 도출되므로 인버트 미적용 단면에 대한 실제 거동에 부합하는 경계조건 및 모델링 방안 정립필요

<공동구 포함하는 경우와 미포함에 대한 모델링 비교 검토>

공동구 포함 모델링	공동구 미포함 모델링 (공둥구 상부 이음부까지 모델링)

구 분		(공동구 포함)	(공동구 미포함)	증가량 비교 (공동구 포함/미포함
모멘트 (kNㆍm)	천정부	227.23	249.95	110.0%
	어깨부	248.28	260.69	105.0%
축력 (kN)	천정부	907.31	998.03	110.0%
	어깨부	1004.23	1054.44	105.0%
전단력 (kN)	천정부	98.642	108.51	110.0%
	어깨부	85.44	89.71	105.0%

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다. 지반이완하중 재하방법

ㅇ 실     태

- 터널에 작용하는 이완하중재하 방법별로 콘크리트라이닝의 단면력 차이가 발생하므로 터널의 실제 거동에 부합하는 이완하중 재하방법 정립필요

<지반이완하중 재하방법 구조해석 검토>

① 연직 및 수평방향 분리 재하	② 방사형 부재 직각방향 재하	③ 연직방향 재하

구분		Terzaghi 분류표		Terzaghi 이론식		RMR		Q-Value
5등급(m)		11.98		4.84		9.17		2.27
풍화암(m)		14.47		11.33		10.32		10.26
풍화토(m)		21.96		12.23		10.89		22.10
구분(지반/토피)		10m	20m	30m	40m	50m	60m	70m	80m
G L I	5등급(m)	1.97	2.22	2.89	3.56	4.23	4.90	5.57	6.24
	풍화암(m)	4.03	5.42	6.81	8.20	9.58	10.97	12.36	13.75
	풍화토(m)	5.84	7.81	9.79	11.76	13.73	15.71	17.68	19.65

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라. 축력을 고려한 콘크리트라이닝 균열검토

ㅇ 실     태

- 콘크리트 라이닝 균열 검토 시 보 및 1방향 슬래브 검토에 적용하는 휨거동만 고려하고 있으나, 아치형 구조물인 콘크리트 라이닝은 휨모멘트와 축력을 고려한 균열검토가 필요함에도 이를 고려치 않고 설계를 추진하고 있음

<축력을 고려한 콘크리트라이닝 균열 검토>

암반	10m	20m	30m	40m	50m	60m	70m	80m
휨 모멘트 고려	H19 @125	H19 @125	H19 @125	H22 @125	H22 @125	H22 @125	H25 @125	H25 @125
	O.K	O.K	O.K	O.K	O.K	O.K	O.K	O.K
축력 동시 고려	H16 @150	H16 @150	H16 @150	H16 @150	H16 @150	H16 @150	H16 @150	H16 @150
	O.K	O.K	O.K	O.K	O.K	O.K	O.K	O.K
토사	10m	20m	30m	40m	50m	60m	70m	80m
휨 모멘트 고려	H32 @125	H32 @125	H32 @125	H32 @125	H32 @125	H32 @125	H32 @125	H32 @125
	N.G	N.G	N.G	N.G	N.G	N.G	N.G	N.G
축력 동시 고려	H25 @150	H29 @125	H29 @125	H29 @125	H29 @125	H29 @125	H29 @125	H29 @125
	O.K	O.K	O.K	O.K	O.K	O.K	O.K	O.K

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마. 콘크리트라이닝 신축이음 최적화

ㅇ 실     태

- 신축이음은 구조물의 팽창 및 수축을 효과적으로 수렴시키고 환경변화에 의한 균열을 완화시키기 위해 설치하며, 도시철도 설계 시 신축이음 설치간격 30m 적용하고 있으나

- 도시철도 터널의 경우 일반적인 공기 중 노출 콘크리트 환경보다 온도변화가 크지 않은 특성을 가지므로 신축이음 설치 간격 최적화 가능여부 판단, 정립필요

<국내·외 터널 콘크리트라이닝 신축이음 관련기준 분석>

구 분		국가철도공단	한국도로공사
터널 본선		250m 이하 적용	필요시(최대 250m 간격)
갱구부 (입출구부)		갱구부 60m(개착터널 연장 제외) 3span(30～36m) 간격	입출구부 (50m) 25m 이하 간격
기타구간	급배기 환기구	30m 이하 적용
	단면 변화부	복선~확폭터널, 2-arch (3-Arch), 급전구분소 등(신호․통신 기재갱은제외)	피난연결통로 등
	철근․무근 접합부(암질불량구간등) / 급격한 지층변화구간(저토피, 단층대등)

ㅇ 검토결과(설치간격 최적화)

- 정거장 사이 터널 구간이 많아 일반철도 및 고속도로 터널과 비교하여 외부기온 영향 미미하므로 현재 국가철도공단 및 한국도로공사의 설치기준을 준용하고

- 단면 변화부, 환기구, 지층변화부 등 외부기온 영향구간은 차등하여 적용

위 치		내 용
터널 본선		250m 이하 적용
기타 구간	급배기환기구	-	3span (30～36m) 간격 이하 적용
	단면 변화부	복선～확폭 터널, 2-arch (3-Arch), 급전구분소 등(신호․통신 기재갱은 제외)
	철근․무근 접합부	암질불량구간등
	취약부로 작용할 수 있는 급격한 지층변화구간	저토피, 단층대등
∙갱구부의 경우 60m 구간에 대하여 3 Span 간격으로 신축이음 설치

바. 강섬유보강 세그먼트 라이닝 설계 최적화

ㅇ 실     태

- 국내에서 Shield TBM 경제성 확보를 위한 다양한 연구가 진행된 바 있으나 아직 이를 반영한 강섬유보강 세그먼트의 적용 사례는 전무한 실정임

- 국외에서는 강섬유와 철근을 함께 사용한 Hybrid SFRC와 강섬유만을 사용한 Full SFRC 세그먼트가 일반화됨

- 강섬유보강 세그먼트에 대한 실내실험과 실규모 재하시험을 수행하여 강섬유 보강 세그먼트 라이닝 제작기술과 요구성능 확보기술을 검증할 필요 있음

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휨인성 시험 전경

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□ 쉴드TBM 장비가격 현실화 방안

ㅇ 도급자가 조달주체로 하되, 발주자는 사업진행단계별 조달과정을 관리

ㅇ 추진 단계별 장비위원회 운영 및 위험관리 체크리스트 등을 통해 최적의 장비를 경제적으로 도입할 수 있도록 관리

[단계별 관리방안 (예시)]

- 재정사업

계 획			기본설계			실시설계			공사입찰			심 사		낙찰자선정
#1 [TBM 발주관련 입찰 및 기술지침]			#2 [장비위원회] -TBM 공법 적용성평가 -TBM 조달방식 선정 -TBM 견적가격평가			#3 [장비위원회] -TBM 장비선정 -TBM 견적가격 평가								#4 [장비위원회] -도급계약 특이사항 -TBM 발주(도급자)

- 민간투자사업

계 획			제3자 제안			협상 및 시행자 선정			실시설계			실시계획 승인
#1 [TBM 발주관련 입찰 및 기술지침]						#2 [장비위원회] -TBM 공법 적용성평가 -TBM 조달방식 선정 -TBM 견적가격평가			#3 [장비위원회] -TBM 장비선정 -TBM 견적가격 평가			#4 [장비위원회] -도급계약 특이사항 -TBM 발주(도급자)

Ⅴ		용역결과 활용방안

ㅇ 서부선 등 향후 설계예정인 도시철도 터널설계 시 용역결과를 참고하여 활용

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ㅇ 터널설계기준 지속관리를 통한 도시철도 기술력 제고

- 연구용역 결과에 대한 현장 적용 및 결과 확인 등을 통한 다양한 경험축척

- 타 기관과의 기술교류, 지속적인 개선사항 발굴 등을 통한 도시철도 기술력 향상 도모

붙임 : 연구보고서 1부.  끝.